מעגל פילטר הרמוני: כיצד להסיר הרמוניות באמצעות פילטרים הרמוניים פעילים ופסיביים

מהי הרמוניות במערכת החשמל?

במערכות הספק, הרמוניות מוגדרות כמכפילים שלמים חיוביים של התדר הבסיסי. הרמוני הוא מתח או זרם המתרחש במכפיל של התדר הבסיסי. לעתים קרובות זה נחשב לרעש בקו החשמל.

ניתן לסווג את ההרמוניות במערכת החשמל לשני סוגים: הרמוניות זרם והרמוניות מתח.

ההרמוניות הנוכחיות מושרה על ידי העומס הלא-ליניארי כגון VSDs (כונני מהירות משתנה). העומסים הלא-לינאריים שואבים זרם מקו החשמל שאינו בצורת גל סינוסי מושלמת. צורת הגל הנוכחית הנונסואנודית יכולה להיות סדרה מורכבת של סינוסואידית פשוטה אשר יכולה להתנודד במספר שלם, מרובה מתדר היסוד של קו החשמל.

ברוב המקרים, הרמוניות המתח נגרמות על ידי ההרמוניות הנוכחיות. ההרמוניה של המתח מתרחשת בגלל המתח המעוות שמייצר השפעת ההרמוניות הנוכחיות עם עכבת המקור.

התמונה לעיל מציגה את צורת הגל הנוכחית במצוקה על פני העומס הלא ליניארי. כאן צורת הגל הנוכחית המעוותת אינה עוקבת אחר הגל הסינוסי. זה מראה את ההרמוניות הנוכחיות במערכת החשמל.

מדוע יש צורך לחסל הרמוניות במערכת החשמל?

ההרמוניות הנוכחיות והמתחיות הן ביחס ישר להעברת הכוח הרועשת לעומס. ציוד ביתי ומשרדי שונים אחראי על ההרמוניות במערכת החשמל. הרמוניות מערכת החשמל מגדילות לעיתים קרובות את זרם העומס. מכשירים שונים, כמו נורות פלואורסצנט במפעלים או בבית או במשרד, מושפעים מהרמוניות וסובלים מתקלות שונות. מנועים מושפעים מאוד מההרמוניות של מערכת החשמל.

לפעמים ההרמוניות במערכות החשמל יכולות להיות מסוכנות מאוד ולהגדיל את הכוח שמועבר למכשירים מה שמוביל לעליית טמפרטורה בעומס ויכול לקצר את חיי המכשיר.

כדי להתגבר על הרמוניות של מערכת החשמל, צריך לשחזר את חיבור הכוח להנעת עומסים לא לינאריים ולהכניס פילטרים הרמוניים במערכת החשמל.

סוג מסנני הרמוניות

הרמוניות מסננות יעילות מאוד להגנה על ציוד חשמלי יקר מפני תפוקות חשמל מעוותות עקב הרמוניות. ישנם סוגים שונים של פילטרים הרמוניים הזמינים בשוק החשמל והאלקטרוניקה, בהתאם לספק המדורג, המתח המופעל, שלב חד פעמי או שלושה שלבים ופרמטרים אחרים התלויים בעומס.

עם זאת, ישנם שני סוגים עיקריים של מסננים הרמוניים זמינים שהם מסננים הרמוניים פסיביים ומסנן הרמוני פעיל.

ההבדל העיקרי בין שני סוגים אלה של פילטרים הרמוניים הוא הרכיבים המשמשים לעיצוב המסנן. מסננים הרמוניים פסיביים משתמשים ברכיבים פסיביים פשוטים בעיקר נגדים, משרנים וקבלים. בעוד שמסננים הרמוניים פעילים משתמשים ברכיבים פעילים כגון סוגים שונים של BJT, IGBT, MOSFET ומעגלים משולבים.

