- Harmonics ในระบบไฟฟ้าคืออะไร?
- เหตุใดจึงจำเป็นต้องกำจัด Harmonics ในระบบไฟฟ้า
- ประเภทของฟิลเตอร์ฮาร์โมนิกส์
- ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ
- ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ใช้งานอยู่
- วิธีการเลือก Harmonic Filters
Harmonics ในระบบไฟฟ้าคืออะไร?
ในระบบไฟฟ้าฮาร์มอนิกถูกกำหนดให้เป็นจำนวนเต็มบวกของความถี่พื้นฐาน ฮาร์มอนิกคือแรงดันหรือกระแสที่เกิดขึ้นที่ความถี่พื้นฐานหลายค่า มันก็มักจะถือได้ว่าเป็นเสียงในสายไฟ
ฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ฮาร์มอนิกกระแสและฮาร์มอนิกแรงดันไฟฟ้า
ประสานปัจจุบันที่เกิดจากภาระที่ไม่ใช่เชิงเส้นเช่น VSDs (ไดรฟ์ความเร็วตัวแปร) โหลดแบบไม่เชิงเส้นดึงกระแสจากสายไฟที่ไม่ได้อยู่ในรูปคลื่นไซน์ที่สมบูรณ์แบบ รูปคลื่นกระแสที่ไม่เป็นอิสระอาจเป็นอนุกรมที่ซับซ้อนของรูปซายน์ธรรมดาซึ่งสามารถแกว่งเป็นจำนวนเต็มโดยมีความถี่พื้นฐานของสายไฟฟ้าได้หลายค่า
ในกรณีส่วนใหญ่ฮาร์มอนิกของแรงดันไฟฟ้าเกิดจากฮาร์มอนิกในปัจจุบัน ฮาร์มอนิกของแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่บิดเบี้ยวซึ่งเกิดจากผลของฮาร์มอนิกในปัจจุบันกับอิมพีแดนซ์ต้นทาง
ภาพด้านบนแสดงรูปคลื่นกระแสที่มีปัญหาในโหลดที่ไม่ใช่เชิงเส้น ที่นี่รูปคลื่นกระแสที่บิดเบี้ยวไม่ได้เป็นไปตามคลื่นไซน์ นี่แสดงฮาร์มอนิกปัจจุบันในระบบไฟฟ้า
เหตุใดจึงจำเป็นต้องกำจัด Harmonics ในระบบไฟฟ้า
กระแสและฮาร์มอนิกของแรงดันไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการถ่ายโอนพลังงานที่มีเสียงดังไปยังโหลด อุปกรณ์ในครัวเรือนและสำนักงานต่างๆมีหน้าที่รับผิดชอบต่อฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้า ฮาร์มอนิกของระบบไฟฟ้ามักจะเพิ่มกระแสโหลด เครื่องมือต่างๆเช่นหลอดฟลูออเรสเซนต์ในโรงงานหรือในบ้านหรือสำนักงานได้รับผลกระทบจากฮาร์มอนิกและได้รับผลกระทบจากความผิดปกติต่างๆ มอเตอร์ได้รับผลกระทบอย่างมากจากฮาร์มอนิกของระบบไฟฟ้า
บางครั้งฮาร์มอนิกในระบบไฟฟ้าอาจเป็นอันตรายมากและเพิ่มกำลังส่งไปยังเครื่องมือซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในโหลดและอาจทำให้อายุการใช้งานของเครื่องมือสั้นลง
ที่จะเอาชนะระบบอำนาจนี้ประสานหนึ่งต้องสร้างการเชื่อมต่ออำนาจที่จะขับรถโหลดไม่เชิงเส้นและเพื่อแนะนำตัวกรองฮาร์โมนิในระบบไฟฟ้า
ประเภทของฟิลเตอร์ฮาร์โมนิกส์
ตัวกรองฮาร์มอนิกมีประสิทธิภาพมากในการปกป้องอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีราคาแพงจากเอาต์พุตกำลังที่ผิดเพี้ยนเนื่องจากฮาร์มอนิก มีตัวกรองฮาร์มอนิกประเภทต่างๆที่มีอยู่ในตลาดไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าเฟสเดียวหรือสามเฟสและพารามิเตอร์อื่น ๆ
อย่างไรก็ตามมีตัวกรองฮาร์มอนิกส์หลักๆอยู่ 2 ประเภทได้แก่Passive Harmonic Filters และ Active Harmonic Filter
ความแตกต่างหลักระหว่างตัวกรองฮาร์มอนิกทั้งสองประเภทนี้คือส่วนประกอบที่ใช้สำหรับการออกแบบตัวกรอง ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่เรียบง่ายส่วนใหญ่เป็นตัวต้านทานตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ในขณะที่ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ใช้งานอยู่จะใช้ส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่เช่น BJT ประเภทต่างๆ, IGBTs, MOSFET และวงจรรวม
เนื่องจากตัวกรองฮาร์มอนิกส์เป็นอุปกรณ์ความปลอดภัยของสายไฟฟ้าจึงต้องยืนยันมาตรฐานความปลอดภัยระหว่างประเทศเช่น IEEE, EN, AS, BS และเครื่องหมาย UL ในห้องปฏิบัติการของผู้จัดจำหน่าย
