O princípio de funcionamento do filtro harmónico ativo utiliza um malha de controlo fechada: mede a corrente de carga distorcida, calcula as componentes indesejadas selecionadas, comanda um conversor de potência e injeta corrente de compensação em paralelo num barramento definido. Nessa fronteira, a corrente de carga e a corrente do filtro determinam a corrente da fonte, ligando a deteção, a geração de referência, o seguimento de corrente e a injeção em derivação numa cadeia de funcionamento.
O que um Filtro Ativo de Harmónicas em Derivação Altera no Sistema Elétrico
Um filtro ativo de harmónicas Shunt fornece corrente de compensação em paralelo com a carga, reduzindo a quantidade da corrente indesejada selecionada que deve circular pelo lado da fonte do barramento escolhido.
Uma carga não linear não consome corrente em proporção direta a uma tensão de alimentação sinusoidal. A entrada de um retificador num variador de velocidade (VFD), por exemplo, pode consumir corrente em impulsos, pelo que a forma de onda da corrente de carga contém uma componente fundamental mais componentes harmónicas.
A corrente harmónica é a parcela associada aos componentes da forma de onda superiores à fundamental. O filtro ativo Shunt fornece uma contraparte controlada de componentes selecionados em vez de pedir à fonte a montante que os forneça todos.
O filtro ativo de potência shunt (AHF) é uma fonte de corrente controlada ligada junto à carga. Não transporta toda a corrente da carga em série; adiciona outro caminho de corrente na barra compensada.
Um filtro ativo de potência, ou APF, utiliza eletrónica de potência controlada em vez de uma rede passiva fixa; este artigo concentra-se na forma de corrente em derivação.
Escolha a convenção de sinais antes de ler a corrente atual. Defina a corrente da fonte e a corrente do filtro como a entrar na barra compensada, com a corrente de carga a sair em direção à carga.
i_source + i_filter = i_load
Equivalentemente, i_source = i_load - i_filter. Para um componente de carga visado, esta convenção de referência de ramo atribui ao componente do filtro o mesmo sinal algébrico que o componente de carga; a subtração representa o filtro a fornecer esse componente localmente.
Considere vários retificadores VFD ligados a um barramento de uma instalação. Os acionamentos continuam a consumir a corrente exigida pelos respetivos processos, enquanto o AHF fornece componentes harmónicas e de corrente reativa selecionadas localmente; os condutores a montante transportam então a soma remanescente nesse barramento.
| Quantidade ou trabalho funcional | O que representa | Porque deve manter-se distinto |
|---|---|---|
| Corrente de carga medida | O sinal atual observado pelo sensor numa fronteira definida | É uma entrada para o controlador, não a correção em si |
| Referência de corrente de compensação | O alvo variável no tempo do controlador | Indica o que o conversor deve produzir a seguir |
| Regulação do barramento DC | O trabalho de manter o estado de energia CC utilizável do conversor | Suporta a síntese de corrente, mas não é a corrente CA injetada |
| Corrente real do filtro | A corrente produzida pelo conversor de comutação | Deve seguir a referência com rigor suficiente para afetar o autocarro |
| Corrente de origem resultante | A soma verificada no lado da oferta do limite escolhido | É aqui que o objetivo de remuneração é avaliado |
A medição, o comando, a corrente do conversor e a corrente da fonte permanecem quantidades separadas ao longo do princípio de funcionamento do AHF.
Lido como um diagrama de um filtro ativo de harmónicas, a sequência decorre do sinal de corrente de carga medido até à referência do controlador, corrente real do filtro e corrente resultante na fonte.
Passo 1: O TC Captura o Sinal da Corrente de Carga
O transformador de corrente fornece ao controlador uma representação da corrente num limite elétrico definido; o próprio TC não elimina harmónicas nem injeta corrente corretiva.
A colocação do transformador de corrente determina o que o controlador consegue ver. Um TC de alimentador e um TC de barramento principal representam limites de compensação diferentes, mesmo quando o hardware do sensor é idêntico.
