Алгоритм расчета пассивного фильтра гармоник

Анонс: Особенности проектирования и расчета резонансных пассивных фильтров гармоник. Способы определения требуемых характеристик сети для расчета пассивных фильтров. Алгоритм расчета пассивного фильтра гармоник.

Наиболее экономичными по инвестициям и достаточно хорошими по эффективности (при правильном расчете, выборе оптимального места подключения и настройке) подавления гармоник в сетях низкого (и среднего) напряжения пока остаются узкополосные настроенные фильтры максимально простой топологии (LС- или RLC-контур с резистивным демпфером) или фильтрокомпенсирующие устройства на их базе с резонансными звеньями, настраиваемыми на частоты искажений с амплитудой, превышающей установленные нормы.

Важно!
В многозвенных пассивных фильтрах каждое звено имеет на частотах ниже резонансной емкостной характер, выше – индуктивный, что определяет риски появления резонансов токов или напряжений для гармоник ниже частоты настройки звена. Поэтому подключение звеньев осуществляют последовательно, начиная с низшей частоты настройки, отключение в обратном порядке, а общие требования к подключению/отключению звеньев настроенных пассивных фильтров во время работы регламентированы IEC 61642.

Расчеты единичного узкополосного фильтра или звена фильтрокомпенсирующего устройства в идеале выполняются по данным полноценного анализа качества электроэнергии в сети по всему спектру частот гармоник вплоть до 49-го порядка, и желательно в рамках энергоаудита объекта для выявления изменений параметров сети в часы пиковой нагрузки и ненагруженном состоянии. Энергоаудит и замеры параметров качества электроэнергии позволяют определить оптимальное место интеграции пассивного фильтра, наличие или отсутствие трансмиссии гармоник, интер- и сверхгармоник из сетей другого уровня напряжения, балансовой принадлежности, в том числе через ТП сетевой компании, критические (в аспекте норм стандартов по электромагнитной совместимости) гармоники и амплитуды их токов In (n – порядок гармоники), требуемые для расчета.

Если нет возможности провести энергоаудит с анализом параметров качества сети или в случае превентивной оценки характеристик требуемого фильтра, то токи гармоник находят ориентировочно для:

  • нелинейных нагрузок «спокойного» режима [1] (преобразователи прокатных станов непрерывного процесса, электролизного производства, систем освещения газоразрядных ламп и т.п.) по формуле InƩ = SƩ*knƩ/(√3*Uном*n), где SƩ – полная суммарная мощность преобразователей, knƩ – коэффициент, учитывающий сдвиг по фазе между гармониками разных преобразователей, принимаемый 0.9 для 5-й и 7-й гармоник, 0.75 для 11-й и 13-й гармоник, 1.0 для газоразрядных ламп.
  • резкопеременных нелинейных нагрузок типа установок дуговой и контактной сварки [2] по формуле InƩ = SƩ/(Uном*n2), где SƩ – полная суммарная мощность электросварочных установок;
  • дуговых сталеплавильных печей по формуле In = Iном.п.т./n2, где Iном.п.т. – номинальный ток печного трансформатора (для одной печи или по формулам [2] для группы печей) и т.д.
Важно!
При ориентировочных расчетах наличие критических гармоник оценивают по справочным данным для конкретной нагрузки, а пассивные фильтры могут проектироваться, как для единичной, так и групп аналогичных по характеру нагрузок с установкой в узлах подключения. Учитывая технические возможности настроенных резонансных фильтров устройства из двух звеньев для 5 и 7 гармоник могут быть эффективными и для подавления гармонических искажений на 9 и 13 гармонике, что следует учитывать при технико-экономическом обосновании проекта. При расчетах пассивных фильтров для подавления гармоник, генерируемых ШИМ преобразователями, учитывают гармонические искажения на частотах вплоть до 19-го порядка для 6-тиимпульсных и до 25-го для 12-импульсных, в ориентировочных расчетах – до 13-го порядка вне зависимости от типа преобразователя, используя упрощенные формулы [1].

Расчет пассивного настроенного фильтра:

1. После выявления порядка и амплитуды тока критической гармоники (по результатам анализа или ориентировочному расчету) определяются со способом использования пассивного фильтра – будет он использоваться только для фильтрации искажения на резонансной частоте (частотах) или параллельно работать, как компенсатор реактивной мощности на фундаментальной частоте f1 (50 Гц).

В первом случае находят минимально допустимую установочную реактивную мощность фильтра по формуле Qустmin = (2/√2)*(n2*U1*In)/(n2 – 1) [2], но учитывая, что фильтр (или звено) будет генерировать реактивную мощность на фундаментальной частоте Q1 = √(1/n)*U1*In, которую следует учесть при проектировании установки компенсации реактивной мощности для этого сегмента сети.

Если фильтр параллельно выполняет функцию компенсации реактивной мощности, то Qуст = Q1 + Qn = 2πf1*C*{(n2/(n2 – 1))*U1}2 + In2/(2πf1*n*C).

2. Находят емкость фильтра (или звена) из формулы Q1 = 2πf1*C*{(n2/(n2 – 1))*U1}2, т.е. С = Q1/(2πf1*C*{(n2/(n2 – 1))*U1}2).

3. Находят индуктивность фильтра (или звена) из условий резонанса ХС = 1/(2π*fn*С) = ХL = 2π*fn*L, откуда L = 1/(С*4π2*fn2).

4. Из практических соображений минимизации цены на комплектующие и фильтр в целом находят серийный реактор с индуктивностью, близкой, но не меньше расчетного значения

5. Проводят перерасчет емкости по выбранному реактору из формулы резонанса и далее корректируют значения генерируемой фильтром реактивной мощности, а также определяют потери активной энергии в емкости, индуктивности, сопротивлении фильтра по методике и формулам [1, 2].


Литература:

  1. 1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - 6-е изд., перераб. и доп. - М: Энерго-атомиздат, 2010.
  2. 2. И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др. Управление качеством электроэнергии (под ред. Ю.В. Шарова) – М.: МЭИ. 2006.
  3. 3. В. X. Осадченко, Я. Ю. Волкова, Ю. А. Кандрина. Резонансные свойства RLC-цепей : [учеб.-метод. пособие] - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2013.

Если голосом проще!
Менеджеры готовы принять заявку. Телефоны:
+7(495) 783-56-30
(многоканальный)
+7(925) 132-99-91
(WhatsApp)
Если проще написать!
В заявке укажите какая продукция Вас интересует.
Оставить заявку

Ждем Вас в гости!
Согласуйте время и приезжайте в наши офисы для получения технических консультаций
перейти к контактам