Ενεργά και παθητικά φίλτρα αρμονικών

Τα ενεργά και παθητικά φίλτρα αποτελούν τις δύο βασικές κατηγορίες φίλτρων που διατίθενται σήμερα στην παγκόσμια αγορά.

Το πρώτο ερώτημα λοιπόν που θα πρέπει να απαντήσει ο επιχειρηματίας που ενδιαφέρεται για την αγορά φίλτρων – ώστε να προστατεύσει τον εξοπλισμό του, να εξοικονομήσει ενέργεια και να αποκομίσει τα συνολικά οφέλη της εγκατάστασης φίλτρων – είναι αν θα πρέπει να καταφύγει στην αγορά ενεργητικών ή παθητικών φίλτρων.

Στο παρόν άρθρο, συγκρίνουμε τις δύο κατηγορίες με σκοπό να βοηθήσουμε τον επιχειρηματία στην απόφαση που καλείται να λάβει σε ό,τι αφορά την επιλογή της κατηγορίας φίλτρου.

Τόσο τα ενεργά όσο και τα παθητικά φίλτρα αποσκοπούν στην εξάλειψη των αρμονικών. Ωστόσο, τα δύο είδη διαφέρουν ριζικά ως προς τον τρόπο λειτουργίας, τον βαθμό απόσβεσης αρμονικών, τη διόρθωση συνημιτόνου, τις εφαρμογές του, τη διάρκεια ζωής και το κόστος.

Στη συνέχεια, ακολουθεί η σύγκριση ενεργών και παθητικών φίλτρων ως προς τα προαναφερθέντα βασικά κριτήρια σύγκρισης.

Τρόπος λειτουργίας

Τα παθητικά φίλτρα συνήθως στοχεύουν στην εξάλειψη μιας αρμονικής συγκεκριμένης τάξης (π.χ. 5^ης, 7^ης κλπ) και σχεδιάζονται «κατά παραγγελία» ανάλογα με το μέγεθος των αρμονικών τάσης ή ρεύματος της εγκατάστασης. Ως εκ τούτου είναι καταλληλότερα για περιπτώσεις όπου υπάρχει μικρός αριθμός αρμονικών διότι στις περιπτώσεις που υπάρχει μεγάλος αριθμός αρμονικών, χρειάζεται και αντίστοιχος αριθμός παθητικών φίλτρων, αυξάνοντας το συνολικό κόστος.

Για παράδειγμα αν σε ένα δίκτυο όπως αυτό του σχήματος που ακολουθεί, τα μη γραμμικά φορτία δημιουργούν αρμονικές 5^ης,7^ης,11^ης και 13^ης τάξης θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τέσσερα (4) διαφορετικά φίλτρα, ένα για κάθε αρμονική.

Αντιθέτως, τα ενεργά φίλτρα δεν σχεδιάζονται σύμφωνα με τις ανάγκες συγκεκριμένων δικτύων ή εγκαταστάσεων. Οι λειτουργίες τους είναι ρυθμιζόμενες, ώστε να μπορούν να ανταποκρίνονται σε μεγάλο φάσμα εφαρμογών, αλλά και στις δυναμικές μεταβολές (αυξομειώσεις) των μεγεθών των αρμονικών.

Πιο συγκεκριμένα, στο δίκτυο του παρακάτω σχήματος, το ενεργό φίλτρο με τη βοήθεια Μετασχηματιστών Εντάσεως (CT), μετρά συνεχώς το ρεύμα γραμμής, υπολογίζει με ακρίβεια το ρεύμα όλων των αρμονικών και δημιουργεί ένα ακριβώς αντίθετο, το οποίο εγχύεται στο δίκτυο και αντισταθμίζει το ρεύμα των αρμονικών.

Συνεπώς, ένα δίκτυο χρειάζεται μόνο ένα ενεργό φίλτρο για την εξάλειψη των αρμονικών όλων των τάξεων, ακόμη και αν οι τιμές τους αυξομειώνονται. Αυτό καθιστά τα ενεργά φίλτρα ιδανική επιλογή για εγκαταστάσεις με αρμονικές πολλών διαφορετικών τάξεων, αλλά και για εγκαταστάσεις με συχνά μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας.