A polaridade e a correspondência de fase preservam a direção pretendida do sinal. A guia de colocação e cablagem de transformadores de corrente (TC) para filtros harmónicos ativos liga essas decisões com provas de cálculo, encaminhamento e comissionamento no diagrama unifilar.
Para um recém-chegado que lê um diagrama de blocos de um fabricante, a distinção clara é simples: a seta do TC para o controlador é informação. O trajeto de corrente forte do conversor para o barramento é a ação de compensação.
Passo 2: O Controlador Constrói uma Referência de Corrente de Compensação
O controlador processa as grandezas elétricas medidas e constrói uma referência de corrente de compensação: a forma de onda alvo que o andar de potência deve fornecer de seguida.
Em termos de hardware, um processador de sinal digital ou outro controlador em tempo real transforma a entrada do sensor numa corrente de referência. Essa referência é um comando, e ainda não a corrente física que circula no ramo do filtro.
Esse trabalho é mais preciso do que “detetar harmónicas”. O controlador tem de distinguir as componentes de corrente associadas ao seu objetivo configurado, formar uma referência com o sinal exigido e continuar a atualizar o comando à medida que a carga muda.
Diferentes conceções podem utilizar métodos de referencial síncrono, métodos p-q instantâneos, análise espectral ou outra arquitetura de controlo. Esses nomes de algoritmos descrevem formas de calcular o alvo; não alteram a sequência funcional comum de medição, geração de referência e acompanhamento de corrente.
Um engenheiro a comparar um diagrama de blocos rotulado dq0 com outro rotulado p-q deve, portanto, colocar duas perguntas distintas: que objetivo atual está a ser calculado e como é que o conversor rastreia essa referência sob as condições de carga e de alimentação previstas?
A estimação do sinal de compensação, a regulação da barra CC e o controlo da corrente do conversor são tarefas relacionadas, mas distintas. Juntas, formam o princípio de funcionamento do filtro ativo, mesmo quando o algoritmo interno e a implementação de hardware diferem.
Passo 3: O Barramento CC e o Conversor IGBT Produzem a Corrente do Filtro
O controlo do barramento CC suporta um conversor de comutação que transforma a referência digital em corrente de filtro CA real no barramento compensado.
O barramento CC é o reservatório de energia interno regulado do conversor. Este fornece ao andar de potência a margem elétrica necessária para moldar a corrente, enquanto uma função de controlo separada mantém a tensão do elo CC próxima do seu objetivo de funcionamento.
O inversor IGBT não é meramente um interruptor eletrónico de ligar/desligar para o armazém. Os seus braços semicondutores comutam sob controlo de corrente, de modo a que a saída do conversor siga a ordem de corrente de compensação em mutação.
É também por esta razão que dizer que um FPA “armazena harmónicas” transmite uma ideia errada. O controlador estima uma corrente desejada e o conversor troca continuamente energia elétrica com o sistema de CA enquanto sintetiza essa corrente; não existe nenhum armazém de formas de onda harmónicas capturadas à espera de ser esvaziado.
O seguimento atual fecha o ciclo entre comando e ação. O controlador observa a resposta elétrica, ajusta a comutação do conversor e atualiza o comando à medida que a carga não linear se altera, para que a corrente real do filtro siga a referência em vez de permanecer com uma forma de onda fixa.
Passo 4: Filtrar a Corrente de Carga e a Corrente de Carga Adicionada no Barramento Selecionado
Com todas as setas dos ramos direcionadas conforme definido acima, o cancelamento ocorre através da somação de correntes no barramento selecionado: o filtro reproduz as componentes da corrente de carga selecionadas com o mesmo sinal algébrico, pelo que a subtração da corrente do filtro reduz a sua contribuição para a corrente da fonte.
Suponha que a corrente de carga contém uma componente fundamental mais várias componentes harmónicas. A fonte continua a fornecer a potência fundamental exigida pelo processo, mas o ramo do filtro pode transportar uma contrapartida controlada de componentes indesejadas selecionadas.
