Filtracja Elektryczna: Definicja, Zasada Działania i Zastosowanie
- Szczegóły
W dzisiejszych czasach elektronika jest nieodłącznym elementem naszego życia, a filtracja sygnałów elektrycznych jest kluczowym aspektem w wielu dziedzinach elektroniki.
Definicja Filtracji Elektrycznej
Filtry elektryczne to elementy elektroniczne, które umożliwiają przepuszczanie sygnału elektrycznego w określonym zakresie częstotliwości, a blokowanie sygnału poza tym zakresem. Filtry elektryczne są niezwykle ważne w dziedzinie elektroniki, ponieważ umożliwiają wyodrębnienie sygnału o określonych właściwościach i usunięcie zakłóceń.
Rodzaje Filtrów Elektrycznych
Istnieją różne rodzaje filtrów elektrycznych, które znajdują zastosowanie w zależności od potrzeb:
- Filtr dolnoprzepustowy: Umożliwia przepuszczanie sygnałów o niskich częstotliwościach, a blokowanie sygnałów o wysokich częstotliwościach.
- Filtr górnoprzepustowy: Umożliwia przepuszczanie sygnałów o wysokich częstotliwościach, a blokowanie sygnałów o niskich częstotliwościach.
- Filtr pasmowy: Umożliwia przepuszczanie sygnałów tylko w określonym zakresie częstotliwości.
- Filtry przeciwzakłóceniowe: Umożliwiają eliminację zakłóceń z sygnałów elektrycznych, w szczególności zakłóceń elektromagnetycznych.
Filtr Dolnoprzepustowy
Filtr dolnoprzepustowy to rodzaj filtra, który przepuszcza sygnały o częstotliwościach poniżej pewnej wartości granicznej, a blokuje te powyżej niej. Sygnały o niskiej częstotliwości są łatwiej przepuszczane przez kondensator, podczas gdy sygnały o wyższej częstotliwości są blokowane.
Filtr Górnoprzepustowy
Filtr górnoprzepustowy to rodzaj filtra, który przepuszcza sygnały o częstotliwościach powyżej pewnej wartości granicznej, a blokuje te poniżej niej. Sygnały o wysokiej częstotliwości są łatwiej przepuszczane przez kondensator, podczas gdy sygnały o niższej częstotliwości są blokowane.
Przeczytaj także: Jak rozpoznać twardą wodę?
Filtr Pasmowy
Filtr pasmowy to rodzaj filtra, który przepuszcza sygnały w pewnym zakresie częstotliwości i blokuje sygnały poza tym zakresem. Sygnały, które mieszczą się w paśmie przepuszczanym przez filtr, są przepuszczane, a sygnały poza tym pasmem są blokowane.
Filtry Przeciwzakłóceniowe
Filtry przeciwzakłóceniowe służą do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą występować w obwodach elektrycznych. Zasada działania polega na wykorzystaniu tzw.
Zasada Działania Filtrów Elektrycznych
Filtry elektryczne pozwalają na tłumienie sygnałów zakłócających i poprawę jakości sygnałów w obwodach elektrycznych. Pierwszym krokiem w projektowaniu filtru elektrycznego jest wybór odpowiedniego rodzaju filtra. W zależności od wymagań obwodu, można wybrać filtr dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy lub przeciwzakłóceniowy.
Filtr górnoprzepustowy działa w sposób odwrotny - przepuszcza sygnały o wysokiej częstotliwości, a tłumi sygnały o niskiej częstotliwości. Filtr pasmowy przepuszcza sygnały o określonym paśmie częstotliwości, a tłumi sygnały spoza tego zakresu.
Kolejnym krokiem jest wybór wartości elementów filtru. W przypadku filtrów pasmowych, wartości elementów powinny być dobrane tak, aby częstotliwość graniczna filtra pokrywała się z pasmem częstotliwości, które chcemy przepuścić.
