- Wat is harmonischen in een elektrisch systeem?
- Waarom is het nodig om harmonischen in het voedingssysteem te elimineren?
- Type Harmonischen Filters
- Passieve harmonische filters
- Actieve harmonische filters
- Harmonische filters selecteren
Wat is harmonischen in een elektrisch systeem?
In vermogenssystemen worden harmonischen gedefinieerd als positieve gehele veelvouden van de grondfrequentie. Harmonisch is een spanning of stroom die optreedt bij een veelvoud van de grondfrequentie. Het wordt vaak gezien als ruis in het elektriciteitsnet.
De harmonischen in het voedingssysteem kunnen in twee typen worden ingedeeld: stroomharmonischen en spanningsharmonischen.
De huidige harmonischen veroorzaakt door de niet-lineaire belasting, zoals VSD's (frequentieregelaars). De niet-lineaire belastingen halen stroom uit de voedingslijn die niet in een perfecte sinusvormige golfvorm is. De niet-sinusvormige stroomgolfvorm kan een complexe reeks eenvoudige sinusoïdale vormen zijn die kunnen oscilleren op een geheel getal, veelvoud van de fundamentele frequentie van de voedingslijn.
In de meeste gevallen worden de spanningsharmonischen veroorzaakt door de huidige harmonischen. De spanningsharmonische treedt op vanwege de vervormde spanning die wordt geproduceerd door het effect van stroomharmonischen met de bronimpedantie.
De bovenstaande afbeelding toont de verontruste stroomgolfvorm over de niet-lineaire belasting. Hier volgt de vervormde stroomgolfvorm niet de sinusvormige golf. Dit toont de huidige harmonischen in het voedingssysteem.
Waarom is het nodig om harmonischen in het voedingssysteem te elimineren?
Stroom- en spanningsharmonischen zijn recht evenredig met de lawaaierige vermogensoverdracht naar de belasting. Diverse huishoudelijke en kantoorapparatuur zijn verantwoordelijk voor de harmonischen in het voedingssysteem. De harmonischen van het voedingssysteem verhogen vaak de belastingsstroom. Diverse instrumenten, zoals TL-lampen in de fabrieken of in huis of kantoor, worden beïnvloed door harmonischen en vertonen diverse storingen. Motoren worden enorm beïnvloed door de harmonischen van het voedingssysteem.
Soms kunnen de harmonischen in de voedingssystemen erg gevaarlijk zijn en het vermogen dat aan de instrumenten wordt geleverd, verhogen, wat leidt tot een temperatuurstijging van de belasting en de levensduur van het instrument kan verkorten.
Om deze harmonischen van het voedingssysteem te overwinnen, moet men de voedingsaansluiting reconstrueren om niet-lineaire belastingen aan te sturen en harmonischenfilters in het voedingssysteem te introduceren.
Type Harmonischen Filters
Harmonischen-filters zijn zeer effectief om kostbare elektrische apparatuur te beschermen tegen vervormde uitgangen als gevolg van harmonischen. Er zijn verschillende soorten harmonischenfilters beschikbaar in de elektrische en elektronische markt, afhankelijk van het nominale vermogen, de toegepaste spanning, eenfasige of driefasen en andere belastingafhankelijke parameters.
Er zijn echter twee hoofdtypen harmonischenfilters beschikbaar: passieve harmonische filters en actieve harmonische filters.
Het belangrijkste verschil tussen deze twee soorten harmonische filters zijn de componenten die worden gebruikt voor het filterontwerp. Passieve harmonische filters gebruiken eenvoudige passieve componenten, voornamelijk weerstanden, inductoren en condensatoren. Terwijl actieve harmonische filters actieve componenten gebruiken, zoals verschillende soorten BJT's, IGBT's, MOSFET's en geïntegreerde schakelingen.
Omdat de harmonischenfilters de veiligheidsuitrusting voor de elektrische lijn zijn, moeten ze de internationale veiligheidsnormen zoals IEEE, EN, AS, BS en de UL-markering van de underwriter's laboratoria bevestigen.
Ook kunnen de harmonischenfilters in verschillende volgordes worden ontworpen. Net als harmonische filters van de derde orde kunnen filters de frequentie wegfilteren die het derde veelvoud is van de grondfrequentie.
Passieve harmonische filters
Passieve harmonische filters zijn de meest voorkomende en gemakkelijk verkrijgbare harmonische filters. Het is een betaalbaar filter om de harmonische storing in de voedingslijn te onderdrukken.
Zoals eerder besproken, gebruiken passieve harmonische filters standaard passieve componenten zoals weerstanden, inductoren en condensatoren. Die passieve componenten worden gebruikt om een tankcircuit te vormen. Het tankcircuit is op een speciale manier ontworpen zodat het kan worden bediend op dezelfde resonantiefrequentie met betrekking tot de ongewenste harmonischen. De passieve harmonische filters blokkeren de doorlaat van ongewenste harmonischen. Het passieve harmonische filter zet de harmonische stroom om in warmte en beschermt het eindapparaat of de belasting. Het filter kan worden afgestemd op een bepaalde frequentie die als harmonischen moet worden geëlimineerd.
Er worden hoofdzakelijk vier soorten passieve harmonische filters gebruikt:
1. Hoogdoorlaatfilter
2. Banddoorlaatfilter
3. C-type filter en
4. Serie filter.
Hoogdoorlaatfilter
Hoogdoorlaat passieve harmonische filters worden gebruikt om harmonischen van hogere orde te elimineren en om een flexibele controle te hebben over het brede frequentiebereik. Het basisontwerp van het hoogdoorlaat-harmonische filter maakt gebruik van drie passieve componenten: weerstand, condensator en inductor.
