Spesifik olarak, harmonik filtreler, harmonik akımların güç kaynağına ve elektrik üretim ve dağıtım sistemlerinin diğer bileşenlerine ulaşmak yerine yükler ve filtreler arasında akmasını sağlamak için düşük empedanslara sahip olacak şekilde tasarlanır.
Kapasitör, reaktör (endüktör) ve direnç gibi pasif eleman kombinasyonları ile oluşturulur.
Yüksek güçlü reaktif güç kompanzasyonu ve harmonik filtreme için düşük maliyetli bir çözümdür.
Sınırlı harmonik filtreleme performansı sunar.
Yanlış tasarım güç sistemlerinde ciddi rezonans problemlerine sebep olur.
Düzgün çalışma için ayrıntılı sistem çalışması gerektirir.
Harmonik filtreler birçok "şekil ve boyutta" olabilir. Genel olarak, harmonik filtreler, güç sistemine paralel bağlandıkları ve bir veya daha fazla harmonik frekanstaki akımlar için toprağa düşük empedanslı yollar sağladıkları için "şönt" filtrelerdir. Güç uygulamaları için şönt filtreler, aşağıdaki nedenlerden dolayı seri filtrelerden hemen hemen her zaman daha ekonomiktir:
Seri bileşenler, güç frekansı bileşeni de dahil olmak üzere tam akım için derecelendirilmelidir. Böyle bir gereklilik, daha büyük bileşen boyutlarına ve dolayısıyla maliyetlere yol açar.
Şönt filtre bileşenleri genellikle sistem voltajının yalnızca bir kısmı için derecelendirilmelidir (genellikle toprağa göre). Bu tür gereksinimler, daha küçük bileşen boyutlarına ve dolayısıyla maliyetlere yol açar.
Şönt filtreler aşağıdaki gibi üç temel kategoride tasarlanır (veya satın alınabilir):
Tek ayarlı filtreler
Birden çok (genellikle çiftle sınırlıdır) ayarlı filtreler ve
Sönümlü filtreler (birinci, ikinci veya üçüncü dereceden veya daha yeni "c tipi").
Tek ve çift ayarlı filtreler genellikle belirli frekansları filtrelemek için kullanılırken, sönümlemeli filtreler geniş bir frekans aralığını filtrelemek için kullanılır. Küçük harmonik üreten yükleri içeren uygulamalarda, sorunlu harmonik akımları ortadan kaldırmak için genellikle tek ayarlı bir filtre (genellikle beşinci harmoniğe yakın ayarlı) kullanmak mümkündür. Ark fırınları ile ilişkili olanlar gibi büyük uygulamalarda, çoklu ayarlı filtreler ve sönümlü filtre sıklıkla kullanılır.
Tek ve çift ayarlı filtreler için eşdeğer devreler, Şekil-1de gösterilmektedir. Birinci, ikinci, üçüncü ve "c-tipi" sönümlü filtreler için eşdeğer devreler Şekil-2'de gösterilmektedir.
Yüksek geçiren filtreler, sönümlü filtreler olarak da isimlendirilirler.
Genellikle, 13. harmonik ve üzeri harmoniklerin filtrelenmesi amacıyla kullanılırlar.
Ayarlı filtreler genellikle, 3.,5.,7,11., ve 13. gibi frekanslara ayarlanırlar.
C-tipi filtreler genellikle ark fırını ve HVDC iletim sisteminden kaynaklanan düşük frekanslı harmoniklerin ve araharmoniklerin baskılanması amacıyla kullanılırlar.
Tek ayarlı bir filtre için frekansın bir fonksiyonu olarak empedansın bir grafiği Şekil-3'te gösterilmektedir. Filtre, 480 V, 300 kvar (üç fazlı) bir kapasitör bankasına dayalıdır ve 150 kalite faktörü Q ile 4.7. harmoniğe ayarlanmıştır.
Kalite faktörünün, ayarlamanın "keskinliğinin" bir ölçüsü olduğuna ve X/R olarak tanımlandığına dikkat edin; burada X, (sönümlenmemiş) rezonans frekansında filtre indüktörü için endüktif reaktanstır; ayarlanmış filtreler için tipik olarak 50<Q<150.
İkinci dereceden bir sönümlü filtre için frekansın bir fonksiyonu olarak bir empedans grafiği, Şekil-4'te gösterilmektedir. Bu filtre 480 V, 300 kvar kapasitör bankına dayalıdır ve 12. harmoniğe ayarlanmıştır. Kalite faktörü 1.5 olarak seçilmiştir. Sönümlü filtreler için kalite faktörünün, ayarlanmış filtreler tanımının tersi olduğuna dikkat edin; Q=R/X burada X, (sönümlenmemiş) rezonans frekansındaki endüktif reaktanstır. Sönümlü filtreler için tipik olarak 0,5<Q<1,5.
