دائرة التصفية التوافقية: كيفية إزالة التوافقيات باستخدام المرشحات التوافقية النشطة والسلبية

ما هي التوافقيات في النظام الكهربائي؟

في أنظمة الطاقة ، يتم تعريف التوافقيات على أنها مضاعفات عدد صحيح موجب للتردد الأساسي. التوافقي هو جهد أو تيار يحدث عند مضاعف التردد الأساسي. غالبًا ما يُنظر إليه على أنه ضوضاء في خط الكهرباء.

يمكن تصنيف التوافقيات في نظام الطاقة إلى نوعين: التوافقيات الحالية وتوافقيات الجهد.

و التوافقيات الحالية الناجمة عن الحمل غير الخطية مثل VSDs (محركات متغيرة السرعة). تسحب الأحمال غير الخطية التيار من خط الطاقة الذي ليس في شكل موجة جيبية مثالية. يمكن أن يكون شكل موجة التيار غير الجيني عبارة عن سلسلة معقدة من الجيوب البسيطة التي يمكن أن تتأرجح عند عدد صحيح ، مضاعف التردد الأساسي لخط الطاقة.

في معظم الحالات، و التوافقيات الجهد سببها التوافقيات الحالية. يحدث التوافقي للجهد بسبب الجهد المشوه الناتج عن تأثير التوافقيات الحالية مع مقاومة المصدر.

توضح الصورة أعلاه شكل الموجة الحالية المتعثرة عبر الحمل غير الخطي. هنا الشكل الموجي للتيار المشوه لا يتبع الموجة الجيبية. يوضح هذا التوافقيات الحالية في نظام الطاقة.

لماذا من الضروري التخلص من التوافقيات في نظام الطاقة؟

تتوافق التوافقيات الحالية والجهدية بشكل مباشر مع نقل الطاقة الصاخبة إلى الحمل. الأجهزة المنزلية والمكتبية المختلفة مسؤولة عن التوافقيات في نظام الطاقة. غالبًا ما تزيد توافقات نظام الطاقة من تيار الحمل. تتأثر الأدوات المختلفة ، مثل مصابيح الفلورسنت في المصانع أو في المنزل أو المكتب ، بالتوافقيات وتعاني من أعطال مختلفة. تتأثر المحركات بشكل كبير بتوافقيات نظام الطاقة.

في بعض الأحيان ، يمكن أن تكون التوافقيات في أنظمة الطاقة خطيرة جدًا وتزيد من الطاقة التي يتم توصيلها إلى الأدوات مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة في الحمل ويمكن أن يقصر من عمر الجهاز.

إلى التغلب على هذه التوافقيات نظام الطاقة ، الحاجة إلى إعادة بناء العلاقة القدرة على دفع الأحمال غير الخطية و تقديم التوافقيات المرشحات في نظام الطاقة.

نوع مرشحات التوافقية

فلاتر التوافقيات فعالة جدًا في حماية المعدات الكهربائية المكلفة من مخرجات الطاقة المشوهة بسبب التوافقيات. هناك أنواع مختلفة من المرشحات التوافقية المتاحة في سوق الأجهزة الكهربائية والإلكترونية اعتمادًا على الطاقة المقدرة والجهد المطبق والطور الأحادي أو الثلاث مراحل والمعلمات الأخرى المعتمدة على الحمل.

ومع ذلك ، هناك نوعان رئيسيان من مرشحات التوافقيات المتاحة وهما المرشحات التوافقية السلبية والمرشح التوافقي النشط.

الفرق الرئيسي بين هذين النوعين من المرشحات التوافقية هو المكونات المستخدمة لتصميم المرشح. تستخدم المرشحات التوافقية السلبية مكونات سلبية بسيطة بشكل أساسي المقاومات والمحاثات والمكثفات. بينما تستخدم المرشحات التوافقية النشطة مكونات نشطة مثل أنواع مختلفة من BJTs و IGBTs و MOSFETs والدوائر المتكاملة.

نظرًا لأن المرشحات التوافقية هي معدات أمان الخط الكهربائي ، فيجب أن تؤكد معايير السلامة الدولية مثل IEEE و EN و AS و BS وعلامة UL لمختبرات التأمين.