A familiar expressão “igual e oposta” pressupõe que as correntes da carga e do filtro são representadas graficamente utilizando uma direção de referência global comum. De acordo com a convenção de referência de ramo aqui utilizada, os dois valores dos componentes têm o mesmo sinal algébrico porque as setas dos ramos da carga e do filtro apontam em direções opostas em relação à barra.
O ponto de acoplamento comum, ou PCC, é a fronteira elétrica acordada onde a equipa avalia a relação entre as correntes da fonte, da carga e do filtro. Em linguagem simples, é a barra onde a questão passa a ser: que corrente é que a alimentação vê agora?
A corrente atual também responde a uma questão comum da comunidade sobre para onde vão as harmónicas. O filtro não desloca um pacote armazenado de distorção para outro lugar; produz uma corrente controlada cujos componentes selecionados reduzem os componentes correspondentes na soma do lado da fonte.
Quando a carga muda, a forma de onda medida altera-se, a referência é recalculada e a saída do conversor acompanha. A atualização dinâmica é a diferença definidora entre uma fonte de corrente ativa controlada e uma rede sintonizada fixa.
Porque é que o cancelamento ativo é diferente da filtragem passiva
Os filtros harmónicos ativos e passivos atuam através de diferentes mecanismos físicos: um FHA mede e gera corrente variável, enquanto um filtro passivo utiliza indutores, condensadores e resistência para criar caminhos de impedância dependentes da frequência.
Essa distinção resolve a conhecida questão, “Os filtros harmónicos também são baterias de condensadores?”Um banco de condensadores pode fornecer potência reativa, e um filtro passivo sintonizado pode incluir condensadores, mas nenhum deles se torna automaticamente o conversor controlado descrito acima.
| Ponto de comparação | filtro ativo de harmónicas shunt | filtro harmónico passivo sintonizado |
|---|---|---|
| Ligação e ação | Liga-se em paralelo e injeta a corrente comandada | Fornece um caminho de impedância dependente da frequência através de componentes passivos |
| Resposta a uma carga variável | Recalcula e monitora uma referência de corrente em alteração | A sua afinação é definida pelos valores dos componentes e pela interação do sistema |
| Quantidade controlada principal | A corrente do conversor segue uma referência calculada | A impedância da rede molda o caminho das frequências selecionadas |
| Dependência de design principal | Limite de medição, objetivo do controlador, capacidade de corrente, dinâmica do conversor e integração | Frequência de sintonização, valores nominal dos componentes, impedância da rede, ressonância e condições de comutação |
O equipamento ativo e passivo também pode ser coordenado numa instalação, pois cada um atua através de um mecanismo elétrico diferente.
Para uma decisão de seleção completa — incluindo ajuste, ressonância, comportamento sob carga variável e compromissos de instalação — utilize filtro harmónico ativo versus filtro harmónico passivo.
O que “Igual e Oposto” Não Garante
“Igual e oposto” descreve a relação dos componentes físicos quando ambas as correntes partilham uma direção de referência global; não é a regra algébrica para as setas dos ramos utilizadas acima. A distorção residual ainda depende da deteção, da corrente de compensação disponível, da resposta do controlador, das condições da rede e do estado da carga.
Uma leitura de contador varia consoante o ponto de medição e o estado de funcionamento. Consequentemente, um resultado obtido num painel não pode resolver um PCC diferente ou uma condição de carga diferente.
Importante: Uma leitura inferior da corrente harmónica num painel não é prova de que a colocação do TC, a capacidade do filtro ou um objetivo de aceitação no PCC estejam resolvidos — vincule o resultado ao limite de medição definido, ao estado de funcionamento representativo, à corrente de compensação disponível e ao método de aceitação acordado.
A distorção harmónica total, ou THD, é um resumo útil do conteúdo harmónico da forma de onda. Não é uma resposta isolada sobre onde o TC deve ser colocado, qual a corrente nominal necessária ou se um limite contratual foi cumprido.
Utilize Guia de colocação e cablagem de TC para definir o limite de medição/controlo antes de considerar uma leitura como representativa. Uma vez fixado esse limite, o Guia de cálculo de dimensionamento APF converte a procura medida em inputs de capacidade, e o Guia de seleção de AHF aplica essas entradas ao equipamento e aos critérios de aceitação.
