چگونه می توانید فیلتر فعال مناسب برای سیستم توان خود را انتخاب کنید؟

درک فیلترهای هارمونیک فعال و نقش آنها در کیفیت توان

فیلترهای هارمونیکی فعال (AHF) چیست؟

فیلترهای فعال هارمونیک یا AHFs نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی در الکترونیک قدرت هستند و به‌طور خاص برای مقابله با اعوجاج‌های هارمونیک مزاحمی که سیستم‌های الکتریکی را تحت تأثیر قرار می‌دهند، طراحی شده‌اند. این فیلترها با فیلترهای سنتی غیرفعال که در فرکانس‌های ثابت کار می‌کنند متفاوت هستند. بلکه AHFs به‌طور مداوم شکل موج جریان را نظارت کرده و سپس سیگنال‌های متضادی ارسال می‌کنند تا هارمونیک‌ها را خنثی کنند. آنچه این فناوری را برجسته می‌کند، توانایی آن در مدیریت فرکانس‌ها تا مرتبه 50ام است. برای تأسیساتی که تجهیزات مدرنی مانند درایوهای کنترل سرعت متغیر، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و بارهای غیرخطی مختلف را بهره‌برداری می‌کنند، AHFs مزایای عملی و واقعی‌ای فراهم می‌کنند که با روش‌های قدیمی فیلتراسیون امکان‌پذیر نیست.

تأثیر هارمونیک‌های ولتاژ و جریان بر سیستم‌های برق

اعوجاج هارمونیک با موارد زیر کیفیت توان را کاهش می‌دهد:

• گرمایش بیش از حد ترانسفورماتورها و موتورها (که در موارد شدید عمر آنها را تا ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش می‌دهد)
• باعث قطع بی‌دلیل کلیدهای مدار (تریپ کاذب) می‌شود
• افزایش تلفات انرژی به میزان ۸ تا ۱۵ درصد در سیستم‌های توزیع (مطالعه پونمون، ۲۰۲۳)

هارمونیک‌های ولتاژ بدون مدیریت بالای ۵ درصد THD (فهرست کل هارمونیکی) می‌توانند باعث تخت‌شدن ولتاژ شده و منجر به اختلال در دستگاه‌های حساس مانند سیستم‌های تصویربرداری پزشکی و ابزارهای تولید نیمه‌هادی شوند.

چگونه فیلترهای توان فعال کیفیت برق را بهبود می‌بخشند

فیلترهای فعال امروزی قادر به کاهش THD به زیر ۵ درصد هستند، حتی در سیستم‌هایی که اعوجاج اولیه آن‌ها بین ۲۵ تا ۳۰ درصد است. بهبودهای کلیدی شامل موارد زیر است:

METRIC	قبل از AHF	پس از AHF
THD جریان	28%	3.8%
ضریب قدرت	0.76	0.98
تلفات ترانسفورماتور	14.2 kW	9.1 kW

این اصلاح لحظه‌ای از مشکلات تشدید که در راه‌حل‌های مبتنی بر خازن رایج است جلوگیری می‌کند و همزمان هارمونیک‌ها و توان راکتیو را جبران می‌کند. گزارش کیفیت برق ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که واحدهای صنعتی که از AHF استفاده می‌کنند، ۲۳ درصد کمتر از نصب‌های دارای فیلتر غیرفعال، با توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده مواجه می‌شوند.

چرا کنترل THD برای بارهای غیرخطی حیاتی است

تجهیزاتی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و یکسوکننده‌ها به دلیل ایجاد اعوجاج هارمونیک شناخته شده‌اند که کیفیت توان را مختل می‌کنند و طبق تحقیقات اخیر منتشر شده در مجله Journal of Power Sources در سال 2025، می‌توانند تلفات تجهیزات را حدود 15٪ افزایش دهند. هنگامی که ناهنجاری هارمونیک کلی (THD) در ولتاژ یا جریان از 8٪ فراتر رود، مشکلاتی پیش می‌آید. ترانسفورماتورها داغ می‌کنند، رله‌های محافظ ممکن است به صورت غیرمنتظره قطع شوند و انواع تجهیزات حساس اختلال پیدا می‌کنند. تأسیساتی که تعداد زیادی موتور را بهره‌برداری می‌کنند، برای رعایت دستورالعمل‌های IEEE-519 باید سطح THD خود را زیر 5٪ نگه دارند. عدم رعایت این موضوع می‌تواند منجر به جریمه‌های مالی و مشکلات عملیاتی در آینده شود. بسیاری از کارخانه‌ها این درس را از طریق تجربه تلخ خرابی‌های غیرمنتظره در زمان‌های اوج تولید آموخته‌اند.

