Nguyên lý hoạt động của Bộ lọc Harmonic Chủ động: Cảm biến dòng điện nguồn

The Nguyên lý hoạt động của bộ lọc sóng hài tích cực sử dụng vòng điều khiển kín: đo dòng tải biến dạng, tính toán các thành phần không mong muốn đã chọn, điều khiển bộ biến đổi công suất, và bơm dòng bù song song tại một bus xác định. Tại điểm giới hạn đó, dòng tải và dòng bộ lọc xác định dòng nguồn, liên kết cảm biến, tạo tham chiếu, theo dõi dòng và bơm shunt trong một chuỗi hoạt động.

Bộ lọc Harmonic Chủ động Shunt thay đổi gì trong hệ thống điện

Một bộ lọc Harmonic Chủ động shunt cung cấp dòng bù song song với tải, giảm lượng dòng không mong muốn phải đi qua phía nguồn của bus đã chọn.

Tải phi tuyến không rút dòng theo tỷ lệ trực tiếp với điện áp xoay chiều nguồn. Ví dụ, một mạch chỉnh lưu ở đầu VFD có thể rút dòng thành từng xung, do đó dạng sóng dòng tải chứa thành phần cơ bản cộng các thành phần harmonic.

Dòng harmonic là phần liên quan đến các thành phần dạng sóng trên thành phần cơ bản. Bộ lọc chủ động shunt cung cấp một đối tượng kiểm soát của các thành phần đã chọn thay vì yêu cầu nguồn phía trên cung cấp tất cả chúng.

Bộ lọc AHF shunt là nguồn dòng kiểm soát kết nối bên cạnh tải đó. Nó không mang toàn bộ dòng tải theo chuỗi; nó thêm một đường dòng khác tại bus đã được bù.

An bộ lọc công suất chủ động, hay còn gọi là APF, sử dụng điện tử công suất kiểm soát thay vì mạng thụ động cố định; bài viết này tập trung vào dạng dòng shunt.

Chọn quy ước dấu trước khi đọc cân bằng dòng. Định nghĩa dòng nguồn và dòng bộ lọc là dòng vào bus đã được bù, với dòng tải rời khỏi hướng tải.

i_source + i_filter = i_load

Tương đương, i_source = i_load - i_filter. Đối với thành phần tải mục tiêu, quy ước tham chiếu nhánh này gán thành phần bộ lọc cùng dấu đại số với thành phần tải; phép trừ thể hiện bộ lọc cung cấp thành phần đó tại chỗ.

Xem xét nhiều bộ chỉnh lưu VFD kết nối với một bus nhà máy. Các bộ điều khiển tiếp tục rút dòng điện theo yêu cầu của quá trình của chúng, trong khi AHF cung cấp các thành phần dòng hài và dòng phản kháng được chọn tại chỗ; các dây dẫn phía trên cùng sau đó mang phần còn lại của tổng tại bus đó.

Đo lường, lệnh điều khiển, dòng điện biến đổi và dòng điện nguồn vẫn là các đại lượng riêng biệt trong suốt nguyên lý hoạt động của AHF.

Đọc như sơ đồ bộ lọc hài hoạt động, trình tự chạy từ tín hiệu dòng tải đo được đến tham chiếu của bộ điều khiển, dòng điện bộ lọc thực tế, và dòng điện nguồn sinh ra.

Bước 1: CT bắt tín hiệu dòng tải

Biến dòng điện cung cấp cho bộ điều khiển một biểu diễn về dòng điện tại ranh giới điện tử định nghĩa; chính biến dòng điện CT không loại bỏ hài hoặc chèn dòng điện hiệu chỉnh.

Vị trí của biến dòng điện CT quyết định bộ điều khiển có thể nhìn thấy gì. Một CT của đường cấp và một CT của bus chính đại diện cho các ranh giới bù trừ khác nhau ngay cả khi phần cứng cảm biến giống nhau.

Đối chiều và sự phù hợp pha giữ gìn hướng tín hiệu dự định. Các hướng dẫn lắp đặt và dây dẫn của biến dòng điện bộ lọc hài hoạt động kết nối các quyết định đó với tỷ lệ, định tuyến, và bằng chứng vận hành trên sơ đồ một dòng.

Đối với người mới đọc sơ đồ khối của nhà cung cấp, sự phân biệt rõ ràng là đơn giản: mũi tên từ biến dòng điện đến bộ điều khiển là thông tin. Đường dòng điện lớn từ bộ biến đổi đến bus là hành động bù trừ.

Bước 2: Bộ điều khiển xây dựng tham chiếu dòng bù

Bộ điều khiển xử lý các đại lượng điện đo được và xây dựng tham chiếu dòng điện bù trừ: dạng sóng mục tiêu mà giai đoạn công suất nên cung cấp tiếp theo.