Βαθμός απόσβεσης αρμονικών

Το ποσοστό απόσβεσης αρμονικών αποτελεί βασικό κριτήριο για την επιλογή ενός φίλτρου.

Τα παθητικά φίλτρα δεν εξαλείφουν πλήρως το μέγεθος των αρμονικών, αλλά μόνο ένα ποσοστό αυτών. Έτσι, σε περιπτώσεις που οι ανώτερες αρμονικές δεν είναι σημαντικά μεγαλύτερες σε σχέση με τη βασική 1^η αρμονική, η επίδρασή των παθητικών φίλτρων μειώνει το μέγεθος των αρμονικών σε επιτρεπτά επίπεδα. Αν όμως, έχουμε π.χ. μια πολύ μεγάλη 5^η αρμονική, θα πρέπει το φίλτρο που θα χρησιμοποιηθεί να έχει πολύ μεγάλη ικανότητα απόσβεσης, ώστε να την περιορίσει αποτελεσματικά.

Τα ενεργά φίλτρα επιτυγχάνουν μεγαλύτερα ποσοστά εξάλειψης αρμονικών, που φτάνουν ακόμη και το 100% στις αρμονικές χαμηλής τάξης (150 – 350 Hz). Ορισμένα ενεργά φίλτρα έχουν ειδικά σχεδιαστεί για να εξαλείφουν αρμονικές ακόμη και σε συχνότητες 5-6 kHz, δηλαδή 100^ης τάξεως.

Στο ακόλουθο διάγραμμα φαίνεται η ποσοστιαία ικανότητα απόσβεσης αρμονικών ενός ενεργού φίλτρου σε σχέση με την τάξη της κάθε αρμονικής. Παρατηρούμε ότι οι συνηθέστερες αρμονικές όπως η 3^η, η 5^η και η 7^ηδύναται να εξαλειφθούν πλήρως, ενώ παράλληλα μειώνονται σημαντικά και οι αρμονικές ανώτερης τάξης.

Όσον αφορά στο συνολικό συντελεστή αρμονικής παραμόρφωσης THD, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προτύπου ΙΕΕΕ 519 η τιμή του πρέπει να κυμαίνεται κάτω του 5%, ή ακόμη και κάτω του 3% σε εφαρμογές νοσοκομείων και αεροδρομίων.

Στις περιπτώσεις εφαρμογών με μεγάλο εύρος αρμονικών, η μείωση του δείκτη THD στα προαναφερόμενα απαιτούμενα επίπεδα είναι εφικτή μόνο με τη χρήση ενεργών φίλτρων.

Διόρθωση συνημιτόνου

Η διόρθωση του συνημιτόνου cosφ (το οποίο συχνά αναφέρεται και ως συντελεστής ισχύος) είναι μαζί με τις αρμονικές οι δυο σημαντικότεροι παράγοντες του αντικειμένου «Ποιότητα Ισχύος» στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας.

Θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική καθώς ένας χαμηλός συντελεστής cosφ, συνιστά την ύπαρξη άεργου ισχύος, η οποία:

·         μειώνει την πραγματική (ωφέλιμη) ισχύ του δικτύου. Όπως φαίνεται και στο ακόλουθο σχήμα, όταν αυξάνεται η άεργος ισχύς, μειώνεται η ενεργός, ώστε να μείνει σταθερή η συνολική.

·         συχνά επιφέρει χρεώσεις από τον πάροχο Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΗ).

Για τη διόρθωση του συνημιτόνου,  τόσο τα παθητικά όσο και τα ενεργά φίλτρα περιέχουν πυκνωτές και εξασφαλίζουν εξίσου τη διόρθωση του συνημιτόνου cosφ στα επιθυμητά επίπεδα, δηλαδή κοντά στο 1.

Εφαρμογές

Τα παθητικά φίλτρα είναι ιδανικά για εφαρμογές τοπικής αντιστάθμισης και περιορισμένου εύρους αρμονικών, όπου η χρήση ενεργών φίλτρων κρίνεται οικονομικά ασύμφορη. Σε εγκαταστάσεις όπου οι αρμονικές οφείλονται σε συγκεκριμένα μη γραμμικά φορτία και δεν υπάρχει ανάγκη κεντρικής αντιστάθμισης συνηθίζεται η χρήση παθητικών φίλτρων. Σε πολλές περιπτώσεις οι προμηθευτές τέτοιων φορτίων (inverters κλπ.) προσφέρουν παθητικά φίλτρα ως συνοδευτικό προεραιτικό εξοπλισμό.