زمان پاسخ‌دهی و پایداری سیستم در عملکرد فیلتر فعال

نسل جدید فیلترهای هارمونیک فعال (AHF) می‌توانند در کمتر از ۵ میلی‌ثانیه پاسخ دهند، بدین معنا که نوسانات مزاحم بار را دقیقاً هنگام وقوع اصلاح می‌کنند. چنین واکنش‌های سریعی برای جلوگیری از مشکلات آزاردهنده تشدید که در بانک‌های خازنی رخ می‌دهد بسیار مهم هستند و علاوه بر این، افت ولتاژ را کاهش می‌دهند که می‌تواند عملیات را مختل کند. طبق تحقیقات منتشر شده در سال ۲۰۲۵ در مورد پایداری شبکه‌ها، AHFهای مجهز به سیستم‌های کنترل هوشمند در مقایسه با روش‌های منفعل قدیمی، همگرایی را حدود ۳۸٪ افزایش می‌دهند. این امر در عمل به این معناست که این سیستم‌ها حتی زمانی که ناگهان بار حدود ۳۰٪ افزایش یا کاهش یابد نیز به‌صورت پیوسته و بدون وقفه کار می‌کنند.

مطالعه موردی: کاهش THD از ۲۸٪ به کمتر از ۵٪ با استفاده از یک AHF پیشرفته

کارخانه‌ای که از دستگاه‌های CNC به ارزش ۱۲ مگاوات استفاده می‌کرد، پس از نصب سیستم فیلتر هارمونیک فعال ماژولار، کاهش چشمگیری در تحریف هارمونیک کلی خود از ۲۸٪ به تنها ۳٫۲۷٪ مشاهده کرد. این فیلترها هارمونیک‌های مزاحم مرتبه ۷ام و ۱۱ام را که از طریق کانال‌های باس ۴۸۰ ولت عبور می‌کردند، حذف کردند و این امر منجر به کاهش حدود ۹٫۲ کیلووات‌ساعتی در روز در تلفات ترانسفورماتور شد. بررسی‌های انرژی پس از نصب نشان داد که این سرمایه‌گذاری بدلیل کاهش توقف تجهیزات و عدم بروز مشکلات نگهداری ناشی از هارمونیک‌های الکتریکی که سیستم را مختل می‌کردند، ظرف حدود ۱۶ ماه به خودی خود بازگشت داشت.

تعادل بین پاسخ سریع با سرعت بالا و پایداری شبکه

اصلاح بیش از حد هارمونیک می‌تواند شبکه‌های ضعیف را ناپایدار کند یا با سیستم‌های قدیمی حفاظتی تداخل ایجاد کند. فیلترهای فعال هارمونیک پیشرفته امروزه از الگوریتم‌های مقیاس‌گذاری امپدانس استفاده می‌کنند که نرخ جبران را بر اساس اندازه‌گیری‌های لحظه‌ای قدرت شبکه تنظیم می‌کنند و بدین ترتیب کاهش هارمونیک را بدون تجاوز از حدود نوسان ولتاژ EN 50160 محقق می‌سازند.

فیلتر فعال در مقابل فیلترهای غیرفعال و بانک‌های خازنی: تحلیلی مقایسه‌ای

محدودیت‌های فیلترهای غیرفعال در محیط‌های بار پویا و مدرن

فیلترهای غیرفعال به دلیل طراحی تن شده ثابت، در تطبیق با بارهای صنعتی متغیر به سرعت با مشکل مواجه می‌شوند. اگرچه این فیلترها از نظر هزینه برای فرکانس‌های هارمونیک قابل پیش‌بینی (مانند هارمونیک‌های 5ام یا 7ام) مقرون‌به‌صرفه هستند، اما در صورت تأثیر هارمونیک‌های خارجی بر مدارهای LC آن‌ها، خطر رزونانس سیستم را ایجاد می‌کنند. مطالعه‌ای در سال 2023 نشان داد که فیلترهای غیرفعال در 42 درصد از واحدهای بازسازی‌شده مجهز به درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و منابع انرژی تجدیدپذیر، باعث ایجاد مشکلات ضریب توان شده‌اند. عدم توانایی آن‌ها در مقابله با بین‌هارمونیک‌ها — که در سیستم‌های قدرت مدرن رایج هستند — اثربخشی آن‌ها را در تأسیساتی که نیازمند رعایت حد THD پایین‌تر از 8٪ هستند، محدود می‌کند.