นอกจากนี้ฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกสามารถออกแบบตามลำดับที่แตกต่างกัน เช่นเดียวกับตัวกรองฮาร์มอนิกลำดับที่สามสามารถกรองความถี่ซึ่งเป็นตัวคูณที่สามของความถี่พื้นฐานได้
ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟ
ฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟเป็นฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกที่ใช้กันทั่วไปและหาได้ง่าย เป็นฟิลเตอร์ราคาประหยัดเพื่อระงับการรบกวนของฮาร์มอนิกในสายไฟ
ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟมาตรฐานเช่นตัวเหนี่ยวนำตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ บรรดาส่วนประกอบแฝงถูกนำมาใช้ในรูปแบบวงจรถังวงจรรถถังได้รับการออกแบบด้วยวิธีพิเศษเพื่อให้สามารถทำงานที่ความถี่เรโซแนนซ์เดียวกันในส่วนของฮาร์มอนิกที่ไม่ต้องการ ฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟจะบล็อกฮาร์มอนิกที่ไม่ต้องการส่งผ่าน ตัวกรองฮาร์โมนิเรื่อย ๆ แปลงกระแสฮาร์มอนิเป็นความร้อนและปกป้องอุปกรณ์สิ้นหรือโหลด สามารถปรับฟิลเตอร์ให้เป็นความถี่ที่ต้องการกำจัดเป็นฮาร์มอนิกได้
ส่วนใหญ่ใช้ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟสี่ประเภท:
1. ตัวกรองความถี่สูง
2. ตัวกรอง Bandpass
3. ตัวกรองชนิด C และ
4. ชุดกรอง
ตัวกรองความถี่สูง
ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟสูงใช้เพื่อกำจัดฮาร์มอนิกลำดับที่สูงขึ้นและเพื่อให้สามารถควบคุมความถี่ที่หลากหลายได้อย่างยืดหยุ่น การออกแบบตัวกรองฮาร์มอนิกความถี่สูงพื้นฐานใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำสามตัว
ในภาพด้านบนเราจะเห็นโครงสร้างพื้นฐานของตัวกรองฮาร์มอนิกพาสซีฟไฮพาสซีฟ โครงสร้างแสดงตัวต้านทานและตัวเหนี่ยวนำอยู่ในการเชื่อมต่อแบบขนานกับตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ตัวกรองสร้างลักษณะความต้านทานแบบแบนในช่วงความถี่สูง ความถี่สูงจะลดการสูญเสียพลังงาน
ชนิดของฟิลเตอร์นี้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการกรอง 5 TH / 6 หรือคำสั่งที่สูงขึ้นในปัจจุบัน บ่อยครั้งที่ตัวกรองที่แตกต่างกันจะรวมเข้ากับฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกความถี่สูงเพื่อกำจัดการสูญเสียพลังงานเมื่อใช้ในลำดับต่ำหรือแอปพลิเคชันความถี่ต่ำ
เส้นโค้งอิมพีแดนซ์พร้อมความถี่สามารถแสดงได้ในภาพด้านล่าง
ตัวกรอง Bandpass
Bandpass ฮาร์มอนิกฟิลเตอร์เป็นฟิลเตอร์ที่ปรับแต่งสองเท่า bandpass กรองฮาร์โมนิประกอบด้วยสองตัวเก็บประจุสองตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานเดียว นอกจากนี้ยังใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการกรองฮาร์มอนิกระดับสูง ตัวกรองนี้ทำงานร่วมกับการรวมเรโซแนนซ์แบบขนานของตัวกรองแบนด์พาสมาตรฐานพร้อมกับการสั่นพ้องแบบอนุกรมของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุรวมกัน
ในภาพด้านบนแผนผังตัวกรองแบนด์พาสพื้นฐานจะแสดงขึ้น วงจรกรองมีสองส่วนในส่วนแรกเก็บประจุ C2 และ L2 เหนี่ยวนำมีการเชื่อมต่อในซีรีส์ในขณะที่ในส่วนที่สองตัวต้านทาน, ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุมีการเชื่อมต่อในแบบคู่ขนาน ส่วนแรกและส่วนที่สองยังเชื่อมต่อกันเป็นชุด
ลักษณะความต้านทานที่มีความถี่สามารถแสดงได้ในกราฟด้านล่าง
ตัวกรองชนิด C
ตัวกรองประเภท C ใช้สำหรับลำดับต่ำเช่นวัตถุประสงค์ในการกรองฮาร์มอนิกลำดับที่สองหรือสาม ตัวกรองประเภท C มีการสูญเสียต่ำกว่าแบนด์พาสที่เทียบเท่าหรือตัวกรองซีรีส์