Çoğu durumda, tek ayarlı filtre kümelerinin, kaldırılacak harmoniğin frekansının biraz altına (tipik olarak yaklaşık %5) ayarlanması yaygındır. Bu uygulamanın nedenleri şunlardır:
Tam olarak bir harmonik frekansa ayarlanmış düşük dirençli bir seri rezonans filtresi için, filtre bankası, kaynak(lar)ından bağımsız olarak güç sistemindeki tüm harmoniklere (ayarlanan frekansta) bir alıcı görevi görecektir. Bu eylem, filtreyi hızlı bir şekilde aşırı yükleyebilir.
Tüm elektrikli bileşenlerin sıfır olmayan bir sıcaklık katsayısı vardır ve kapasitörler, ayarlanmış bir filtrede sıcaklığa en duyarlı bileşendir. Çoğu kapasitörün negatif bir sıcaklık katsayısı olduğundan (kapasitans azalır ve bu nedenle ayarlanan frekans sıcaklıkla artar), istenen frekanstan biraz daha düşük ayar arzu edilir.
Sönümlü filtreler tipik olarak bir grup olarak yüksek dereceli harmonikleri kontrol etmek için kullanılır. Genel olarak, sönümlü filtreler, ilgili harmonik çiftleri (11. ve 13., 17. ve 19., vb.) arasında ayarlanarak bu frekanslarda maksimum harmonik azalmayı sağlarken aynı zamanda (pek de etkili olmayan) bir filtre bankası olarak hizmet etmeye devam eder. ayarlanan frekanstan daha yüksek frekanslar. Sönümlü filtreler, tek veya çift ayarlı filtrelerden önemli ölçüde daha yüksek dirence sahip olduklarından, filtre kayıplarının düşük değerlerde tutulabilmesi için genellikle güç frekansına yakın harmonikleri filtrelemek için kullanılmazlar.
Harmonik filtreler, harmonik akımları şöntlemek veya bloke etmek için tasarlanmış seri veya paralel rezonans devrelerdir. Güç sisteminde kaynaktan akan harmonik akımları azaltarak sistemdeki harmonik gerilim bozulmasını azaltırlar. Bu tür cihazlar pahalıdır ve yalnızca harmonikleri sınırlamak için diğer yöntemler de değerlendirildiğinde kullanılmalıdır. Belirli bir durumda filtrelerin uygulanması her zaman kolay değildir. Filtrelerin kendileri, başlangıçta beklenmedik rezonanslar üretmek için sistemle veya diğer filtrelerle etkileşime girebilir. Bu nedenle, en basit durumlar dışında tüm durumlarda, filtre grubunun tipinin, dağılımının ve derecesinin belirlenmesine yardımcı olmak için harmonik çalışmalar kullanılmalıdır. Klasik şönt filtre devreleri ve ilgili özellikleri Şekil-5'te gösterilmektedir. Filtre bir SVC'nin kapasitif bölümünü oluşturduğunda, gerekli reaktif gücü üretebilmesi için temel frekansta kapasitif olması önemlidir.
Basit tek rezonanslı frekans filtre devresinin seçiciliği veya ayarlama yanıtı, Q veya kalite faktörü ile tanımlanır:
Q=ωLR
Yüksek bir Q faktörü, iyi bir seçicilik (dar frekans tepkisi) sağlar, ancak filtre ayarlı devre, sıcaklık veya bileşen eskimesindeki değişiklikler nedeniyle ayarlanmış frekansında kaymaya eğilimli olabilir. Sistem frekansındaki küçük değişiklikler, daha düşük bir Q faktörü ile daha az tepeli bir filtre tepkisinin ayarının bozulmasına neden olacağından, bu değişiklikleri karşılamak daha çok arzu edilir. Bir seri LCR devresinin ayarlanmış rezonans frekansı şu şekilde verilir:
f=12π(1LC)
ve rezonanstaki empedans basitçe artık reaktör direncidir, R. Harmonik frekanstaki değişiklikler için filtrelerin ayarlanması şu şekilde ifade edilebilir:
δ=ω−ωnωn=Δffn
Sıcaklık değişimi ve yaşlanma nedeniyle kapasitans ve endüktanstaki değişiklikler dahil edilirse, ayar faktörü şöyle olur:
δ=Δffn+12(ΔLLn+ΔCCn)
Aktif filtreler, indüktör ve kondansatör voltajlarını eşit tutmak için bir kontrol sistemi aracılığıyla reaktörü otomatik olarak değiştirerek filtrenin sürekli uyum içinde tutulacağı şekilde bu tür etkilerin üstesinden gelmek için kullanılabilir. Genellikle birden fazla harmoniğin, tedarik yetkilisi tarafından belirlenen harmonik limitlerini aşması durumu söz konusudur. Bu nedenle birden fazla filtre gereklidir. Bununla birlikte, şönt filtrelerin sayısı arttıkça, bu devrelerin, sistemde bu tür harmonik frekanslar mevcutsa, diğer frekansları içeren istenmeyen rezonanslar üretmek için güç sistemi empedansı ile etkileşime girme eğilimi vardır. Bir çözüm, belirli bir harmoniğin üzerindeki tüm frekansların toprağa şöntlendiği yüksek geçişli şönt veya C-tipi filtre sistemi kullanmaktır. Tipik bir filtre grubu Şekil-6'da gösterilmiştir.