Przeczytaj także: Poradnik: Lokalizacja i wymiana filtra powietrza Dacia 1.4
Zastosowanie Filtrów Aktywnych w Redukcji Harmonicznych Prądu
Istnieje wiele urządzeń elektrycznych wyposażonych w obwody energoelektroniczne, których wykorzystanie pozwala na zaoszczędzenie dużej ilości energii. Najczęściej są to urządzenia o nieliniowych charakterystykach wejściowych. Pobierają one zniekształcony prąd, przez co wprowadzają do sieci elektrycznej zakłócenia w postaci składowych wyższych harmonicznych. Ze względu na intensywny wzrost poziomu produkcji i stosowania tego typu urządzeń w ostatnich latach problem występowania wyższych harmonicznych prądu stał się zdecydowanie poważniejszy.
Składowe wyższych harmonicznych prądu w sieciach elektrycznych są efektem ubocznym działania nieliniowych odbiorników takich jak żarówki energooszczędne, regulatory oświetlenia czy przetwornice częstotliwości. Odkształcony prąd, którego są źródłem powoduje zniekształcenia fali napięcia zasilającego. Występowanie składowych wyższych harmonicznych w sieci elektrycznej ma negatywny wpływ na prawidłową pracę urządzeń, które są z niej zasilane. Obecność zniekształceń powoduje wzrost strat mocy oraz wzrost zużycia energii pobieranej przez urządzenia, a co za tym idzie szybsze zużywanie się komponentów, z których zbudowany jest system.
Jedną z metod eliminacji zjawiska rozprzestrzeniania się zakłóceń w sieci zasilającej jest zastosowanie filtracji aktywnej.
Filtry Aktywne: Budowa i Zasada Działania
Filtry aktywne służą do redukcji składowych wyższych harmonicznych w sieci elektrycznej. Działają one na zasadzie generacji tych harmonicznych, które są pobierane przez odbiorniki nieliniowe. Wyróżnia się dwa rodzaje filtrów aktywnych: równoległe oraz szeregowe.
Filtry równoległe służą do eliminacji zakłóceń prądowych. Są one podłączane równolegle do linii zasilającej. Nieustannie generują te harmoniczne, które są pobierane przez nieliniowe odbiorniki zasilane z sieci, dzięki czemu kształt fali prądu pozostaje sinusoidalny.
Przeczytaj także: Woda destylowana: charakterystyka
Budowa równoległych filtrów aktywnych opiera się na dwóch głównych elementach - procesorze oraz generatorze. Za pomocą procesora analizowany jest prąd obciążenia. Na podstawie tej informacji generator wytwarza takie harmoniczne prądowe, jakie są pobierane od strony zasilania.
W przypadku filtrów szeregowych korygowane są nie tylko harmoniczne prądowe pobierane przez nieliniowe odbiorniki, ale także już obecne w sieci odkształcenia napięcia. Filtry te podłączane są do sieci szeregowo.
Podstawowym elementem szeregowego filtru aktywnego jest wyspecjalizowany układ energoelektroniczny. Filtr wytwarza napięcie o fazie przeciwnej do składowej harmonicznej, co powoduje jej kompensację.
Główne zalety stosowania filtrów aktywnych to znaczne zmniejszenie współczynnika THDi sieci zasilającej, poprawa współczynnika mocy i zmniejszenie strat na komponentach systemu. Urządzenia te cechują się dużą elastycznością. Możliwe jest ich takie zaprogramowanie, które pozwala na reakcję tylko na określone harmoniczne.
Nowoczesne Filtry Aktywne typu AAF
Filtr aktywny AAF firmy Danfoss służy do eliminacji składowych harmonicznych, pochodzących z odbiorników nieliniowych, dzięki czemu poprawia współczynnik mocy całego systemu zasilania. Może on być stosowany do kompensacji zarówno pojedynczych napędów jak i całych grup odbiorników nieliniowych.
Filtry tego typu mogą zostać bardzo łatwo zainstalowane w już istniejących instalacjach, które wymagają kompensacji wyższych harmonicznych. Ze względu na budowę modułową, urządzenia te są niezawodne i wydajne energetycznie, a w przypadku usterki naprawa ogranicza się do modułu bądź zespołu modułów zamiast całego urządzenia.
