- Che cosa sono le armoniche nel sistema elettrico?
- Perché è necessario eliminare le armoniche nel sistema di alimentazione?
- Tipo di filtri per armoniche
- Filtri armonici passivi
- Filtri armonici attivi
- Come selezionare i filtri per le armoniche
Che cosa sono le armoniche nel sistema elettrico?
Nei sistemi di alimentazione, le armoniche sono definite come multipli interi positivi della frequenza fondamentale. L'armonica è una tensione o una corrente che si verifica a un multiplo della frequenza fondamentale. È spesso considerato come rumore nella linea elettrica.
Le armoniche nel sistema di alimentazione possono essere classificate in due tipi: armoniche di corrente e armoniche di tensione.
Le armoniche di corrente indotte dal carico non lineare come i VSD (variatori di velocità). I carichi non lineari assorbono corrente dalla linea elettrica che non si trova in una forma d'onda sinusoidale perfetta. La forma d'onda della corrente non sinusoidale può essere una serie complessa di semplici sinusoidali che possono oscillare a un numero intero, multiplo della frequenza fondamentale della linea di alimentazione.
Nella maggior parte dei casi, le armoniche di tensione sono causate dalle armoniche di corrente. L'armonica di tensione si verifica a causa della tensione distorta prodotta dall'effetto delle armoniche di corrente con l'impedenza della sorgente.
L'immagine sopra mostra la forma d'onda della corrente distressed attraverso il carico non lineare. Qui la forma d'onda della corrente distorta non segue l'onda sinusoidale. Mostra le armoniche correnti nel sistema di alimentazione.
Perché è necessario eliminare le armoniche nel sistema di alimentazione?
La corrente e le armoniche di tensione sono direttamente proporzionali al rumoroso trasferimento di potenza al carico. Varie apparecchiature domestiche e da ufficio sono responsabili delle armoniche nel sistema di alimentazione. Le armoniche del sistema di alimentazione spesso aumentano la corrente di carico. Vari strumenti, come le luci fluorescenti nelle fabbriche o in casa o in ufficio, sono affetti da armoniche e soffrono di vari malfunzionamenti. I motori sono fortemente influenzati dalle armoniche del sistema di alimentazione.
A volte le armoniche nei sistemi di alimentazione possono essere molto pericolose e aumentare la potenza erogata agli strumenti che porta ad un aumento della temperatura nel carico e può abbreviare la vita dello strumento.
Per superare queste armoniche del sistema di alimentazione, è necessario ricostruire la connessione di alimentazione per pilotare carichi non lineari e introdurre filtri per le armoniche nel sistema di alimentazione.
Tipo di filtri per armoniche
Filtri per armoniche molto efficaci per proteggere costose apparecchiature elettriche da uscite di potenza distorte a causa delle armoniche. Esistono diversi tipi di filtri per le armoniche disponibili nel mercato elettrico ed elettronico a seconda della potenza nominale, della tensione applicata, monofase o trifase e altri parametri dipendenti dal carico.
Tuttavia, sono disponibili due tipi principali di filtri armonici che sono filtri armonici passivi e filtro armonico attivo.
La principale differenza tra questi due tipi di filtri per armoniche sono i componenti utilizzati per la progettazione del filtro. I filtri armonici passivi utilizzano componenti passivi semplici principalmente resistori, induttori e condensatori. Mentre i filtri armonici attivi utilizzano componenti attivi come diversi tipi di BJT, IGBT, MOSFET e circuiti integrati.
Poiché i filtri delle armoniche sono le apparecchiature di sicurezza della linea elettrica, devono confermare gli standard di sicurezza internazionali come IEEE, EN, AS, BS e il marchio UL dei laboratori del sottoscrittore.
Inoltre, i filtri delle armoniche possono essere progettati in diversi ordini. Come un filtro armonico del terzo ordine, può filtrare la frequenza che è il terzo multiplo della frequenza fondamentale.
Filtri armonici passivi
I filtri armonici passivi sono i filtri armonici più comuni e facilmente disponibili. È un filtro economico per sopprimere il disturbo armonico nella linea di alimentazione.
Come discusso in precedenza, i filtri armonici passivi utilizzano componenti passivi standard come resistori, induttori e condensatori. Questi componenti passivi vengono utilizzati per formare un circuito del serbatoio. Il circuito del serbatoio è progettato in modo speciale in modo da poter funzionare con la stessa frequenza di risonanza rispetto alle armoniche indesiderate. I filtri armonici passivi bloccano il passaggio delle armoniche indesiderate. Il filtro armonico passivo converte la corrente armonica in calore e protegge il dispositivo finale o il carico. Il filtro può essere sintonizzato su una certa frequenza che deve essere eliminata come armoniche.
Esistono principalmente quattro tipi di filtri armonici passivi utilizzati:
1. Filtro passa alto
2. Filtro passa-banda
3. Filtro di tipo C e
4. Filtro in serie.
Filtro passa alto
I filtri armonici passivi passa-alto vengono utilizzati per eliminare le armoniche di ordine superiore e per avere un controllo flessibile sull'ampia gamma di frequenze. Il design di base del filtro per armoniche passa-alto utilizza tre componenti passivi, resistore, condensatore e induttore.