Về mặt phần cứng, một bộ xử lý tín hiệu số hoặc bộ điều khiển thời gian thực khác biến đổi đầu vào cảm biến thành dòng điện tham chiếu. Tham chiếu đó là một lệnh điều khiển, chưa phải dòng điện vật lý chảy trong nhánh bộ lọc.

Công việc đó chính xác hơn “phát hiện hài hòa”. Bộ điều khiển phải phân biệt các thành phần dòng điện liên quan đến mục tiêu đã cấu hình, tạo thành một tham chiếu với dấu hiệu yêu cầu, và liên tục cập nhật lệnh khi tải thay đổi.

Các thiết kế khác nhau có thể sử dụng phương pháp tham chiếu đồng bộ, phương pháp p-q tức thời, phân tích phổ, hoặc kiến trúc điều khiển khác. Những tên thuật toán đó mô tả cách tính toán mục tiêu; chúng không thay đổi trình tự chức năng chung gồm đo lường, tạo tham chiếu và theo dõi dòng điện.

Một kỹ sư so sánh một sơ đồ khối được gắn nhãn dq0 với một sơ đồ khác được gắn nhãn p-q do đó nên đặt ra hai câu hỏi riêng biệt. Mục tiêu dòng điện đang được tính toán là gì, và bộ biến đổi theo dõi tham chiếu đó như thế nào dưới điều kiện tải và cung cấp dự kiến?

Ước lượng tín hiệu bù, điều chỉnh bus DC, và điều khiển dòng điện của bộ biến đổi liên quan nhưng khác nhau. Cùng nhau chúng tạo thành nguyên lý hoạt động của bộ lọc công suất hoạt động ngay cả khi thuật toán nội bộ và phần cứng thực hiện khác nhau.

Bước 3: Bus DC và Bộ biến đổi IGBT tạo ra dòng lọc

Điều khiển bus DC hỗ trợ một bộ biến đổi chuyển mạch biến đổi tham chiếu kỹ thuật số thành dòng điện lọc xoay chiều thực trên bus đã được bù.

Bus DC là bộ đệm năng lượng nội bộ đã được điều chỉnh của bộ biến đổi. Nó cung cấp không gian điện cần thiết cho giai đoạn công suất để định hình dòng điện, trong khi một chức năng điều khiển riêng biệt giữ cho điện áp liên kết DC gần mục tiêu vận hành của nó.

Biến tần IGBT không đơn thuần là một công tắc điện tử bật/tắt cho tủ điện. Các chân bán dẫn của nó chuyển mạch dưới sự kiểm soát dòng điện để đầu ra của bộ biến đổi theo sau lệnh dòng bù thay đổi.

Đây cũng là lý do tại sao nói AHF “lưu trữ hài hòa” mang lại mô hình tư duy sai. Bộ điều khiển ước lượng dòng điện mong muốn, và bộ biến đổi liên tục trao đổi năng lượng điện với hệ thống AC trong khi tổng hợp dòng điện đó; không có kho chứa các dạng sóng hài đã bắt giữ chờ được xả ra.

Theo dõi dòng điện đóng vòng lặp giữa lệnh và hành động. Bộ điều khiển quan sát phản ứng điện, điều chỉnh chuyển mạch của bộ biến đổi, và cập nhật lệnh khi tải phi tuyến thay đổi, để dòng lọc thực tế theo sau tham chiếu thay vì giữ nguyên dạng sóng cố định.

Bước 4: Dòng lọc và dòng tải cộng vào tại bus đã chọn

Với tất cả các mũi tên nhánh hướng theo như đã định nghĩa ở trên, sự triệt tiêu xảy ra thông qua tổng hợp dòng điện tại bus đã chọn: bộ lọc tái tạo các thành phần dòng tải đã chọn với dấu hiệu đại số giống nhau, vì vậy việc trừ dòng lọc đi làm giảm đóng góp của chúng vào dòng nguồn.

Giả sử dòng tải chứa một thành phần cơ bản cộng với một số thành phần hài hòa. Nguồn vẫn cung cấp công suất cơ bản yêu cầu bởi quá trình, nhưng nhánh bộ lọc có thể mang một đối tác kiểm soát của các thành phần không mong muốn đã chọn.

Cụm từ quen thuộc “bằng và đối nghịch” giả định rằng dòng tải và dòng lọc được vẽ bằng cách sử dụng một hướng tham chiếu toàn cục chung. Theo quy ước tham chiếu nhánh được sử dụng ở đây, hai giá trị thành phần có dấu hiệu đại số giống nhau vì các mũi tên nhánh tải và bộ lọc chỉ về phía đối diện nhau so với bus.

Điểm kết nối chung, hay PCC, là ranh giới điện đã thỏa thuận nơi nhóm đánh giá mối quan hệ giữa dòng nguồn, tải và dòng lọc. Nói cách khác, đó là bus nơi câu hỏi trở thành: dòng điện mà nguồn hiện tại nhìn thấy là gì?