Um modelo de malha de controlo correto não fornece os dados de local necessários para a seleção de equipamento. Registos representativos, um diagrama unifilar, limitações de instalação e um ponto de aceitação definido completam essa decisão seguinte.
Como a Família de Produtos CNBYG AHF/APF Implementa a Cadeia
A família de produtos CNBYG AHF/APF segue a mesma cadeia funcional descrita acima: deteção por TC externo, extração digital das componentes de corrente pretendidas e geração e injeção de corrente de compensação baseada em IGBT.
O Família de produtos CNBYG AHF/APF apresenta formas de montagem na parede e em rack. Nesses formatos, a entrada de TC externa alimenta o processamento digital, que comanda a corrente do inversor injetada no barramento.
Antes de comparar uma série ou classificação CNBYG, defina o limite elétrico, o perfil representativo de corrente harmónica, a tensão e configuração do sistema, os estados de carga, o equipamento de compensação existente, as condições de instalação e o objetivo de aceitação.
O Sistema de Qualidade de Energia o hub organiza o contexto de medição e de sistema utilizado antes de escolher o equipamento. Os guias de TC, dimensionamento e seleção fornecem o nível seguinte de detalhe assim que esse registo estiver concluído.
Perguntas Frequentes
Como funciona um filtro harmónico ativo passo a passo?
Mede a corrente numa fronteira definida, processa o sinal para obter uma referência de corrente de compensação, utiliza um conversor controlado para produzir a corrente de filtro, injeta essa corrente em paralelo e atualiza o comando à medida que a carga se altera. Com as correntes da fonte e do filtro definidas em direção à barra, a fonte fornece a corrente da carga menos a contribuição do filtro.
Qual é a diferença entre um filtro harmónico passivo e um ativo?
Um filtro passivo utiliza indutores sintonizados, condensadores e resistência para moldar a impedância da rede em frequências selecionadas. Um filtro ativo mede o estado elétrico e comanda um conversor de potência para gerar uma corrente de compensação variável.
Por que razão a corrente de compensação é chamada de igual e oposta?
A frase utiliza uma direção de referência global comum, sob a qual o componente do filtro físico é oposto ao componente de carga visado. Com as setas de ramificação utilizadas neste artigo, o componente do filtro é uma cópia com o mesmo sinal do componente de carga visado, e i_source = i_load - i_filter subtrai-o à corrente de origem.
Um FHA elimina todos os harmónicos?
Nenhum resultado universal resulta apenas do princípio. A corrente residual depende do limite de medição, dos componentes visados, da capacidade de corrente disponível, da resposta do controlador e do conversor, do estado da carga e da integração do sistema.
Onde é ligado um filtro ativo de harmónicos?
O shunt comum AHF liga-se em paralelo com a carga ou barramento para poder injetar corrente. O ponto de ligação exato e a localização do TC devem corresponder ao limite de compensação pretendido e ao projeto aprovado.
Quais são os quatro tipos de filtros ativos?
Uma taxonomia comum de alto nível é o condicionador de qualidade de energia em derivação, em série, híbrido e unificado. Os filtros em derivação injetam primariamente corrente em paralelo; os filtros em série injetam tensão, os arranjos híbridos combinam funções ativas e passivas, e um UPQC coordena as funções em série e em derivação.
Pode um FHA também corrigir o fator de potência?
Alguns produtos de filtros ativos podem incluir compensação de corrente reativa ou correção do fator de potência como uma função configurada. A disponibilidade dessa função e a forma como a capacidade é partilhada devem ser confirmadas para o produto e a aplicação selecionados.
Como é dimensionado um AHF e qual é o seu custo?
O dimensionamento começa com a procura representativa de correntes harmónicas medidas no limite pretendido, considerando depois a tensão, o estado da carga, a topologia, a instalação, as condições térmicas e o objetivo de aceção. O custo decorre da capacidade do equipamento necessário e da integração do projeto e não apenas do diagrama do princípio de funcionamento; utilize os guias de dimensionamento e seleção associados para essa decisão.