مزایای فیلترهای شنت فعال توان در جبران توان راکتیو و هارمونیک

فیلترهای فعال با تزریق جریان هارمونیک در زمان واقعی و جبران توان راکتیو دینامیکی، عملکرد بهتری نسبت به راهکارهای غیرفعال دارند. برخلاف بانک‌های خازنی (که تنها ضریب توان جابجایی را اصلاح می‌کنند)، فیلترهای فعال به‌طور همزمان از هارمونیک‌ها کاسته و ضریب توان واقعی را بهبود می‌بخشند.

ویژگی	فیلتر فعال	فیلتر غیرفعال	بانک خازنی
سرعت پاسخ	<1 میلی‌ثانیه	10–100 میلی‌ثانیه	نامشخص
محدوده هارمونیک	مرتبه 2 تا 50	فرکانس‌های ثابت	عدم جبران
مقیاس‌پذیری	گسترش ماژولار	طراحی ثابت	مراحل‌بندی محدود

گزارش کیفیت توان سال 2024 نشان می‌دهد که فیلترهای فعال در واحدهای تولیدی دارای بارهای غیرخطی، اتلاف انرژی را در مقایسه با راهکارهای غیرفعال 18٪ کاهش داده‌اند.

زمان استفاده از راهکارهای ترکیبی: ترکیب فیلتر فعال با بانک خازنی

پیکربندی‌های ترکیبی از نظر هزینه مقرون به صرفه هستند، زمانی که هم اعوجاج هارمونیکی (>15% THD) و هم تقاضای توان راکتیو بالا (>500 kVAR) را هدف قرار می‌دهند. فیلترهای فعال، هارمونیک‌های فرکانس بالا را مدیریت می‌کنند، در حالی که بانک‌های خازنی توان راکتیو فرکانس پایه را کنترل می‌کنند؛ ترکیبی که طبق داده‌های میدانی سال 2023، به راندمان 97% سیستم در کارخانه‌های فولاد دست یافته است. این رویکرد اندازه فیلتر فعال را در مقایسه با نصب‌های مستقل 40 تا 60 درصد کاهش می‌دهد و به ویژه در محل‌های قدیمی (brownfield) با محدودیت فضا ارزشمند است.

ملاحظات طراحی و یکپارچه‌سازی برای اجرای فیلتر فعال

مزایای طراحی ماژولار برای مقیاس‌پذیری و نگهداری

سیستم‌های قدرت اکنون می‌توانند به بروز مشکلات هارمونیک با استفاده از طراحی فیلترهای فعال ماژولار برگردند و در عین حال عملیات را بدون وقفه ادامه دهند. تأسیسات از این پیکربندی‌ها استقبال می‌کنند، زیرا می‌توانند به سادگی واحدهای استاندارد را هنگام توسعه به صورت افزایشی اضافه کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که استفاده از سیستم‌های ماژولار، توقف‌های تعمیر و نگهداری را بین ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهد که در مقایسه با سیستم‌های ثابت سنتی بسیار برتر است. صنایع از این انعطاف‌پذیری بهره می‌برند، زیرا نیازهای انرژی آن‌ها به طور مداوم با نصب ماشین‌آلات جدید یا افزایش تولید تغییر می‌کند. به فکر کارخانه‌های تولیدی در فصل‌های شلوغ یا هنگام ورود تجهیزات جدید و کارآمدتر باشید.

چالش‌های یکپارچه‌سازی مکانیکی و الکتریکی در کاربردهای بازسازی

هنگام افزودن فیلترهای فعال به سیستم‌های قدیمی توزیع برق، مهندسان باید به دقت به محدودیت‌های فضایی و قابلیت سیستم در تحمل تجهیزات جدید توجه کنند. تحقیقات انجام‌شده در سال ۲۰۲۲ درباره فیدر‌های توزیع طولانی‌تر، چندین مشکل عمده را در این نوع بازسازی‌ها برجسته کرد. اول، مدیریت حرارت در صورت عدم وجود فضای کافی در تابلوهای الکتریکی شلوغ، دشوار می‌شود. دوم، بسیاری از سیستم‌های قدیمی با سطوح ولتاژ متفاوتی نسبت به آنچه فیلترهای مدرن نیاز دارند کار می‌کنند. و سوم، هماهنگ‌سازی صحیح فیلترهای جدید با رله‌های محافظ موجود، مشکل دیگری است که اغلب پیش می‌آید. اکثر پروژه‌های موفق در نهایت به نگهدارنده‌های سفارشی و گاهی حتی ترانسفورماتورهای پیچیده‌ای نیاز دارند تا تمام تجهیزات بدون ایجاد مشکلات آتی به هم متصل شوند.