Większość filtrów aktywnych służących do tłumienia harmonicznych jest projektowana do prac w trybie kompensacji selektywnej lub kompensacji szerokopasmowej. Filtry aktywne AAF pozwalają na wybór trybu pracy w zależności od zastosowania.
W trybie kompensacji selektywnej wykorzystywana jest operacja szybkiej transformaty Fouriera - FFT. Zostaje ona użyta w celu obliczenia amplitudy oraz kąta fazowego odpowiednich składowych harmonicznych. Zaletą tej metody jest wysoka precyzja obliczeń, dzięki czemu możliwa jest kompensacja składowych harmonicznych do określonych wartości.
W trybie kompensacji szerokopasmowej usuwana zostaje częstotliwość podstawowa występująca w widmie sygnału prądowego, a dodawany jest sygnał, który ma przeciwną fazę do pozostałych częstotliwości. Takie rozwiązanie pozwala na kompensację składowych harmonicznych, interharmonicznych oraz harmonicznych o wielokrotności trzech, co znacznie poprawia skuteczność działania kiedy sieci mają charakter niesymetryczny i/albo zniekształcony.
Powszechnie stosowanym i preferowanym algorytmem regulacji filtrów aktywnych jest modulacja szerokości impulsów - PWM. W filtrze aktywnym AAF firmy Danfoss modulacja szerokości impulsów została pominięta, przez co impulsy służące do sterowania przełącznikami IGBT są dostarczane bezpośrednio z regulatora prądu. Takie rozwiązanie pozwala na osiągnięcie czasu reakcji poniżej 30 µs.
W przeciwieństwie do wielu filtrów aktywnych, które mają stałą częstotliwość kluczowania, filtr aktywny AAF wykorzystuje progresywny model kluczowania. Takie rozwiązanie pozwala na wykorzystanie zmiennej częstotliwości kluczowania w zależności od charakterystyki tłumionych harmonicznych. Progresywny model kluczowania znacznie ogranicza obciążenia modułów IGBT, co powoduje mniejsze straty w układach elektroniki oraz wydłużenie żywotności urządzenia.
Poniżej przedstawiono podstawowe dane techniczne dotyczące filtru aktywnego równoległego firmy Danfoss:
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Zakres kompensacji harmonicznych | do 40. w trybie kompensacji szerokopasmowej, w trybie kompensacji selektywnej 5., 7., 11., 13., 17., 19., 23., 25. oraz harmoniczne wielokrotności trzech |
| Alokacja poszczególnych harmonicznych prądu w trybie kompensacji selektywnej | I5: 63%, I7: 45%, I11: 29%, I13: 25%, I17: 18%, I19: 16%, I23: 14%, I25: 13% |
| Kompensacja prądu biernego | Tak, do wartości docelowej |
| Redukcja migotania | Tak, w trybie kompensacji szerokopasmowej |
| Priorytet kompensacji | Możliwość wyboru trybu z priorytetem kompensacji harmonicznych lub mocy biernej |
| Praca równoległa | Do 4 jednostek tej samej mocy w trybie master-follower |
| Przekładniki prądowe | 1A i 5A po stronie wtórnej z opcją autostrojenia, Klasa 1 lub wyższa |
| Wejścia/Wyjścia cyfrowe | 4 (2 programowalne), Logika PNP albo NPN |
| Interfejs komunikacyjny | RS485, USB1.1 |
| Rodzaj regulacji | Bezpośrednia regulacja harmonicznych (w celu szybszej reakcji) |
| Czas odpowiedzi | < 0,5 ms |
| Czas ustalania przy kompensacji harmonicznych | < 15 ms |
| Czas ustalania przy kompensacji mocy biernej | < 20 ms |
| Maksymalne przetężenie | 5% |
| Częstotliwość kluczowania | Progresywna regulacja w zakresie 1 - 18 kHz |
| Średnia częstotliwość przełączania | 3 - 4.5 kHz |
tags: #filtracja #elektryczna #definicja #zasada #działania #zastosowanie