ตัวกรองประเภท C ประกอบด้วยส่วนประกอบแฝง 4 ตัว - ตัวเก็บประจุสองตัวตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานตัวเดียว
ในภาพด้านบนจะแสดงโครงสร้างพื้นฐานของตัวกรองชนิด c ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบอนุกรมของตัวเหนี่ยวนำซึ่งเชื่อมต่ออีกครั้งแบบขนานกับตัวต้านทาน การเชื่อมต่อแบบขนานส่วนประกอบสามตัวเชื่อมต่อแบบอนุกรมอีกครั้งด้วยตัวเก็บประจุตัวที่สอง
ตัวต้านทานจะยับยั้งกระแสพื้นฐานที่สร้างขึ้นโดยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุแบบออสซิล
เส้นโค้งอิมพีแดนซ์แสดงในภาพด้านล่าง -
ตัวกรองซีรี่ส์
ตัวกรองชุดเรียกว่าเป็นคนเดียวปรับตัวกรองฮาร์โมนิต้านเรื่อย ๆ ตัวกรองนี้มีคุณสมบัติในการก่อสร้างที่เรียบง่ายที่สุด ส่วนประกอบแบบพาสซีฟเพียงสามชิ้น - ตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานตัวเดียวถูกใช้ในอนุกรม ตัวกรองนี้กำจัดความถี่เดียว
โครงสร้างของฟิลเตอร์นี้สามารถแสดงได้ในภาพด้านล่างโดยที่ส่วนประกอบพาสซีฟ 3 ตัวเชื่อมต่อเป็นอนุกรมเพื่อสร้างฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกซีรีส์ที่ปรับจูนเดี่ยว
ลักษณะความต้านทานแสดงในภาพด้านล่าง -
ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ใช้งานอยู่
ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟเป็นสิ่งที่ดีในการกำจัดฮาร์มอนิกที่เกี่ยวข้องกับสายไฟ อย่างไรก็ตามการออกแบบตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟมีความซับซ้อนมากและผู้ออกแบบต้องออกแบบตัวกรองฮาร์มอนิกแบบพาสซีฟให้สอดคล้องกับความต้องการพลังงานปฏิกิริยาของโหลด ในกรณีเช่นนี้การออกแบบตัวกรองแบบพาสซีฟเป็นเรื่องยากมากและนำไปสู่การทำงานของตัวประกอบกำลังที่ไม่ดีสำหรับสภาวะโหลดบางอย่าง
ในเรื่องนี้ฟิลเตอร์ที่ใช้งานจะดีกว่าที่จะจัดการประสานสายไฟโดยไม่ต้องพึ่งพาพลังงานปฏิกิริยาของความถี่พื้นฐาน
ตัวกรองฮาร์มอนิกที่ใช้งานอยู่ใช้วิธีการที่ยอดเยี่ยมโดยที่ตัวกรองใช้ส่วนประกอบฮาร์มอนิกที่ผลิตขึ้นเองและฉีดสิ่งนี้ไปยังสายไฟซึ่งจะยกเลิกฮาร์มอนิกที่ไม่ต้องการ
มีตัวกรองที่ใช้งานอยู่หลายประเภทซึ่งใช้โทโพโลยีที่แตกต่างกันเพื่อกำจัดฮาร์มอนิกในสายไฟ
การออกแบบตัวกรองฮาร์มอนิกที่ใช้งานได้บ่อยที่สุดใช้สิ่งพื้นฐานต่อไปนี้เช่น
1. อินเวอร์เตอร์แหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าโดยใช้สวิตช์ไฟต่างๆ
2. การสุ่มตัวอย่างและการอ้างอิงการควบคุมจากสายไฟ
3. ระบบ PWM ซึ่งฉีดพัลส์การยิง PWM เข้าไปในระบบเป็นฮาร์มอนิก
ตัวกรอง Active Harmonic ใช้สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ชนิดอื่นซึ่งต้องใช้พลังงานในการทำงาน
วิธีการเลือก Harmonic Filters
การกำหนดฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกที่สมบูรณ์แบบนั้นค่อนข้างยุ่งยาก เราต้องระบุความถี่ฮาร์มอนิกที่ต้องปรับแต่งฟิลเตอร์ ในบางกรณีการทำงานของตัวกรองจะล้มเหลวในการตอบสนองวัตถุประสงค์เพียงเพราะการปรับจูนผิดที่ความถี่พื้นฐานที่แน่นอนซึ่งไม่มีฮาร์มอนิกอยู่
ขั้นตอนแรกที่สำคัญคือการระบุเพื่อประสานและขึ้นอยู่กับการสั่งการประสานความต้องการของตัวกรองที่ได้รับเลือก ในการกำจัดฮาร์มอนิกฟิลเตอร์ชุดการบิดเบือนฮาร์มอนิกความถี่เดียวนั้นมีประสิทธิภาพ แต่ในบางกรณีจำเป็นต้องใช้ฟิลเตอร์ฮาร์มอนิกที่ปรับแต่งคู่
การสูญเสียในตัวกรองยังต้องได้รับการชดเชยซึ่งขึ้นอยู่กับตัวเลือกของตัวกรอง บางครั้งสำหรับโหลดแบบไม่เชิงเส้นในระดับสูงจำเป็นต้องใช้ตัวกรองฮาร์มอนิกทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