Quali sono i componenti di un filtro attivo ibrido?

In qualità di fornitore di filtri attivi ibridi, mi viene spesso chiesto quali siano i componenti chiave che compongono questi sofisticati dispositivi. In questo post del blog approfondirò i vari componenti di un filtro attivo ibrido, spiegando le loro funzioni e come lavorano insieme per fornire un'efficace mitigazione delle armoniche e un miglioramento della qualità dell'alimentazione.

1. Convertitore elettronico di potenza

Il convertitore elettronico di potenza è il cuore di un filtro attivo ibrido. È responsabile della generazione delle correnti di compensazione che vengono iniettate nel sistema di alimentazione per contrastare le correnti armoniche. Il tipo di convertitore elettronico di potenza più comunemente utilizzato nei filtri attivi ibridi è l'inverter con sorgente di tensione (VSI).

Un VSI è costituito da una serie di dispositivi a semiconduttore di potenza, come i transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Questi IGBT sono controllati mediante una tecnica di modulazione della larghezza di impulso (PWM). Il segnale PWM determina il modello di commutazione degli IGBT, che a sua volta controlla l'ampiezza e la fase della tensione di uscita del VSI. Regolando la tensione di uscita, il VSI può generare le correnti di compensazione richieste.

Il convertitore elettronico di potenza deve avere un tempo di risposta rapido per poter tracciare le correnti armoniche in rapida evoluzione nel sistema di alimentazione. Deve inoltre essere in grado di gestire livelli di potenza elevati, poiché è necessario iniettare quantità significative di corrente di compensazione.

2. Sistema di controllo

Il sistema di controllo di un filtro attivo ibrido gioca un ruolo cruciale nel suo funzionamento. È responsabile del rilevamento delle correnti armoniche nel sistema di alimentazione e del calcolo delle correnti di compensazione appropriate che devono essere generate dal convertitore elettronico di potenza.

Il sistema di controllo è tipicamente costituito da un'unità di rilevamento delle armoniche e da un'unità di generazione del riferimento di corrente. L'unità di rilevamento armoniche utilizza varie tecniche, come la trasformata veloce di Fourier (FFT), per analizzare la forma d'onda della corrente nel sistema di alimentazione e identificare le componenti armoniche. Una volta rilevate le componenti armoniche, l'unità di generazione del riferimento di corrente calcola le correnti di riferimento che il convertitore elettronico di potenza dovrebbe generare per annullare le correnti armoniche.

Oltre al rilevamento della corrente armonica e al calcolo della corrente di riferimento, il sistema di controllo deve anche garantire la stabilità e l'affidabilità del filtro attivo ibrido. Monitora le condizioni operative del filtro, come la temperatura dei dispositivi a semiconduttore di potenza e la tensione del collegamento CC, e intraprende le azioni appropriate se vengono rilevate condizioni anomale.

3. Componenti del filtro passivo

I filtri attivi ibridi combinano i vantaggi dei filtri attivi e passivi. I componenti del filtro passivo sono una parte importante del filtro attivo ibrido. Sono utilizzati principalmente per fornire un percorso a bassa impedenza per le correnti armoniche a frequenze specifiche.

I componenti più comuni dei filtri passivi includono induttori e condensatori. Questi componenti sono collegati in diverse configurazioni, come serie o parallelo, per formare circuiti risonanti. Ciascun circuito risonante è sintonizzato su una frequenza armonica specifica, in modo che possa assorbire efficacemente le correnti armoniche a quella frequenza.

I filtri passivi hanno il vantaggio di essere relativamente semplici ed economici. Possono gestire grandi quantità di corrente armonica senza consumare una quantità significativa di energia. Tuttavia, presentano limitazioni in termini di selettività e adattabilità della frequenza. Combinandoli con filtri attivi, il filtro attivo ibrido può superare queste limitazioni e fornire prestazioni migliori.

4. Condensatore del collegamento CC

Il condensatore del collegamento CC è un componente importante nel convertitore elettronico di potenza di un filtro attivo ibrido. È collegato tra il raddrizzatore di ingresso e l'inverter di uscita del convertitore.

La funzione principale del condensatore del collegamento CC è quella di immagazzinare energia e mantenere una tensione CC stabile. Durante il funzionamento del convertitore elettronico di potenza, la corrente che lo attraversa non è costante. Il condensatore del collegamento CC fornisce un buffer per attenuare le fluttuazioni di corrente e tensione. Aiuta a garantire che la tensione attraverso l'inverter rimanga stabile, il che è essenziale per il corretto funzionamento del convertitore.

Le dimensioni e la potenza nominale del condensatore del collegamento CC sono selezionate attentamente in base alla potenza nominale del filtro attivo ibrido e ai requisiti del sistema di controllo. Un condensatore più grande può fornire un maggiore accumulo di energia e una migliore stabilità della tensione, ma aumenta anche il costo e le dimensioni del filtro.

5. Trasformatore di interfaccia

Il trasformatore di interfaccia viene utilizzato per collegare il filtro attivo ibrido al sistema di alimentazione. Serve a diversi scopi importanti.

Innanzitutto fornisce l'isolamento elettrico tra il sistema di alimentazione e il filtro attivo. Questo isolamento aiuta a proteggere il filtro attivo da sovratensioni e guasti ad alta tensione nel sistema di alimentazione e impedisce inoltre che le interferenze del filtro attivo influenzino il sistema di alimentazione.

In secondo luogo, il trasformatore di interfaccia può essere utilizzato per adattare i livelli di tensione tra il sistema di alimentazione e il filtro attivo. La tensione di uscita del convertitore elettronico di potenza potrebbe non essere uguale alla tensione del sistema di alimentazione. Il trasformatore di interfaccia può aumentare o diminuire la tensione per garantire un collegamento corretto.

Infine, il trasformatore di interfaccia può anche contribuire a migliorare le prestazioni del filtro attivo ibrido riducendo la distorsione armonica nel sistema di alimentazione. Può agire come parte del circuito di filtraggio complessivo e migliorare ulteriormente l'effetto di filtraggio.

Il principio di funzionamento dei filtri attivi ibridi

Tutti questi componenti lavorano in armonia per ottenere un'efficace compensazione armonica. L'unità di rilevamento armoniche nel sistema di controllo monitora continuamente la corrente nel sistema di alimentazione e identifica i componenti armonici. Sulla base delle informazioni sulle armoniche rilevate, l'unità di generazione del riferimento di corrente calcola le correnti di riferimento.

Il convertitore elettronico di potenza genera quindi le correnti di compensazione in base alle correnti di riferimento. Queste correnti di compensazione vengono iniettate nel sistema di alimentazione attraverso il trasformatore di interfaccia. Nel frattempo, i componenti del filtro passivo assorbono le correnti armoniche alle loro frequenze sintonizzate. Il condensatore del collegamento CC garantisce il funzionamento stabile del convertitore elettronico di potenza.

Vantaggi dei filtri attivi ibridi

I filtri attivi ibridi offrono numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali filtri attivi o passivi. Possono fornire un elevato grado di compensazione armonica su un'ampia gamma di frequenze. La loro combinazione di componenti attivi e passivi consente loro di gestire grandi quantità di corrente armonica a costi relativamente bassi. Sono anche più adattabili alle mutevoli condizioni del sistema di alimentazione rispetto ai filtri passivi.

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Riferimenti

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• Akagi, H., Kanazawa, Y., & Nabae, A. (1984). Compensatori di potenza reattiva istantanea costituiti da dispositivi di commutazione senza componenti di accumulo di energia. Transazioni IEEE sulle applicazioni industriali, 20(3), 625 - 630.