Cân bằng dòng điện cũng trả lời một câu hỏi phổ biến trong cộng đồng về nơi các hài hòa đi. Bộ lọc không di chuyển một gói nhiễu đã lưu trữ đi nơi khác; nó tạo ra một dòng điện kiểm soát có các thành phần đã chọn giảm các thành phần tương ứng trong tổng dòng phía nguồn.

Khi tải thay đổi, dạng sóng đo được thay đổi, tham chiếu được tính lại, và đầu ra của bộ biến đổi theo sau. Cập nhật động là điểm khác biệt chính giữa một nguồn dòng điện hoạt động có kiểm soát và một mạng lưới đã được điều chỉnh cố định.

Tại sao Phản hồi Chủ động khác với Lọc thụ động

Bộ lọc hài hòa chủ động và thụ động hoạt động qua các cơ chế vật lý khác nhau: bộ lọc hài hòa chủ động đo lường và tạo ra dòng điện biến đổi, trong khi bộ lọc thụ động sử dụng cuộn cảm, tụ điện và điện trở để tạo ra các đường truyền trở kháng phụ thuộc vào tần số.

Phân biệt đó giải quyết câu hỏi quen thuộc, “Bộ lọc hài hòa có phải là ngân hàng tụ điện không?” Một ngân hàng tụ điện có thể cung cấp công suất phản kháng, và một bộ lọc thụ động đã được điều chỉnh có thể bao gồm tụ điện, nhưng không tự động trở thành bộ chuyển đổi điều khiển như đã mô tả ở trên.

Thiết bị hoạt động và thiết bị thụ động cũng có thể được phối hợp trong cùng một cơ sở vì mỗi loại hoạt động qua một cơ chế điện khác nhau.

Để đưa ra quyết định lựa chọn đầy đủ — bao gồm điều chỉnh, cộng hưởng, thay đổi hành vi tải, và các đánh đổi trong lắp đặt — sử dụng bộ lọc hài hoạt động so với bộ lọc hài thụ động.

Những gì “bằng và đối lập” không đảm bảo

“Bằng và đối nghịch” mô tả mối quan hệ của các thành phần vật lý khi cả hai dòng điện chia sẻ một hướng tham chiếu toàn cầu; nó không phải là quy tắc đại số cho các mũi tên nhánh đã sử dụng ở trên. Mẫu nhiễu còn lại vẫn phụ thuộc vào cảm biến, dòng điện bù có sẵn, phản hồi của bộ điều khiển, điều kiện mạng lưới và trạng thái tải.

Mức đọc đồng hồ thay đổi theo điểm đo và trạng thái hoạt động. Do đó, kết quả tại một bảng điều khiển không thể giải quyết một điểm PCC khác hoặc trạng thái tải khác.

Quan trọng: Mức đọc dòng hài thấp hơn tại một bảng điều khiển không phải là bằng chứng cho thấy vị trí đặt CT, công suất bộ lọc hoặc mục tiêu chấp nhận PCC đã được xác định — hãy liên kết kết quả với giới hạn đo đã định nghĩa, trạng thái hoạt động tiêu biểu, dòng bù có sẵn và phương pháp chấp nhận đã thỏa thuận.

Biến dạng hài tổng thể, hay THD, là một tóm tắt hữu ích về nội dung hài trong dạng sóng. Nó không phải là câu trả lời độc lập về việc CT thuộc về đâu, yêu cầu về dòng điện là bao nhiêu, hoặc liệu giới hạn hợp đồng đã được đáp ứng hay chưa.

Sử dụng Hướng dẫn đặt vị trí và đấu dây CT để xác định ranh giới đo lường/kiểm soát trước khi xem một kết quả là đại diện. Khi ranh giới đó đã cố định, Hướng dẫn tính toán kích thước APF chuyển đổi nhu cầu đo lường thành các đầu vào công suất, và Hướng dẫn lựa chọn AHF áp dụng các đầu vào đó cho thiết bị và tiêu chí chấp nhận.

Mô hình vòng điều khiển chính xác không cung cấp dữ liệu tại chỗ cần thiết để lựa chọn thiết bị. Các bản ghi đại diện, sơ đồ một dòng, giới hạn lắp đặt và điểm chấp nhận đã xác định hoàn chỉnh quyết định tiếp theo đó.

Cách gia đình sản phẩm CNBYG AHF/APF thực hiện chuỗi

Dòng sản phẩm CNBYG AHF/APF theo chuỗi chức năng giống như đã mô tả ở trên: cảm biến CT bên ngoài, trích xuất số kỹ thuật số các thành phần dòng điện mục tiêu, và tạo ra cũng như tiêm dòng bù dựa trên IGBT.