سفارشی‌سازی راه‌حل‌های فیلتر فعال (AHF, SVG, ALB) متناسب با پروفایل بار

حذف هارمونیک‌ها زمانی بهترین نتیجه را دارد که فناوری فیلتر مناسب را با شرایط واقعی سیستم تطبیق دهیم. فیلترهای توان اکتیو موازی، یا همان AHF که به آن‌ها می‌گویند، عملکرد بسیار خوبی در پاکسازی هارمونیک‌های جریان مزاحم ناشی از درایوهای سرعت متغیر دارند. در همین حال، SVGها تمایل دارند در ثابت‌سازی نوسانات ولتاژ در مکان‌هایی مانند مزارع خورشیدی عملکرد بهتری داشته باشند. برای موقعیت‌های پیچیده که در آن بارهای صنعتی به طور مداوم تغییر می‌کنند، بسیاری از مهندسان به سیستم‌های ترکیبی متوالی روی می‌آورند که در آن فیلترهای اکتیو با اجزای غیرفعال ترکیب می‌شوند. برخی مطالعات نشان داده‌اند که این سیستم‌های ترکیبی در مقایسه با استفاده از تنها یک نوع فیلتر، حدود ۳۵ درصد در کاهش مشکلات هارمونیک مؤثرتر بوده‌اند. علاوه بر این، روش دیگری نیز وجود دارد: الگوریتم‌های کنترل تطبیقی که تنظیمات فیلتر را به صورت پویا و بر اساس داده‌های حسگرهای بار به‌روزرسانی می‌کنند. این نوع تنظیم هوشمند تأثیر قابل توجهی در عملکرد روزمره در تأسیسات مختلف ایجاد می‌کند.

کاربردها و الزامات خاص صنعت برای سیستم‌های فیلتر اکتیو

فیلتر فعال در تولید: کاهش هارمونیک‌ها از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و رکتیفایرها

امروزه کارخانه های تولیدی با مشکلات کیفیت برق به دلیل این درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و تنظیم کننده های در حال اجرا در اطراف مبارزه می کنند. این دستگاه ها انواع هارمونیک ها را ایجاد می کنند که الگوهای موج ولتاژ را خراب می کنند. بعدش چي ميشه؟ خب، ترانسفورماتورها خیلی داغ می شوند، موتورها زود از کار می افتند و شرکت ها وقتی که کل تحریف هارمونیک (THD) از سطوح قابل قبول فراتر رود، جریمه می شوند. برای رفع این آشفتگی، امروزه بسیاری از مراکز فیلترهای فعال را نصب می کنند. آنها با تولید جریان های ضد کار می کنند که اساساً هارمونیک های مشکل دار 5، 7 و 11 را لغو می کنند. این باعث می شود THD کمتر از 5 درصد باشد، که بسیار خوب است با توجه به اینکه چگونه می توان در کارخانه ها با بسیاری از ماشین آلات CNC و دستگاه های جوش به طور مداوم کار کرد.

مولد استاتیکی وار (SVG) در انرژی‌های تجدیدپذیر و پشتیبانی شبکه

با گسترش سریع مزارع خورشیدی و توربین‌های بادی در سراسر کشور، ژنراتورهای استاتیکی توان راکتیو (SVG) برای حفظ پایداری شبکه‌های برق هنگام نوسان تولید انرژی ضروری شده‌اند. این سیستم‌های پیشرفته با بانک‌های خازنی قدیمی تفاوت دارند، زیرا قادر به تنظیم توان راکتیو به صورت تقریباً فوری هستند که به حفظ ولتاژ ثابت حتی در هنگام عبور ابرها از روی پنل‌های خورشیدی یا کاهش باد در محل توربین‌ها کمک می‌کند. تحقیق منتشر شده در سال گذشته نشان داد که نصب SVGها، توانایی تأسیسات انرژی تجدیدپذیر در مقابله با خطاهای شبکه را حدود ۴۰ درصد افزایش داده است. این بهبود به معنای رخ دادن موارد کمتری از خاموشی موقت تولید توسط اپراتورها به دلیل افت ولتاژ است که در نهایت منجر به صرفه‌جویی در هزینه و حفظ قابلیت اطمینان تأمین انرژی می‌شود.

