چگونه ظرفیت فیلتر هارمونیک فعال را محاسبه و انتخاب کنیم؟

تعیین ظرفیت فیلتر پاور اکتیو (AHF) بحرانی‌ترین مرحله در انتخاب آن است. ظرفیت ناکافی منجر به جبران‌سازی ضعیف یا حتی اضافه‌بار و آسیب به تجهیزات می‌شود، در حالی که ظرفیت بیش از حد باعث هدررفت سرمایه‌گذاری می‌گردد. در ادامه مراحل و روش‌های اصلی تعیین ظرفیت AHF ارائه شده است:

اصل اصلی: ظرفیت نامی AHF (که معمولاً بر حسب آمپر بیان می‌شود) باید بزرگ‌تر یا مساوی مقدار مؤثر مجموع برداری جریان‌های هارمونیکی و جریان‌های راکتیوی باشد که باید جبران کند، همراه با یک حاشیه اطمینان مناسب.

مراحل تعیین ظرفیت AHF

۱. شناسایی هدف جبران‌سازی:

بار غیرخطی منفرد: مانند اینورترهای فرکانسی، کوره‌های القایی، یوپی‌اس‌های بزرگ، تجهیزات یکسوساز و غیره. این حالت ایده‌آل است.

گروهی از بارهای غیرخطی: مانند چندین اینورتر فرکانسی در چندین خط تولید.

کل سیستم توزیع برق/باسبار: جبران‌سازی مجموع جریان هارمونیکی تولید شده توسط تمام بارهای روی این باسبار. این رایج‌ترین حالت است.

۲. به‌دست آوردن داده‌های جریان هارمونیکی:

۲.۱ روش اول: اندازه‌گیری واقعی (دقیق‌ترین روش، بسیار توصیه می‌شود)

۲.۱۱ استفاده از یک تحلیل‌گر کیفیت برق حرفه‌ای (مانند Fluke، Hioki، YOKOGAWA و غیره).

۲.۱۲ انجام اندازه‌گیری در نقطه هدف جبران‌سازی (مانند ترمینال ورودی بار غیرخطی، باسبار مورد نظر برای جبران‌سازی).

۲.۱۳ اندازه‌گیری پارامترهای کلیدی:

مقدار مؤثر جریان پایه: `I₁` (A)

نرخ اعوجاج هارمونیکی کل: `THDi` (%) – این نسبت مقدار مؤثر کل جریان هارمونیکی به مقدار مؤثر جریان پایه است.

محتوای جریان هارمونیکی: `I₅`، `I₇`، `I₁₁`، `I₁₃` و غیره (A یا %) – درک توزیع طیفی برای استراتژی‌های کنترلی AHF و طراحی ظرفیت مفید است، اما `THDi` عمدتاً برای محاسبه ظرفیت کل استفاده می‌شود.

شرایط اندازه‌گیری: اندازه‌گیری‌ها باید تحت شرایط حداکثر بار هارمونیکی معمولی انجام شود. اگر شرایط بار به طور قابل توجهی متغیر است، چندین شرایط معمولی باید اندازه‌گیری شود و بدترین حالت (حداکثر THDi) ثبت گردد.

مدت زمان: زمان اندازه‌گیری باید به اندازه کافی طولانی باشد تا چرخه عملیاتی بار را پوشش دهد.

۲.۲ روش دوم: تخمین نظری (دقت کمتر، مناسب برای انتخاب اولیه یا زمانی که اندازه‌گیری واقعی ممکن نیست)

۲.۲۱ مراجعه به دفترچه راهنمای تجهیزات: برخی تجهیزات (مانند اینورترهای فرکانسی) در دفترچه راهنما، THDi جریان ورودی معمولی یا طیف هارمونیکی را ارائه می‌دهند.