The Dòng sản phẩm CNBYG AHF/APF đưa ra các dạng treo tường và dạng để rack. Trong các dạng đó, đầu vào CT bên ngoài cung cấp xử lý kỹ thuật số, điều khiển dòng inverter được tiêm vào bus.

Trước khi so sánh một dòng hoặc xếp hạng của CNBYG, xác định ranh giới điện, hồ sơ dòng hài hòa đại diện, điện áp hệ thống và cấu hình, trạng thái tải, thiết bị bù hiện có, điều kiện lắp đặt và mục tiêu chấp nhận.

The Hệ thống chất lượng điện năng Trung tâm tổ chức đo lường và ngữ cảnh hệ thống được sử dụng trước khi chọn thiết bị. Hướng dẫn về kích thước và lựa chọn CT cung cấp chi tiết ở cấp độ tiếp theo khi hồ sơ đó đã hoàn tất.

Các câu hỏi thường gặp

Bộ lọc hài hòa hoạt động như thế nào từng bước một?

Nó đo dòng tại ranh giới xác định, xử lý tín hiệu thành tham chiếu dòng bù, sử dụng bộ biến đổi điều khiển để tạo ra dòng lọc, tiêm dòng đó song song, và cập nhật lệnh khi tải thay đổi. Với dòng nguồn và dòng lọc đã xác định hướng về bus, nguồn cung cấp dòng tải trừ đi phần đóng góp của bộ lọc.

Sự khác biệt giữa bộ lọc hài hòa thụ động và chủ động là gì?

Bộ lọc thụ động sử dụng các cuộn cảm, tụ điện và điện trở đã được điều chỉnh để tạo hình trở kháng mạng tại các tần số đã chọn. Bộ lọc chủ động đo trạng thái điện và điều khiển bộ biến đổi công suất để tạo ra dòng bù thay đổi.

Tại sao dòng bù được gọi là bằng và ngược chiều?

Cụm từ này sử dụng một hướng tham chiếu toàn cầu chung, trong đó thành phần bộ lọc vật lý đối lập với thành phần tải mục tiêu. Với các mũi tên nhánh được sử dụng trong bài viết này, thành phần bộ lọc là bản sao cùng dấu của thành phần tải mục tiêu, và i_source = i_load - i_filter trừ nó khỏi dòng nguồn.

Bộ lọc hài hòa AHF có loại bỏ tất cả các hài hòa không?

Không có kết quả phổ quát nào chỉ dựa trên nguyên lý. Dòng còn lại phụ thuộc vào ranh giới đo lường, các thành phần mục tiêu, khả năng dòng điện có sẵn, phản hồi của bộ điều khiển và bộ biến đổi, trạng thái tải, và tích hợp hệ thống.

Bộ lọc hài hòa chủ động được kết nối ở đâu?

Bộ lọc AHF song song phổ biến kết nối song song với tải hoặc bus để có thể tiêm dòng. Điểm kết nối chính xác và vị trí CT phải phù hợp với ranh giới bù dự định và thiết kế dự án đã được phê duyệt.

Có bao nhiêu loại bộ lọc chủ động?

Một phân loại cấp cao phổ biến là song song, nối tiếp, lai và bộ điều hòa chất lượng điện năng hợp nhất. Bộ lọc song song chủ yếu tiêm dòng song song; bộ lọc nối tiếp tiêm điện áp; các cấu hình lai kết hợp chức năng chủ động và thụ động; và UPQC phối hợp chức năng nối tiếp và song song.

Một bộ lọc công suất hoạt động (AHF) cũng có thể chỉnh sửa hệ số công suất không?

Một số sản phẩm bộ lọc hoạt động có thể bao gồm bù dòng phản ứng hoặc chỉnh sửa hệ số công suất như một chức năng cấu hình. Việc chức năng đó có sẵn và cách chia sẻ công suất phải được xác nhận cho sản phẩm và ứng dụng đã chọn.

Cách xác định kích thước của AHF là gì và chi phí bao nhiêu?

Việc xác định kích thước bắt đầu với nhu cầu dòng hài hòa đo lường đại diện tại ranh giới dự định, sau đó xem xét điện áp, trạng thái tải, sơ đồ kết nối, lắp đặt, điều kiện nhiệt và mục tiêu chấp nhận. Chi phí phụ thuộc vào công suất thiết bị yêu cầu và tích hợp dự án hơn là sơ đồ nguyên lý hoạt động; sử dụng hướng dẫn kích thước và lựa chọn liên kết để quyết định.

Tài liệu tham khảo

• Wikipedia — Bộ lọc công suất hoạt động
• Reddit r/ElectricalEngineering — Sự khác biệt giữa ngân hàng tụ, SVC và hệ thống HV FACTS?
• Reddit r/ElectricalEngineering — Hài hòa chất lượng điện