تضمین قابلیت اطمینان برق در مراکز داده و بیمارستان‌ها

مشکلات ولتاژ ناشی از هارمونیک‌ها می‌توانند در مکان‌هایی که قابلیت اطمینان بیشترین اهمیت را دارد، مانند بیمارستان‌ها و مراکز داده، باعث بروز اختلالات جدی شوند. این مشکلات اغلب منجر به توقف‌های پرهزینه یا آسیب به تجهیزات می‌شوند. فیلترهای فعال با کنترل کردن اعوجاج هارمونیکی کلی و نگه داشتن آن در حد ایده‌آل زیر ۳٪، به کاهش این خطرات کمک می‌کنند. این همان چیزی است که راهنمای IEEE 519-2022 برای حفاظت از تجهیزات حساس مانند دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی و سرورهای کامپیوتری پیشنهاد می‌دهد. به عنوان مثال، یک مرکز داده خاص از سطح Tier IV را در نظر بگیرید. پس از نصب یک سیستم ماژولار فیلتر فعال، شاهد اتفاقی شگفت‌انگیز بودند. تعداد قطع شدن‌های ناشی از هارمونیک‌ها به طور چشمگیری، حدود ۹۰ درصد طبق سوابق آنها، کاهش یافت. نتیجه‌ای بسیار خوب، با توجه به هزینه‌های بالایی که قبلاً این قطع شدن‌ها برای آنها داشت.

افزایش تقاضا برای فیلتر فعال در زیرساخت‌های شارژ خودروهای الکتریکی

ظهور وسایل نقلیه الکتریکی باعث افزایش نیاز به فیلترهای فعال شده است، زیرا شارژرهای سریع قدرتمند DC، انواع مختلفی از نویز الکتریکی ناخواسته (حدود ۱۵۰ تا ۳۰۰ هرتز) را مستقیماً به شبکه برق بازمی‌گردانند. بیشتر شرکت‌های بزرگ فعال در این حوزه، اکنون شروع به تعبیه این فیلترها در خود ایستگاه‌های شارژ کرده‌اند. آن‌ها باید با مقررات سخت‌گیرانه IEC 61000-3-6 سازگار باشند و علاوه بر این، بتوانند بارهایی در محدوده ۱۵۰ تا ۳۵۰ کیلووات را مدیریت کنند. چیز جالب دیگری که مشاهده می‌شود این است که بسیاری از نصب‌ها، فیلترهای فعال را با رآکتورهای غیرفعال سنتی ترکیب می‌کنند. این رویکرد ترکیبی به نظر می‌رسد تعادل مناسبی بین هزینه و عملکرد ایجاد کند، که به ویژه در راه‌اندازی شبکه‌های شارژ متراکم شهری که فضا محدود است و هزینه‌ها اهمیت دارند، بسیار مهم است.

‫سوالات متداول‬

فیلترهای هارمونیک فعال چیست و چگونه کار می کنند؟

فیلترهای هارمونیکی فعال (AHFs) الکترونیک قدرت پیشرفته‌ای هستند که برای خنثی‌سازی اعوجاج‌های هارمونیکی در سیستم‌های الکتریکی طراحی شده‌اند و به‌طور مداوم شکل موج جریان را نظارت کرده و سیگنال‌های مخالفی ارسال می‌کنند.

چرا هارمونیک‌های ولتاژ و جریان مشکل‌ساز هستند؟

هارمونیک‌ها با ایجاد گرمایش بیش از حد در ترانسفورماتورها، قطع مدارهای جریان، و افزایش تلفات انرژی، کیفیت برق را کاهش می‌دهند. همچنین می‌توانند در صورت عدم کنترل، منجر به خرابی تجهیزات شوند.

فیلترهای فعال (AHF) چگونه کیفیت برق را بهبود می‌بخشند؟

فیلترهای فعال (AHF) دستور تحریف هارمونیک کلی (THD) را به زیر ۵٪ کاهش می‌دهند، از مشکلات تشدید جلوگیری می‌کنند و هم هارمونیک‌ها و هم توان راکتیو را جبران می‌کنند که در نتیجه رویدادهای توقف سیستم را کاهش می‌دهد.

تفاوت فیلترهای فعال و غیرفعال چیست؟

فیلترهای فعال کاهش لحظه‌ای هارمونیک و جبران توان راکتیو را فراهم می‌کنند، در حالی که فیلترهای غیرفعال تنظیم‌شده ثابتی دارند و در برابر تغییرات بار عملکرد ضعیفی دارند و بنابراین برای سیستم‌های مدرن کمتر مؤثر هستند.

فیلترهای فعال کجا استفاده می‌شوند؟

فیلترهای فعال به طور گسترده در صنایعی مانند تولید، انرژی‌های تجدیدپذیر، مراکز داده، بیمارستان‌ها و زیرساخت‌های شارژ خودروهای الکتریکی (EV) برای حفظ کیفیت و قابلیت اطمینان برق استفاده می‌شوند.