Αντίθετα, τα ενεργά φίλτρα είναι ιδανικά σε περιπτώσεις εφαρμογών μεγάλης ισχύος και ειδικών απαιτήσεων. Τέτοιες εφαρμογές είναι ενδεικτικά οι εξής:

·         Βιομηχανικές εγκαταστάσεις με μεγάλο αριθμό μη γραμμικών φορτίων (inverters, μηχανές CNC, αντλίες, ηλεκτροσυγκολήσεις κλπ.)

·         Εγκαταστάσεις με μεγάλο αριθμό ηλεκτρονικού εξοπλισμού (Η/Υ, τηλεφωνικά κέντρα, τυπογραφεία, data centers κλπ.)

·         Εγκαταστάσεις με μεγάλο εύρος αρμονικών

·         Ειδικές εγκαταστάσεις που απαιτούν ιδιαίτερα χαμηλά επίπεδα αρμονικών, όπως τα νοσοκομεία και τα αεροδρόμια (THD < 3%)

·         Περιπτώσεις που απαιτείται χειρισμός των φίλτρων από σύγχρονα συστήματα εποπτείας και ελέγχου (PLC & SCADA)

·         Εγκαταστάσεις που αντιμετωπίζουν προβλήματα από μεταβατικά φαινόμενα (εκκινήσεις κλπ) καθώς και από ειδικά φαινόμενα που οφείλονται στις αρμονικές, όπως ο συντονισμός, οι υπεραρμονικές (interharmonics) και το flickering.

Διάρκεια ζωής

Η διάρκεια ζωής των παθητικών φίλτρων είναι περιορισμένη, καθώς οι πυκνωτές που αποτελούν και το βασικό τους δομικό στοιχείο, έχουν μικρό χρόνο ζωής, ενώ είναι και επιρρεπείς σε φαινόμενα υπερτάσεων και συντονισμού.

Τα ενεργά φίλτρα έχουν σαφέστατα μεγαλύτερο χρόνο ζωής. Χάρη στον τρόπο κατασκευής τους είναι πλήρως προστατευμένα έναντι των υπερφορτίσεων, ενώ και οι ανάγκες συντήρησής τους είναι μικρές καθώς αφορούν μόνο σε περιφερειακά εξαρτήματα (πυκνωτές, ασφάλειες κλπ.) Ακόμη και αν λειτουργούν αδιαλείπτως σε 24ωρη βάση, έχουν εξασφαλισμένο χρόνο ζωής άνω των 10 ετών.

Κόστος αγοράς φίλτρων

Το κόστος ενός παθητικού φίλτρου είναι σημαντικά μικρότερο σε σχέση με το αντίστοιχο κόστος ενός ενεργού, κυρίως λόγω της πολύ απλούστερης δομής του. Ωστόσο, για λόγους που ήδη αναφέρθηκαν, στις μεγάλες εφαρμογές είναι αναγκαίο να χρησιμοποιηθεί μεγάλος αριθμός φίλτρων.

Τα ενεργά φίλτρα έχουν μεγαλύτερο κόστος ανά μονάδα. Η ικανότητά τους όμως να εκτελούν κεντρική αντιστάθμιση, αλλά και αντιστάθμιση μεγάλου εύρους αρμονικών, επιτρέπει τη χρήση πολύ μικρότερου αριθμού φίλτρων (συνήθως ένα μόνο φίλτρο αρκεί).

Επιπλέον, χάρη στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής τους, τα υψηλά επίπεδα προστασίας, τις μικρές ανάγκες συντήρησης και τη σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας που προσφέρουν, εξασφαλίζουν γρήγορη απόσβεση του αρχικού κόστους αγοράς τους και για το λόγο αυτό, αποτελούν την οικονομικότερη επιλογή μακροπρόθεσμα.

πηγή:emmis.gr