Güç harmonik filtreleri temel olarak ya elektrik güç dağıtım sistemlerinden akan harmonik akımları engellemek ya da yerel olarak izole edip iptal etmek için kullanılır. Spesifik olarak, harmonik filtreler, harmonik akımların güç kaynağına ve elektrik üretim ve dağıtım sistemlerinin diğer bileşenlerine ulaşmak yerine yükler ve filtreler arasında akmasını sağlamak için düşük empedanslara sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Üç ana filtre sınıflandırması vardır:
Pasif,
Aktif ve
Hibrit filtreler
Pasif filtreler, kapasitörler, indüktörler ve dirençler gibi reaktif bileşenlerden oluşur. İstenmeyen harmonik frekanslara sahip belirli akımlar için düşük empedanslı bir yol sağlamak üzere ayarlanmıştır. Uygun şekilde seçilmezlerse pasif sistemlerde bazı potansiyel sorunlar ortaya çıkabilir ve bu da güç kaynağıyla paralel rezonans devrelerinin daha kötü güç kalitesi koşullarına yol açmasına neden olur.
Aktif filtreler, olumsuz harmonik akımları telafi etmek için aktif güç koşullandırma elektronik cihazlarına güvenir. Spesifik olarak, aktif filtreler, harmonikleri etkili bir şekilde ortadan kaldırmak için bozuk sinüzoidal akım dalgalarını düzeltir. Aktif filtreler, elektrik dağıtım sistemlerindeki dinamik değişikliklere cevap verme avantajına sahiptir. Bu nedenle, aktif filtreler, daha karmaşık ve kritik sistemler için düşünülebilir, çünkü şiddetli bozulmalara tepki verme konusunda daha iyi bir kapasiteye sahiptirler. Ancak kurulumları pasif filtrelerden daha pahalıdır
Hibrit filtreler, aktif ve pasif filtrelerin kombinasyonlarıdır. Her iki filtrenin avantajlarından yararlanmak için belirli uygulamalarda kullanılırlar.
Filtreleme
Dönüştürücü AC baralarına bağlı şönt harmonik filtreler, harmonik akımlarının çoğunun yönlendirildiği düşük bir empedans sağlar. Şönt filtreler ayrıca, dönüştürücüler tarafından ihtiyaç duyulan reaktif gücün bir kısmını veya tamamını sağlayan temel frekansta reaktif güç üretir.
Belirli bir frekansta düşük empedans elde etmenin en doğrudan yöntemi, Şekil-7(a)'da gösterildiği gibi ayarlanmış bir filtre kullanmaktır. Ayarlanmış bir filtrenin giriş değeri, Şekil-8'de gösterildiği gibi rezonans frekansı çevresinde keskin bir şekilde değişir. Ayarlamanın keskinliği ve filtrenin değişken derecelendirmesi, gerekli sistem frekansı, sıcaklık ve bileşen toleransları aralığında belirtilen performansı elde edecek şekilde seçilmelidir.
Keskin bir şekilde ayarlanmış her filtre, bir frekansta önemli ölçüde zayıflama sağlama yeteneğine sahiptir, ancak diğer frekanslarda neredeyse hiç sönümleme sağlamaz. Bu, a.c. geçici olaylar sırasında bara voltajı, karakteristik olmayan düşük sıralı frekanslarda çınlama sergileyebilir ve bu çınlama uzun süre devam edebilir. Şekil-9'da gösterilen bara gerilimi, ayarlanmış filtreler ve tek bir yüksek geçiş sönümlemeli filtre kombinasyonunun enerjilendirilmesi sırasında meydana gelen tipik geçici durumdur.
Şekil-10' da gösterildiği gibi iki ayrı ayarlı filtreyi tek bir filtrede birleştirmek mümkündür. Özellikler, sönümleme artırılarak değiştirilebilir ve böylece 'akort' keskinliği azaltılabilir. İki ayrı ayarlı filtrenin ana kapasitörlerini bir çift ayarlı filtre oluşturmak için birleştirmek genellikle önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlayabilir.
Referans: sciencedirect.com