فیلتر هارمونیک چیست؟ راهنمای جامع انواع، عملکرد و کاربردها

فیلتر هارمونیک چیست؟

سیستم‌ های قدرت امروزی به دلیل استفاده روزافزون از بارهای غیرخطی مانند درایوهای سرعت متغیر (VSD)، اینورترها و منابع تغذیه سوئیچینگ، با چالش جدی هارمونیک مواجه هستند. هارمونیک‌ ها می‌ توانند کارایی سیستم را کاهش دهند، تجهیزات را دچار آسیب کنند و حتی منجر به افزایش قبض برق شوند. در این مقاله به صورت جامع بررسی می‌ کنیم که فیلتر هارمونیک چیست و چگونه این مشکل را برطرف می‌ کند. 

هارمونیک‌ ها در سیستم قدرت؛ تعریفی ساده 

هارمونیک یک سیگنال ولتاژ یا جریانی است که فرکانس آن مضرب صحیحی از فرکانس اصلی سیستم (فرکانس پایه، معمولاً ۵۰ یا ۶۰ هرتز) باشد. 

• هارمونیک جریان: معمولاً از بارهای غیرخطی مانند VSD ها القا می‌ شود. 

• هارمونیک ولتاژ: حاصل عبور هارمونیک‌ های جریان از امپدانس سیستم منبع است و باعث اعوجاج در شکل موج ولتاژ می‌ شود. 

فیلتر هارمونیک دستگاهی است که برای حذف یا کاهش این هارمونیک‌ ها و نگه داشتن آن‌ ها در محدوده‌ های قابل قبول فرکانسی در یک سیستم قدرت استفاده می‌ شود. این فیلترها از آسیب‌ های تجهیزات و هزینه‌ های عملیاتی بالا جلوگیری می‌ کنند و در صنایعی مانند HVAC، نفت، گاز، معدن و تصفیه فاضلاب ضروری هستند. 

 

اصول عملکرد فیلترهای هارمونیک 

اصل کار فیلتر هارمونیک بر اساس انحراف یا جذب جریان‌های هارمونیک است. 

این فیلترها، جریان‌ های هارمونیک ناخواسته را در یک مسیر با امپدانس بسیار کم (اغلب به سمت زمین) هدایت می‌ کنند و به این ترتیب از ورود آن‌ ها به بقیه شبکه جلوگیری می‌ نمایند. 

فیلترهای هارمونیک در فرکانس پایه (۵۰ هرتز) به‌ صورت خازنی عمل می‌ کنند. این ویژگی دو مزیت کلیدی دارد: 

1. اصلاح ضریب توان (PF) با تأمین توان راکتیو مورد نیاز. 
2. حذف هارمونیک‌ ها به صورت همزمان. 

انواع فیلترهای هارمونیک؛ اکتیو در برابر پسیو 

فیلترهای هارمونیک بر اساس اجزای مورد استفاده و روش عملکرد به دو دسته اصلی تقسیم می‌ شوند: 

الف) فیلترهای هارمونیک پسیو (خازنی) - Passive Harmonic Filters 

فیلترهای پسیو پرکاربردترین نوع هستند و از اجزای ساده‌ ای مانند مقاومت‌ ها (R)، خازن‌ ها (C) و سلف‌ ها (L) استفاده می‌ کنند. 

نکات کلیدی فیلترهای پسیو: 

• عملکرد: این فیلترها به گونه‌ ای طراحی می‌ شوند که در فرکانس خاص هارمونیکی (مثلاً پنجم یا هفتم) یک تشدید سری ایجاد کرده و امپدانس بسیار کمی برای آن فرکانس داشته باشند تا هارمونیک را جذب کنند. 

• مزیت: قیمت اولیه پایین‌ تر و ساختار ساده‌ تر. 

• معایب: 

• به شدت تحت تأثیر تغییرات امپدانس منبع قرار می‌ گیرند. 

• در صورت تغییر بار، کارایی آن‌ ها کاهش می‌ یابد. 

• ریسک ایجاد تشدید موازی با امپدانس شبکه وجود دارد که می‌ تواند وضعیت را بدتر کند. 

تمرکز ویژه؛ فیلتر هارمونیک خازنی و بانک‌ های خازنی 

در صنعت، بانک‌ های خازنی برای اصلاح ضریب توان (PF) ضروری هستند. با این حال، تزریق یک بانک خازنی ساده به سیستم دارای هارمونیک، می‌ تواند باعث ایجاد تشدید شود. برای جلوگیری از این مشکل و استفاده بهینه، بانک‌ های خازنی به عنوان جزئی از یک فیلتر هارمونیک پسیو طراحی می‌ شوند. به این تجهیزات اغلب بانک خازنی قدرت ولتاژ بالا با محافظت در برابر نوسانات نیز گفته می‌ شود. 

استفاده از فیلترهای پسیو مناسب (مانند فیلترهای تیون شده) در کنار بانک خازنی، همزمان ضریب توان را افزایش داده و هارمونیک‌ ها را کاهش می‌دهد و مستقیماً منجر به کاهش قبض برق می‌ شود. 

ب) فیلترهای هارمونیک اکتیو (Active Harmonic Filters) 

فیلترهای اکتیو از اجزای نیمه‌ هادی فعال مانند ICها، IGBTها و MOSFETها استفاده می‌ کنند و از نظر عملکرد بسیار پیشرفته‌ ترند. 

نکات کلیدی فیلترهای اکتیو: 

• عملکرد: این فیلترها به صورت موازی در شبکه نصب شده و مانند یک سیستم حذف نویز عمل می‌ کنند. آن‌ ها شکل موج هارمونیک را حس کرده و سپس یک جریان با فرکانس معادل و فاز کاملاً مخالف به خط برق تزریق می‌ کنند تا هارمونیک‌ های ناخواسته را خنثی (Cancel) کنند. 

• مزیت: انعطاف‌ پذیری بسیار بالا، عملکرد عالی در شرایط مختلف بار و توانایی حذف چندین مرتبه هارمونیک به صورت همزمان. 

• معایب: قیمت اولیه و نگهداری بالاتر، اندازه بزرگ و پیچیدگی سیستم کنترل. 

 

👇لیست محصولات خازن صنعتی بهنیکو