- Què són els harmònics del sistema elèctric?
- Per què és necessari eliminar els harmònics del sistema d'alimentació?
- Tipus de filtres harmònics
- Filtres harmònics passius
- Filtres harmònics actius
- Com seleccionar els filtres harmònics
Què són els harmònics del sistema elèctric?
En els sistemes de potència, els harmònics es defineixen com a múltiples enters positius de la freqüència fonamental. L'harmònic és un voltatge o corrent que es produeix a un múltiple de la freqüència fonamental. Sovint es considera soroll a la línia elèctrica.
Els harmònics del sistema de potència es poden classificar en dos tipus: harmònics de corrent i harmònics de tensió.
Els harmònics actuals induïts per la càrrega no lineal com els VSD (variadors de velocitat). Les càrregues no lineals extreuen corrent de la línia elèctrica que no es troba en una forma d'ona sinusoïdal perfecta. La forma d'ona de corrent no sinusoidal pot ser una sèrie complexa de sinusoidals simples que poden oscil·lar a un nombre enter, múltiple de la freqüència fonamental de la línia elèctrica.
En la majoria dels casos, els harmònics de tensió són causats pels harmònics actuals. L'harmònic de tensió es produeix a causa del voltatge distorsionat produït per l'efecte dels harmònics de corrent amb la impedància de la font.
La imatge superior mostra la forma d'ona de corrent angoixada a través de la càrrega no lineal. Aquí la forma d'ona de corrent distorsionada no segueix l'ona sinusoïdal. Es mostren els harmònics actuals del sistema de potència.
Per què és necessari eliminar els harmònics del sistema d'alimentació?
El corrent i els harmònics de tensió són directament proporcionals a la sorollosa transferència de potència a la càrrega. Diversos equips domèstics i d'oficina són responsables dels harmònics del sistema d'alimentació. Els harmònics del sistema de potència sovint augmenten el corrent de càrrega. Diversos instruments, com ara les llums fluorescents a les fàbriques o a la casa o a l'oficina, es veuen afectats per harmònics i pateixen diversos mals funcionaments. Els motors estan enormement afectats pels harmònics del sistema de potència.
De vegades, els harmònics dels sistemes de potència poden ser molt perillosos i augmentar la potència subministrada als instruments, cosa que provoca un augment de la temperatura de la càrrega i pot escurçar la vida de l’instrument.
Per superar aquests harmònics del sistema d’alimentació, cal reconstruir la connexió d’alimentació per conduir càrregues no lineals i introduir filtres d’harmònics al sistema d’alimentació.
Tipus de filtres harmònics
Els filtres d’harmònics són molt eficaços per protegir els costosos equips elèctrics de les sortides d’alimentació distorsionades a causa dels harmònics. Hi ha diferents tipus de filtres d’harmònics disponibles al mercat elèctric i electrònic depenent de la potència nominal, la tensió aplicada, la monofàsica o trifàsica i altres paràmetres dependents de la càrrega.
No obstant això, hi ha dos principals tipus de filtres harmònics disponibles que són filtres passius d'harmònics i filtre d'harmònics actiu.
La principal diferència entre aquests dos tipus de filtres harmònics són els components utilitzats per al disseny del filtre. Els filtres harmònics passius utilitzen components passius simples principalment resistències, inductors i condensadors. Mentre que els filtres d’harmònics actius utilitzen components actius com diferents tipus de BJT, IGBT, MOSFET i circuits integrats.
Com que els filtres d’harmònics són els equips de seguretat de la línia elèctrica, han de confirmar les normes internacionals de seguretat com IEEE, EN, AS, BS i la marca UL dels laboratoris de l’assegurador.
A més, els filtres d'harmònics es poden dissenyar en diferents ordres. Igual que els filtres harmònics de tercer ordre poden filtrar la freqüència que és el tercer múltiple de la freqüència fonamental.
Filtres harmònics passius
Els filtres harmònics passius són els filtres harmònics més habituals i fàcilment disponibles. És un filtre assequible per suprimir la pertorbació harmònica a la línia elèctrica.
Com s’ha comentat abans, els filtres harmònics passius utilitzen components passius estàndard com ara resistències inductors i condensadors. Aquests components passius s’utilitzen per formar un circuit de tancs. El circuit del tanc està dissenyat de manera especial perquè es pugui operar a la mateixa freqüència de ressonància respecte als harmònics no desitjats. Els filtres harmònics passius bloquegen el pas dels harmònics no desitjats. El filtre d’harmònics passius converteix el corrent harmònic en calor i protegeix el dispositiu final o la càrrega. El filtre es pot ajustar a una freqüència determinada que cal eliminar com a harmònics.
S'utilitzen principalment quatre tipus de filtres harmònics passius:
1. Filtre de pas alt
2. Filtre passabanda
3. Filtre tipus C i
4. Filtre de sèrie.
Filtre de pas alt
Els filtres d’harmònics passius de pas alt s’utilitzen per eliminar harmònics d’ordre superior i per tenir un control flexible sobre l’ampli rang de freqüències. El disseny bàsic de filtres harmònics de pas alt utilitza tres components passius, resistència, condensador i inductor.
