Zakaj APF ojača harmonike obremenitve?

Na prvi pogled bi lahko nekateri dvomili o naslovu in se spraševali, ali gre za pomoto. Aktivni močnostni filtri (APF) naj bi tradicionalno ublažili harmonike in zmanjšali harmonične komponente v distribucijskem omrežju, kako bi torej lahko ojačali harmonike obremenitve? Prav ste prebrali in tudi jaz se nisem zmotil. APF res zmanjšajo harmonike, vendar jih tudi ojačajo. Zmanjšajo harmonike, ki tečejo na stran omrežja, in ojačajo harmonike, ki izvirajo s strani bremena! Brez razumevanja tega je nemogoče pravilno konfigurirati kapaciteto APF in jo varno uporabljati. V nadaljevanju bom poskušal razložiti ta zanimiv pojav.

Zgornji diagram prikazuje tipično nelinearno obremenitev, priključeno na distribucijsko omrežje. V diagramu Ls predstavlja ekvivalentno notranjo impedanco transformatorja distribucijskega omrežja, L1 je vhodna impedanca nelinearne obremenitve, priključna točka APF pa je med Ls in L1. Pri fiksni obremenitvi je velikost harmonikov obremenitve neposredno povezana z vsoto Ls in L1; večji ko je Ls + L1, manjši so harmoniki obremenitve in obratno. Ko APF ni priključen, je vhodna impedanca za harmonike bremena Ls + L1. Ko pa je APF priključen in teoretično ublaži vse harmonike, ki tečejo v razdelilni transformator, se idealni tri-fazni vir napetosti za harmonike premakne v srednji položaj med Ls in L1. Na tej točki je vhodna impedanca za harmonike obremenitve L1, zato se bodo harmoniki na strani-obremenitve ojačali sinhrono, z magnitudo ojačenja, ki je skoraj enakovredna (Ls + L1) / L1.

Na podlagi zgornje analize povezava APF na splošno ojača harmonike na strani bremena. Ko sta Ls in L1 približno enaka, je harmonično ojačanje pomembno. Ker je vhodna reaktanca obremenitve tipičnega frekvenčnega pretvornika primerljiva z notranjo impedanco razdelilnega transformatorja, bo konfiguracija APF za zatiranje vhodnih harmonikov vseeno povzročila opazno ojačanje vhodnih harmonikov frekvenčnega pretvornika. To še posebej velja za nekatere-frekvenčne pretvornike visoke moči, ki ne uporabljajo vhodne tuljave, temveč kot vhodno induktivnost uporabljajo enakovredno notranjo impedanco transformatorja. V tem primeru bi teoretično po uporabi APF za zatiranje vhodnih harmonikov frekvenčnega pretvornika harmoniki vhodnega toka obremenitve (tj. frekvenčnega pretvornika) postali neskončni, kar pomeni, da bi skupni vhodni tok postal neskončen, kar bi lahko poškodovalo frekvenčni pretvornik. V praksi opazovanje omrežne napetosti na priključni točki APF razkrije močan linearni padec in dvig napetosti, ki bi lahko celo poškodoval drugo opremo v omrežju! Zato je treba v takšnih situacijah dodatno vhodno reaktanco povezati zaporedno s frekvenčnim pretvornikom.

Če se vrnemo k začetnemu vprašanju, glede ojačanja harmonikov obremenitve, ki jih povzroča povezava APF, je treba to ojačanje v celoti upoštevati pri konfiguraciji zmogljivosti APF. Dejanska zmogljivost APF mora biti vsaj (Ls+L1)/L1-kratnik harmonske magnitude pred priključitvijo APF, da se zagotovi zadostna zmogljivost APF za ublažitev harmonikov, ki tečejo v omrežje iz bremena. Za obremenitve pretvornika z zelo nizko vhodno impedanco, kot so tiste brez vhodne reaktanse, je treba reaktanco povezati zaporedno med priključno točko APF in obremenitvijo. Vrednost reaktanse je na splošno treba obravnavati kot stopnjo reaktance vsaj 3 %, nato pa je treba konfiguracijsko zmogljivost APF izračunati na podlagi razmerja med Ls in induktivnostjo zaporedno-priključene vhodne reaktanse.