In de bovenstaande afbeelding zien we de basisconstructie van een passief hoogdoorlaatfilter. De constructie toont de weerstand en de inductor is parallel geschakeld en een condensator in serie. Het filter produceert vlakke impedantiekarakteristieken in het hoge frequentiebereik. De hoge frequentie vermindert het vermogensverlies.
Dit soort filters wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het filteren 5 th / 6e of hogere orde stroom. Vaak worden verschillende filters gecombineerd met harmonische hoogdoorlaatfilters om vermogensverlies te voorkomen bij gebruik in toepassingen met een lage orde of lage frequentie.
De impedantiecurve met de frequentie kan in de onderstaande afbeelding worden weergegeven.
Banddoorlaatfilter
Bandpass-harmonische filter is een dubbel afgestemd filter. Het harmonische banddoorlaatfilter bestaat uit twee condensatoren, twee smoorspoelen en een enkele weerstand. Het wordt ook gebruikt voor harmonische filtratiedoeleinden van hoge orde. Dit filter werkt met de combinatie van parallelle resonantie van het standaard banddoorlaatfilter en serieresonantie van inductor en condensator gecombineerd.
In de bovenstaande afbeelding wordt het basisschema van het banddoorlaatfilter getoond. Het filtercircuit bestaat uit twee delen, in het eerste deel zijn een condensator C2 en inductor L2 in serie geschakeld terwijl in het tweede deel een weerstand, een inductor en een condensator parallel zijn geschakeld. Het eerste deel en het tweede deel zijn ook in serie geschakeld.
De impedantiekarakteristieken met de frequentie kunnen in de onderstaande grafiek worden weergegeven.
C-type filter
C-type filter wordt gebruikt voor de lage orde, zoals tweede of derde orde harmonische filtratiedoeleinden. Filters van het type C hebben een lager verlies dan de equivalente banddoorlaat- of seriefilter.
Filters van het C-type bestaan uit 4 passieve componenten: twee condensatoren, een inductor en een enkele weerstand.
In de bovenstaande afbeelding wordt de basisconstructie van het c-type filter getoond. Een condensator is in serie geschakeld met een inductor die weer parallel is geschakeld met de weerstand. De drie componenten parallelschakeling is weer in serie geschakeld met een tweede condensator.
De weerstand onderdrukt de fundamentele stroom die wordt opgewekt door de oscillerende inductor en condensator.
De impedantiecurve wordt getoond in de onderstaande afbeelding
Serie filter
Het seriefilter wordt een passief filter met enkel afgestemde harmonische onderdrukker genoemd. Dit filter heeft de meest eenvoudige constructie-eigenschappen. Slechts drie passieve componenten - een enkele condensator, inductor en weerstand worden in serie gebruikt. Dit filter elimineert een enkele frequentie.
De constructie van dit filter kan worden getoond in de onderstaande afbeelding, waar 3 passieve componenten in serie zijn geschakeld om het enkele afgestemde serie harmonische filter te vormen.
De impedantiekarakteristiek wordt getoond in de onderstaande afbeelding -
Actieve harmonische filters
Zoals eerder besproken, zijn passieve harmonischenfilters goed om harmonischen te elimineren die in de voedingslijn zijn geassocieerd. Het ontwerp van het passieve harmonische filter is echter erg complex en de ontwerper moet de passieve harmonische filters ontwerpen in overeenstemming met de blindvermogenvereisten van de belasting. In dat geval is het ontwerp van het passieve filter erg moeilijk en leidt het tot een slechte werking van de arbeidsfactor onder bepaalde belastingsomstandigheden.
In deze kwestie zijn actieve filters beter om de harmonischen van de voedingslijn te verwerken zonder de blindvermogenafhankelijkheid van de grondfrequentie.
Actieve harmonische filters gebruiken een uitstekende methode waarbij het filter zelf geproduceerde harmonische componenten gebruikt en deze in de stroomlijn injecteert, waardoor de ongewenste harmonischen worden opgeheven.
Er zijn verschillende soorten actieve filters beschikbaar die verschillende topologieën gebruiken om de harmonischen in de voedingslijn te elimineren.
Het meest voorkomende ontwerp van actieve harmonische filters gebruikt de volgende basiszaken, zoals
1. spanningsbron omvormer met behulp van verschillende stroomschakelaars
2. Bemonstering en controlereferentie van de voedingslijn
3.PWM-systeem dat PWM-ontstekingspuls in het systeem injecteert als harmonischen.
Het Active Harmonic-filter gebruikt een ander soort halfgeleiderschakelaars die stroom nodig hebben om te werken.
Harmonische filters selecteren
Het bepalen van het perfecte harmonische filter is best lastig. Men moet de harmonische frequentie identificeren waarop de filters moeten worden afgestemd. In enkele gevallen kan de filterwerking het doel niet dienen, alleen vanwege een verkeerde afstemming op een bepaalde grondfrequentie waar geen harmonischen aanwezig zijn.
De eerste belangrijke stap is het identificeren van de harmonischenvolgorde en afhankelijk van de harmonische volgorde moet het filter worden gekozen. Om harmonische vervorming met een enkele frequentie te elimineren, zijn serie harmonische filters efficiënt, maar in enkele gevallen moeten dubbel afgestemde harmonischenfilters worden gebruikt.
Ook de verliezen over de filters moeten worden gecompenseerd, die sterk afhankelijk zijn van de filterkeuze. Soms zijn voor een hoog niveau van niet-lineaire belastingen actieve en passieve beide typen harmonische filters vereist.