A la imatge anterior, podem veure la construcció bàsica d’un filtre passiu d’harmònics passius. La construcció mostra la resistència i l’inductor és en connexió paral·lela un condensador en sèrie. El filtre produeix característiques d’impedància plana en el rang d’alta freqüència. L'alta freqüència disminueix la pèrdua d'energia.
Aquest tipus de filtres s’utilitzen principalment per filtrar el corrent d’ordre 5è / 6è o superior. Sovint es combinen diferents filtres amb filtres harmònics de pas alt per eliminar la pèrdua de potència quan s’utilitzen en aplicacions d’ordre baix o de baixa freqüència.
La corba d’impedància amb la freqüència es pot mostrar a la imatge següent.
Filtre passabanda
El filtre d’harmònics passabanda és un filtre de doble afinació. El filtre harmònic de pas de banda consta de dos condensadors, dos inductors i una sola resistència. També s’utilitza amb finalitats de filtració harmònica d’ordre alt. Aquest filtre funciona amb la combinació de ressonància paral·lela del filtre de banda estàndard juntament amb la ressonància en sèrie de l'inductor i el condensador combinats.
A la imatge anterior, es mostra l’esquema bàsic del filtre de pas de banda. El circuit de filtre té dues parts, a la primera part es connecta un condensador C2 i un inductor L2 en sèrie mentre que a la segona part es connecten paral·lelament una resistència, un inductor i un condensador. La primera part i la segona part també estan connectades en sèrie.
Les característiques d’impedància amb la freqüència es poden mostrar al gràfic següent.
Filtre tipus C.
El filtre de tipus C s’utilitza per a ordres baixos, com ara propòsits de filtració harmònica de segon o tercer ordre. Els filtres tipus C tenen una pèrdua menor que el pas de banda equivalent o el filtre de sèrie.
Els filtres de tipus C consten de 4 components passius: dos condensadors, un inductor i una sola resistència.
A la imatge anterior es mostra la construcció bàsica del filtre de tipus c. Un condensador es connecta en sèrie d'un inductor que es torna a connectar en paral·lel amb la resistència. La connexió paral·lela de tres components es torna a connectar en sèrie amb un segon condensador.
La resistència suprimeix el corrent fonamental creat per l’inductor i el condensador oscil·lats.
La corba d’impedància es mostra a la imatge següent
Filtre de sèrie
El filtre de la sèrie s’anomena filtre passiu de supressor d’harmònics sintonitzat. Aquest filtre té les propietats constructives més senzilles. Només s’utilitzen en sèrie tres components passius: un condensador, un inductor i una resistència. Aquest filtre elimina la freqüència única.
La construcció d’aquest filtre es pot mostrar a la imatge següent, on es connecten 3 components passius en sèrie per formar el filtre harmònic de sèrie individual sintonitzat.
La característica d’impedància es mostra a la imatge següent:
Filtres harmònics actius
Com s’ha comentat anteriorment, els filtres d’harmònics passius són bons per eliminar els harmònics associats a la línia elèctrica. Tot i això, el disseny del filtre passiu d’harmònics és realment complex i el dissenyador ha de dissenyar els filtres d’harmònics passius d’acord amb els requisits de potència reactiva de la càrrega. En aquest cas, el disseny del filtre passiu és molt difícil i comporta un funcionament deficient del poder per a determinades condicions de càrrega.
En aquesta matèria, els filtres actius són millors per manejar els harmònics de la línia elèctrica sense les dependències de potència reactiva de la freqüència fonamental.
Els filtres d’harmònics actius utilitzen un mètode excel·lent on el filtre utilitza components harmònics de producció pròpia i l’injecta a la línia elèctrica que cancel·la els harmònics no desitjats.
Hi ha diferents tipus de filtres actius disponibles que utilitzen diferents topologies per eliminar els harmònics de la línia elèctrica.
El disseny de filtres harmònics actius més comuns utilitza els següents elements bàsics, com ara:
1. Inversor de font de voltatge que utilitza diversos interruptors d’alimentació
2. Referència de mostreig i control des de la línia elèctrica
3. Sistema PWM que injecta pols de disparació PWM al sistema com a harmònics.
El filtre Active Harmonic utilitza un tipus diferent d’interruptors de semiconductor que requereixen alimentació per funcionar.
Com seleccionar els filtres harmònics
Determinar el filtre harmònic perfecte és bastant complicat. Cal identificar la freqüència harmònica a la qual cal afinar els filtres. En alguns casos, l’operació del filtre no ha pogut complir l’objectiu només a causa d’una afinació incorrecta a una determinada freqüència fonamental on no hi ha harmònics.
El primer pas important és identificar l’ordre dels harmònics i, en funció de l’ordre harmònic, s’ha de triar el filtre. Per eliminar la distorsió harmònica de freqüència única, els filtres harmònics de la sèrie són eficients, però en pocs casos cal emprar filtres harmònics de doble sintonia.
Les pèrdues a través dels filtres també han de ser compensats, que depenen de l'elecció de filtre altament. De vegades, per a un nivell elevat de càrregues no lineals, es requereixen dos tipus de filtres harmònics actius i passius.