מכיוון שהמסננים ההרמוניים הם ציוד הבטיחות של קווי החשמל עליהם לאשר את תקני הבטיחות הבינלאומיים כמו IEEE, EN, AS, BS וסימן UL של מעבדות החיתום.

כמו כן, ניתן לעצב את מסנני ההרמוניות בסדרים שונים. כמו מסנן שלישי מסננים הרמוניים יכולים לסנן את התדר שהוא המכפיל השלישי של התדר הבסיסי.

פילטרים הרמוניים פסיביים

פילטרים הרמוניים פסיביים הם המסנן ההרמוני הנפוץ ביותר והנמצא בקלות. זהו מסנן זול כדי לדכא את ההפרעה ההרמונית בקו החשמל.

כפי שנדון קודם, פילטרים הרמוניים פסיביים משתמשים ברכיבים פסיביים סטנדרטיים כגון משרנים נגד וקבלים. רכיבים פסיביים אלה משמשים ליצירת מעגל טנקים. מעגל המכל מתוכנן בצורה מיוחדת כך שניתן להפעיל אותו בתדר תהודה ביחס להרמוניות הלא רצויות. המסננים ההרמוניים הפסיביים חוסמים את ההרמוניות הלא רצויות לעבור. המסנן ההרמוני הפסיבי ממיר את הזרם ההרמוני לחום ומגן על מכשיר הקצה או על העומס. ניתן לכוון את הפילטר לתדר מסוים שיש לבטל אותו כהרמוניות.

ישנם בעיקר ארבעה סוגים של פילטרים הרמוניים פסיביים:

1. פילטר מעבר גבוה

2. פילטר פס מעבר

3. מסנן מסוג C ו-

4. פילטר סדרה.

לעבור סינון גבוה

מסננים הרמוניים פסיביים גבוהים משמשים לחיסול הרמוניות מסדר גבוה יותר ולקבלת שליטה גמישה במגוון הרחב של התדרים. תכנון המסנן ההרמוני הבסיסי הגבוה עובר שימוש בשלושה רכיבים פסיביים, נגד, קבלים ומשרן.

בתמונה שלעיל אנו יכולים לראות את הבנייה הבסיסית של פילטר הרמוני פס גבוה. הקונסטרוקציה מראה את הנגד והמשרן הוא בחיבור מקביל קבלים בסדרה. המסנן מייצר מאפייני עכבה שטוחה בתחום התדרים הגבוהים. התדר הגבוה מקטין את אובדן הכוח.

סוג של מסננים זה משמש בעיקר לסינון 5 ^th / 6 או נוכחי מסדר גבוה. לעיתים קרובות משולבים פילטרים שונים עם פילטרים הרמוניים מעבירים גבוהים בכדי למנוע אובדן חשמל בשימוש ביישומים בסדר נמוך או בתדרים נמוכים.

עקומת העכבה עם התדר יכולה להיות מוצגת בתמונה למטה.

פילטר פס מעבר

פילטר הרמוני של פס מעבר הוא פילטר מכוון כפול. המסנן ההרמוני bandpass מורכב משני קבלים, שני סלילים, וכן נגד יחיד. הוא משמש גם למטרות סינון הרמוניות בסדר גודל גבוה. מסנן זה עובד עם שילוב של תהודה מקבילה של מסנן מעבר הפס הסטנדרטי יחד עם תהודה סדרתית של משרן וקבל בשילוב.

בתמונה לעיל, סכמטי מסנן פס מעבר בסיסי מוצגים. מעגל המסנן מורכב משני חלקים, בתוך החלק הראשון קבל C2 ו משרן L2 מחובר בסדרה ואילו חלק שני נגד, משרן, ואת קבלים מחוברים במקביל. החלק הראשון והחלק השני מחוברים גם הם בסדרות.

ניתן להציג את מאפייני העכבה עם התדר בגרף שלהלן.

מסנן מסוג C

מסנן מסוג C משמש לסדר נמוך כמו למשל סינון הרמוני מסדר שני או שלישי. למסננים מסוג C יש הפסד נמוך יותר ממעבר הפס המקביל או מסנן הסדרה.