أيضًا ، يمكن تصميم مرشحات التوافقيات بترتيبات مختلفة. مثل المرشحات التوافقية من الدرجة الثالثة يمكنها تصفية التردد الذي يمثل المضاعف الثالث للتردد الأساسي.

مرشحات توافقية سلبية

المرشحات التوافقية السلبية هي الأكثر شيوعًا والمرشح التوافقي المتاح بسهولة. إنه مرشح ميسور التكلفة لقمع الاضطراب التوافقي في خط الطاقة.

كما تمت مناقشته من قبل ، تستخدم المرشحات التوافقية السلبية مكونات سلبية قياسية مثل محاثات المقاومات والمكثفات. يتم استخدام هذه المكونات السلبية لتشكيل دائرة دبابة. تم تصميم دائرة الخزان بطريقة خاصة بحيث يمكن تشغيلها بنفس تردد الرنين فيما يتعلق بالتوافقيات غير المرغوب فيها. تمنع المرشحات التوافقية السلبية تمرير التوافقيات غير المرغوب فيها. يقوم المرشح التوافقي السلبي بتحويل التيار التوافقي إلى حرارة ويحمي الجهاز النهائي أو الحمل. يمكن ضبط المرشح على تردد معين يجب إزالته كتوافقيات.

هناك أربعة أنواع أساسية من المرشحات التوافقية السلبية المستخدمة:

1. مرشح تمرير عالية

2. مرشح ممر الموجة

3. نوع C مرشح و

4. مرشح سلسلة.

مرشح دقيق

تُستخدم المرشحات التوافقية السلبية العالية للتخلص من التوافقيات ذات الترتيب الأعلى وللحصول على تحكم مرن في نطاق واسع من الترددات. يستخدم تصميم المرشح التوافقي الأساسي عالي التمرير ثلاثة مكونات سلبية ، ومقاوم ، ومكثف ، ومحث.

في الصورة أعلاه ، يمكننا أن نرى البناء الأساسي لمرشح توافقي سلبي عالي التمرير. يُظهر البناء أن المقاوم والمحث في اتصال متوازي مكثف في سلسلة. ينتج المرشح خصائص مقاومة مسطحة في نطاق التردد العالي. التردد العالي يقلل من فقدان الطاقة.

يستخدم هذا النوع من المرشحات بشكل أساسي لتصفية تيار الترتيب ^الخامس / السادس أو الأعلى. غالبًا ما يتم دمج المرشحات المختلفة مع المرشحات التوافقية عالية التمرير للتخلص من فقد الطاقة عند استخدامها في التطبيقات ذات الترتيب المنخفض أو التطبيقات منخفضة التردد.

يمكن عرض منحنى المعاوقة مع التردد في الصورة أدناه.

مرشح ممر الموجة

مرشح Bandpass التوافقي هو مرشح مزدوج الضبط. و يتكون مرشح التوافقي ممر الموجة من اثنين من المكثفات، واثنين من لفائف، والمقاوم واحد. كما أنها تستخدم لأغراض الترشيح التوافقي عالية الترتيب. يعمل هذا المرشح مع الجمع بين الرنين المتوازي لمرشح ممر النطاق القياسي جنبًا إلى جنب مع سلسلة الرنين للمحث والمكثف مجتمعين.

في الصورة أعلاه ، يظهر مخطط مرشح ممر النطاق الأساسي. تتكون دائرة المرشح من جزأين ، في الجزء الأول يتم توصيل مكثف C2 ومحث L2 في سلسلة بينما في الجزء الثاني يتم توصيل المقاوم والمحث والمكثف بالتوازي. الجزء الأول والجزء الثاني متصلان أيضًا في سلسلة.

يمكن عرض خصائص المعاوقة مع التردد في الرسم البياني أدناه.

مرشح نوع C.

يستخدم مرشح النوع C للترتيب المنخفض مثل أغراض الترشيح التوافقي من الدرجة الثانية أو الثالثة. المرشحات من النوع C لها خسارة أقل من ممر النطاق المكافئ أو مرشح السلسلة.