۲.۲۲ فرمول‌های تجربی/مقادیر معمولی:
یکسوساز ۶ پالسه (بدون راکتور): `THDi` ≈ ۳۰%-۵۰%
یکسوساز ۶ پالسه (با راکتور DC): `THDi` ≈ ۳۰%-۴۰%
یکسوساز ۶ پالسه (با راکتور AC): `THDi` ≈ ۳۰%-۳۵%
یکسوساز ۱۲ پالسه: `THDi` ≈ ۱۰%-۱۵%

۲.۲۳ یوپی‌اس: `THDi` ≈ ۲۵%-۴۰%

۲.۲۴ منبع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا: `THDi` ممکن است بسیار بالا باشد (>۸۰%)، اما مقدار مؤثر جریان واقعی ممکن است زیاد نباشد.

۲.۲۵ تخمین جریان پایه: `I₁≈ S / (√3 * U * PF)`. که در آن `S` توان ظاهری بار (kVA)، `U` ولتاژ خط (V) و `PF` ضریب توان بار است (می‌توان از ۰.۷-۰.۹ برای تخمین استفاده کرد). توجه داشته باشید که ضریب توان بارهای غیرخطی معمولاً کمتر است.

۳. محاسبه مقدار مؤثر جریان هارمونیکی که باید جبران شود:

مثال:
جریان ورودی اندازه‌گیری شده یک اینورتر فرکانسی I₁ = ۱۰۰A، THDi = ۴۰%. بنابراین Ih = ۱۰۰A * (۴۰ / ۱۰۰) = ۴۰A. این بدان معناست که AHF باید حداقل ۴۰A ظرفیت جبران جریان هارمونیکی ارائه دهد.

۴. در نظر گرفتن نیازهای جبران توان راکتیو:

اگر AHF نیاز به جبران همزمان هارمونیک‌ها و توان راکتیو (برای بهبود ضریب توان) دارد، این نیاز باید در محاسبه لحاظ شود.

تعیین مقدار مؤثر جریان راکتیو که باید جبران شود، `Iq` (A):

`Iq = I₁ * sin(φ)`، که در آن `φ` زاویه فازی است که جریان بار از ولتاژ عقب‌تر است (`cosφ` ضریب توان است).

۵. در نظر گرفتن حاشیه اطمینان:

۵.۱ حاشیه نوسان بار: بار ممکن است تغییر کند و سطوح هارمونیکی ممکن است به طور لحظه‌ای از مقدار اندازه‌گیری شده فراتر رود. توصیه می‌شود حاشیه ۱۵%-۳۰% اضافه شود.

۵.۲ حاشیه توسعه سیستم: افزایش احتمالی بار در آینده را در نظر بگیرید. توصیه می‌شود حاشیه ۱۰%-۲۰% اضافه شود (مطابق با برنامه تعیین می‌شود).

۵.۳ حاشیه ظرفیت داخلی AHF: AHFها معمولاً ظرفیت اضافه‌بار کوتاه‌مدت مشخصی دارند (به عنوان مثال، اضافه‌بار ۱۵۰% به مدت ۱ دقیقه)، اما ظرفیت نامی باید برای عملکرد پیوسته کافی باشد.

۵.۴ اعمال حاشیه: جریان `Ih` یا `Ic` محاسبه شده در مرحله ۳ یا ۴ را در ضریب حاشیه `K` (به عنوان مثال، ۱.۲ – ۱.۵) ضرب کنید.

`I_ahf = Ih * K` (فقط جبران هارمونیک)
`I_ahf = Ic * K` (جبران همزمان هارمونیک و توان راکتیو)

۶. تعیین نهایی جریان نامی AHF:

بر اساس نتیجه محاسبه شده `I_AHF`، مدل AHF با جریان نامی برابر یا کمی بیشتر از `I_ahf` انتخاب کنید.

نکته:

ظرفیت AHF معمولاً بر حسب آمپر بیان می‌شود (به عنوان مثال، ۵۰A، ۱۰۰A، ۳۰۰A).

گاهی اوقات، ظرفیت توان ظاهری آن بر حسب کیلوولت آمپر بیان می‌شود (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`). با این حال، جریان مستقیم‌ترین مبنای انتخاب است.