מסננים מסוג C מורכבים מארבעה רכיבים פסיביים - שני קבלים, משרן ונגד יחיד.

בתמונה שלמעלה מוצג הבנייה הבסיסית של מסנן מסוג C. קבלים מחוברים בסדרה של משרן המחובר שוב במקביל לנגד. החיבור המקביל לשלושת הרכיבים מחובר שוב בסדרה עם קבל שני.

הנגד מדכא את הזרם הבסיסי שנוצר על ידי המשרן והקבל המתנודד.

עקומת העכבה מוצגת בתמונה למטה-

פילטר סדרה

פילטר הסדרה נקרא כמסנן פסיבי מדכא הרמוני מכוון יחיד. למסנן זה יש את תכונות הבנייה הפשוטות ביותר. רק שלושה מרכיבים פסיביים - קבלים, משרן ונגד יחידים משמשים בסדרה. מסנן זה מבטל תדר יחיד.

את מבנה המסנן הזה ניתן להציג בתמונה למטה, כאשר 3 רכיבים פסיביים מחוברים בסדרה כדי ליצור את המסנן ההרמוני של סדרה אחת.

מאפיין העכבה מוצג בתמונה למטה -

מסננים הרמוניים פעילים

כפי שנדון קודם לכן, מסנני הרמוניות פסיביים טובים לחיסול הרמוניות הקשורות בקו החשמל. עם זאת, תכנון המסנן ההרמוני הפסיבי הוא באמת מורכב ועל המעצב לתכנן את המסננים ההרמוניים הפסיביים בהתאם לדרישות הכוח התגובות של העומס. במקרה כזה, תכנון המסנן הפסיבי הוא קשה מאוד והוא מוביל לפעולה מקשה של כוח הספק בתנאי עומס מסוימים.

בעניין זה, עדיף לטפל במסננים פעילים בהרמוניות קו החשמל ללא תלות הכוח התגובתית של התדר הבסיסי.

פילטרים הרמוניים פעילים משתמשים בשיטה מעולה כאשר המסנן משתמש ברכיבים הרמוניים בייצור עצמי ומזריק זאת לקו החשמל שמבטל את ההרמוניות הלא רצויות.

ישנם סוגים שונים של פילטרים פעילים הזמינים המשתמשים בטופולוגיות שונות כדי לבטל את ההרמוניות בקו החשמל.

תכנון המסננים ההרמוניים הפעילים הנפוץ ביותר משתמש בדברים הבסיסיים הבאים כמו

1. מהפך מקור מתח באמצעות מתגי הפעלה שונים

2. דגימה ובקרת הפניה מקו החשמל

3. מערכת PWM המזריקה לדופק ירי PWM למערכת כהרמוניות.

הפילטר ההרמוני הפעיל משתמש במתגים של מוליכים למחצה מסוג אחר הדורש כוח להפעלה.

כיצד לבחור פילטרים הרמוניים

קביעת המסנן ההרמוני המושלם היא די מסובכת. צריך לזהות את התדר ההרמוני שבו צריך לכוון את המסננים. במקרים ספורים פעולת הפילטר אינה משרתת את המטרה רק בגלל כוונון שגוי בתדר בסיסי מסוים בו אין הרמוניות.

הצעד החשוב הראשון הוא לזהות את סדר הרמוניות ובהתאם הסדר ההרמוני הצורך מסנן כדי להיבחר. כדי לחסל סדרת עיוותים הרמוניים בתדרים בודדים פילטרים הרמוניים יעילים אך במקרים מעטים יש להשתמש במסנני הרמוניות מכוונים כפולות.

יש לפצות את ההפסדים על פני המסננים שתלויים מאוד בבחירת המסנן. לעיתים עבור רמה גבוהה של עומסים לא לינאריים, פעיל וסביל שני סוגי המסננים ההרמוניים נדרשים.