تتكون المرشحات من النوع C من 4 مكونات سلبية - مكثفتان ، ومحث ، ومقاوم واحد.

في الصورة أعلاه ، يظهر البناء الأساسي لمرشح من النوع c. يتم توصيل مكثف في سلسلة من مغوِض يتم توصيله مرة أخرى بالتوازي مع المقاوم. يتم توصيل الاتصال المتوازي المكون من ثلاثة مكونات مرة أخرى في سلسلة بمكثف ثانٍ.

يقوم المقاوم بقمع التيار الأساسي الناتج عن المحث والمكثف المتذبذبين.

يظهر منحنى المعاوقة في الصورة أدناه-

مرشح السلسلة

يُطلق على المرشح المتسلسل مرشح سلبي للقمع التوافقي المضبوط. يحتوي هذا المرشح على أبسط خصائص البناء. ثلاثة مكونات سلبية فقط - مكثف واحد ، ومحث ، ومقاوم تستخدم في سلسلة. هذا الفلتر يلغي التردد الفردي.

يمكن إظهار بناء هذا الفلتر في الصورة أدناه حيث يتم توصيل 3 مكونات سلبية في سلسلة لتشكيل الفلتر التوافقي ذو السلسلة الفردية.

تظهر خاصية المعاوقة في الصورة أدناه -

مرشحات توافقية نشطة

كما تمت مناقشته سابقًا ، تعد مرشحات التوافقيات السلبية جيدة للتخلص من التوافقيات المرتبطة بخط الطاقة. ومع ذلك ، فإن تصميم المرشح التوافقي السلبي معقد حقًا ويجب على المصمم تصميم المرشحات التوافقية السلبية وفقًا لمتطلبات الطاقة التفاعلية للحمل. في مثل هذه الحالة ، يكون تصميم المرشح السلبي صعبًا للغاية ويؤدي إلى ضعف عامل الطاقة في ظروف تحميل معينة.

في هذه المسألة ، من الأفضل استخدام المرشحات النشطة للتعامل مع توافقيات خط الطاقة بدون اعتمادات الطاقة التفاعلية للتردد الأساسي.

تستخدم المرشحات التوافقية النشطة طريقة ممتازة حيث يستخدم المرشح مكونات توافقية ذاتية الإنتاج ويحقن ذلك في خط الطاقة الذي يلغي التوافقيات غير المرغوب فيها.

هناك أنواع مختلفة من المرشحات النشطة المتاحة والتي تستخدم طبولوجيا مختلفة للتخلص من التوافقيات في خط الطاقة.

يستخدم تصميم المرشحات التوافقية الأكثر شيوعًا الأشياء الأساسية التالية مثل

1. العاكس مصدر الجهد باستخدام مفاتيح الطاقة المختلفة

2 مرجع أخذ العينات والتحكم من خط الكهرباء

3. نظام PWM الذي يضخ نبضة إطلاق PWM في النظام كتوافقيات.

يستخدم الفلتر التوافقي النشط نوعًا مختلفًا من مفاتيح أشباه الموصلات التي تتطلب طاقة للعمل.

كيفية تحديد مرشحات توافقية

إن تحديد المرشح التوافقي المثالي أمر صعب للغاية. يحتاج المرء إلى تحديد التردد التوافقي الذي يجب ضبط المرشحات عنده. في حالات قليلة ، تفشل عملية المرشح في خدمة الغرض فقط بسبب الضبط الخاطئ عند تردد أساسي معين حيث لا توجد توافقات.

في خطوة أولى مهمة في تحديد ترتيب التوافقيات وتبعا لترتيب التوافقي الحاجة إلى مرشح يتم اختياره. للقضاء على التشويه التوافقي بتردد واحد ، تكون المرشحات التوافقية فعالة ولكن في حالات قليلة يجب استخدام مرشحات توافقية مزدوجة الضبط.

يجب أيضًا تعويض الخسائر عبر المرشحات التي تعتمد بشكل كبير على اختيار المرشح. في بعض الأحيان بالنسبة لمستوى عالٍ من الأحمال غير الخطية ، يلزم وجود كلا النوعين من المرشحات التوافقية النشطة والسلبية.