سطح ولتاژ باید با ولتاژ سیستم مطابقت داشته باشد (به عنوان مثال، ۳۸۰V، ۴۰۰V، ۴۸۰V، ۶۹۰V و غیره).

خلاصه ملاحظات کلیدی:

جریان هارمونیکی حیاتی است: اندازه‌گیری یا تخمین دقیق مقدار مؤثر کل جریان هارمونیکی (`Ih`) در نقطه هدف جبران‌سازی اساسی است.

نیازهای جبران توان راکتیو: اگر جبران توان راکتیو همزمان مورد نیاز است، جریان راکتیو (`Iq`) باید محاسبه شده و با جریان هارمونیکی (`Ic`) به صورت برداری ترکیب شود.

حاشیه کافی ضروری است: نوسانات بار، توسعه سیستم و ویژگی‌های خود AHF همگی نیاز به حاشیه کافی دارند. بهتر است در سمت حاشیه بزرگ‌تر اشتباه کرد تا کوچک‌تر، اما باید از هدررفت بیش از حد جلوگیری شود.

اندازه‌گیری واقعی ترجیح داده می‌شود: تخمین‌های نظری خطاهای قابل توجهی دارند؛ اندازه‌گیری واقعی کیفیت برق به شدت توصیه می‌شود، به ویژه تحت بارهای پیچیده یا شرایط عملیاتی متغیر.

ولتاژ سیستم: ولتاژ نامی AHF باید با ولتاژ سیستم در نقطه نصب مطابقت داشته باشد.

دمای محیط: ظرفیت AHF معمولاً در دمای محیط استاندارد (به عنوان مثال، ۴۰ درجه سانتی‌گراد) کالیبره می‌شود. اگر دمای محیط نصب بالاتر است، ممکن است نیاز به کاهش ظرفیت یا انتخاب مدل با ظرفیت بزرگ‌تر در نظر گرفته شود. توپولوژی AHF: AHF موازی رایج‌ترین نوع است و ظرفیت آن همانطور که در بالا توضیح داده شد تعیین می‌شود. انواع دیگر (مانند سری و هیبریدی) اصول تعیین ظرفیت مشابهی دارند، اما تأکید ممکن است متفاوت باشد.

مشاوره با تولیدکننده: داده‌های اندازه‌گیری، شرایط بار و نیازهای خود را به تأمین‌کننده AHF اطلاع دهید؛ آنها معمولاً مشاوره و محاسبات انتخاب حرفه‌ای ارائه می‌دهند.

خلاصه فرمول ساده (فقط جبران هارمونیک)

`جریان نامی AHF (I_ahf) ≥ [مقدار مؤثر جریان پایه (I₁) × اعوجاج هارمونیکی کل (THDi%) / ۱۰۰] × (۱ + ضریب حاشیه)`

مثال: برای یک باسبار توزیع ۳۸۰V، تحت حداکثر شرایط عملیاتی اندازه‌گیری شده:

`I₁ = ۸۰۰A` `THDi = ۲۵%`

فقط جبران هارمونیک مورد نیاز است؛ ضریب توان هدف قابل قبول است. با در نظر گرفتن حاشیه نوسان بار ۲۰% و حاشیه توسعه ۱۰%، ضریب حاشیه کل `K = ۱.۳`
محاسبه: `Ih = ۸۰۰A * (۲۵ / ۱۰۰) = ۲۰۰A`
`I_ahf = ۲۰۰A * ۱.۳ = ۲۶۰A`
انتخاب: یک AHF موازی ۳۸۰V با جریان جبران نامی کمتر از ۲۶۰A (به عنوان مثال، مدل ۳۰۰A) انتخاب کنید.

با پیروی از مراحل و روش‌های فوق و در نظر گرفتن دقیق حاشیه‌ها همراه با شرایط واقعی، می‌توان ظرفیت AHF را به صورت علمی و منطقی تعیین کرد و از عملکرد مؤثر، قابل اعتماد و اقتصادی آن اطمینان حاصل نمود.