Nell'immagine sopra, possiamo vedere la costruzione di base di un filtro armonico passa-alto passivo. La costruzione mostra il resistore e l'induttore è in collegamento in parallelo un condensatore in serie. Il filtro produce caratteristiche di impedenza piatta nella gamma delle alte frequenze. L'alta frequenza riduce la perdita di potenza.
Questo tipo di filtri viene utilizzato principalmente per filtrare la corrente di 5 ° / 6 ° ordine o superiore. Spesso filtri diversi sono combinati con filtri armonici passa-alto per eliminare la perdita di potenza quando utilizzati in applicazioni di ordine basso o bassa frequenza.
La curva di impedenza con la frequenza può essere mostrata nell'immagine sottostante.
Filtro passa banda
Il filtro armonico passa-banda è un doppio filtro sintonizzato. Il filtro delle armoniche passa banda è costituito da due condensatori, due induttori e un singolo resistore. Viene anche utilizzato per scopi di filtrazione armonica di ordine elevato. Questo filtro funziona con la risonanza parallela combinata del filtro passa banda standard con la risonanza in serie dell'induttore e del condensatore combinati.
Nell'immagine sopra, viene mostrato lo schema del filtro passa banda di base. Il circuito di filtraggio ha due parti, nella prima parte un condensatore C2 e l'induttore L2 è collegato in serie mentre nella seconda parte un resistore, un induttore e un condensatore sono collegati in parallelo. Anche la prima e la seconda parte sono collegate in serie.
Le caratteristiche di impedenza con la frequenza possono essere mostrate nel grafico sottostante.
Filtro di tipo C.
Il filtro di tipo C viene utilizzato per scopi di filtrazione armonica di secondo o terzo ordine di ordine basso. I filtri di tipo C hanno una perdita inferiore rispetto al passa banda equivalente o al filtro in serie.
I filtri di tipo C sono costituiti da 4 componenti passivi: due condensatori, un induttore e un singolo resistore.
Nell'immagine sopra, viene mostrata la costruzione di base del filtro di tipo C. Un condensatore è collegato in serie a un induttore che è nuovamente collegato in parallelo con il resistore. La connessione parallela a tre componenti è nuovamente collegata in serie con un secondo condensatore.
Il resistore sopprime la corrente fondamentale creata dall'induttore e dal condensatore oscillati.
La curva dell'impedenza è mostrata nell'immagine sottostante-
Filtro di serie
Il filtro in serie è chiamato filtro passivo soppressore armonico sintonizzato singolo. Questo filtro ha le proprietà di costruzione più semplici. Solo tre componenti passivi: un singolo condensatore, induttore e resistore vengono utilizzati in serie. Questo filtro elimina la singola frequenza.
La costruzione di questo filtro può essere mostrata nell'immagine sottostante dove 3 componenti passivi sono collegati in serie per formare il singolo filtro armonico in serie sintonizzato.
La caratteristica di impedenza è mostrata nell'immagine sottostante:
Filtri armonici attivi
Come discusso in precedenza, i filtri per le armoniche passive sono utili per eliminare le armoniche associate alla linea di alimentazione. Tuttavia, il design del filtro per armoniche passive è molto complesso e il progettista deve progettare i filtri per armoniche passive in base ai requisiti di potenza reattiva del carico. In tal caso, il design del filtro passivo è molto difficile e porta a un cattivo funzionamento del fattore di potenza per determinate condizioni di carico.
In questa materia, i filtri attivi sono migliori per gestire le armoniche della linea di alimentazione senza le dipendenze della potenza reattiva della frequenza fondamentale.
I filtri armonici attivi utilizzano un metodo eccellente in cui il filtro utilizza componenti armoniche autoprodotte e le inietta nella linea di alimentazione che cancella le armoniche indesiderate.
Sono disponibili diversi tipi di filtri attivi che utilizzano diverse topologie per eliminare le armoniche nella linea di alimentazione.
Il design dei filtri armonici attivi più comuni utilizza le seguenti cose di base come
1.Inverter sorgente di tensione utilizzando vari interruttori di alimentazione
2.Campionamento e riferimento di controllo dalla linea di alimentazione
3. Sistema PWM che inietta impulsi di accensione PWM nel sistema come armoniche.
Il filtro Active Harmonic utilizza un diverso tipo di interruttori a semiconduttore che richiede alimentazione per funzionare.
Come selezionare i filtri per le armoniche
Determinare il filtro armonico perfetto è piuttosto complicato. È necessario identificare la frequenza armonica alla quale i filtri devono essere sintonizzati. In alcuni casi, il funzionamento del filtro non è servito allo scopo solo a causa di una sintonizzazione errata a una certa frequenza fondamentale in cui non sono presenti armoniche.
Il primo passo importante è identificare l'ordine delle armoniche e in base all'ordine delle armoniche è necessario scegliere il filtro. Per eliminare la distorsione armonica a singola frequenza, i filtri per le armoniche in serie sono efficienti, ma in pochi casi è necessario utilizzare filtri per le armoniche a doppia sintonia.
Anche le perdite attraverso i filtri devono essere compensate, il che dipende fortemente dalla scelta del filtro. A volte per un alto livello di carichi non lineari, sono richiesti entrambi i tipi di filtri armonici attivi e passivi.