Об активных фильтрах гармоник для «чайников» и правилах выбора фильтрокомпенсирующих устройств.

Анонс: Простые для понимания концепции гармоник и технических средств для их подавления. Особенности применения активных фильтров гармоник для устранения искажений в сети. Физическая аналогия работы активного фильтра.

Для тех, кто пока не может достаточно полно (в техническом аспекте) разобраться с вопросом гармоник и их фильтрации в силовых сетях низкого напряжения, достаточно принять на веру факт:

• гармоники – токи с частотой, которая кратна и отличается от фундаментальной частоты (в нашей стране 50 Гц), т.е. 2 порядок 2*50=100 Гц, 3-ий – 3*50=150 Гц, 4-ый - 4*50=200 Гц.
  Гармоники накладываются на ток фундаментальной частоты и искажают форму его синусоиды, что влечет за собой искажение формы и величины напряжения и т.д.
  
  Рис. Высшие гармоники первых порядков и искажение синусоиды тока фундаментальной частоты 50 Гц
  
  
• гармоники до 11-13 порядков в той или иной мере успешно «гасятся» пассивными фильтрами, как правило недорогими шунтирующими.
  По сути, пассивный фильтр настраивается так, чтобы на частоте гармоники, которую нужно «загасить», он имел маленькое сопротивление, т.е. току было проще пойти через фильтр, а там энергия гармоники рассеивалась в проводах, соединениях и растрачивалась на нагрев;
  
  Рис. Типовая настройка пассивного фильтра
  
  
• гармоники генерируются нелинейными нагрузками – экономичными в энергопотреблении электродвигателями с регулируемой частотой вращения, приводами с многофазными преобразователями (выпрямителями и инверторами), компьютерами, системами энергосберегающего освещения и т.д.
  Т.е. чем лучше по регулированию, энергопотреблению, функциональности оборудование (нагрузка), тем больше гармоник «выплескивается» в силовую сеть и тем существеннее искажается фундаментальный ток, напряжение, частота – основные параметры качества электроэнергии;
• активный фильтр гармоник в отличие от пассивного работает не с одной частотой (гармоникой), а «подстраивается» под гармоники по их порядку (частоте), величине в интервале от 1 до 25 или 50, и имеет совершенно другой принцип работы – он «выплескивает» в сеть токи такой же частоты и амплитуды, но с обратной кривой синусоиды (в противофазе).
  В итоге наложения «противотока» активного фильтра на ток гармоники последняя просто исчезает (условно) и чем быстрее срабатывает фильтр, тем чище становится сеть, хотя и выше места подключения, поскольку на промежутке сети фильтр-нагрузка собственно и идет «борьба» противотоков с токами гармоник;
• практически любой активный фильтр гармоник на рынке – по факту активное фильтрокомпенсирующее устройство (АФКУ), т.е. может использоваться и для подавления гармоник, и для компенсации реактивной мощности.
  
  Просто инвертор АФКУ на фундаментальной частоте будет выплескивать в сеть ток в противофазе реактивным токам нагрузки, причем все равно какой – емкостной или индуктивной в отличие от конденсаторных батарей (или устройств), сбрасывающих в сеть только емкостные токи для подавления реактивных токов индуктивного характера. Есть превентивно настроенные на приоритетную компенсацию реактивной мощности версии АФКУ типа Static var generator (SVG), но все равно это те же фильтрокомпенсирующие устройства с интеллектуальным контроллером и ведомым трехуровневым (3L) инвертором на биполярных транзисторах, запакованные вместе с емкостными и/или индуктивными накопителями энергии (конденсаторы и катушки);
• на отечественном и зарубежном рынках превалируют шунтирующие АФКУ, существенно более финансово доступные, чем их аналоги последовательного включения в сеть, мощность которых априори не может быть меньше мощности нагрузки;
  
  Рис. АФКУ последовательной (слева) и поперечной (шунтирующие) компенсации (справа).
  
  
• чем мощнее активный фильтр, тем он дороже, поскольку и для управления, и в силовой части (3L инвертор) используются очень недешевые биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors).

Поэтому в подавляющем большинстве случаев экономически выгодно:

- «глушить» гармоники прямо возле генерирующей их нагрузки (или группы нагрузок), что снижает мощность АФКУ и локализует «токи-противотоки» на небольшом участке, освобождая силовую сеть выше места подключения от гармонических искажений;

- настраивать АФКУ на работу не со всем возможным спектром искажающих частот, а только с интенсивными гармониками.

Т.е. желательно исключить гармоники малозначимые по амплитуде и/или частоте (не влияющие на передачу по сети управляющих сигналов), но суммарно «оттягивающие» на себя часть мощности АФКУ.

И вот здесь важно решить вопрос стоит ли тратить очень дорогую мощность АФКУ на:

• гармоники первых порядков (3, 5, 7, 9, 11), которые в принципе можно блокировать дополнительно установленным недорогим пассивным фильтром (дросселем или индуктивно-емкостным);
• компенсацию реактивной мощности на фундаментальной частоте, с чем может справиться недорогая (в сравнении с блоком АФКУ) установка УКРМ или тиристорная УКРМТ.
  Справка: На практике использование АФКУ для «гашения» реактивных токов (или реактивной мощности) оправдано, если:
• компенсируется группа оборудования, сбрасывающего в сеть реактивные токи только емкостного, или и индуктивного, и емкостного характера, т.е. здесь установки с конденсаторными батареями просто неприменимы;
• нагрузка так быстро меняет свои вольтамперные характеристики (ВАХ), что даже быстродействующая УКРМТ с тиристорными ключами не успевает среагировать на изменения и в сети постоянно дежурят» реактивные токи или емкостного (при перекомпенсации) или индуктивного (при недокомпенсации) характера;
• производственно-технологических процесс не допускает даже малейших колебаний напряжения, фликера, бросков тока и пр. негативов, обусловленных недо- или перекомпенсацией реактивной мощности и характерных для УКРМ, УКРМТ с батареями-ступенями фиксированной емкости.

Физическая аналогия работы активного фильтра на участке силовой сети.

Условно работу активного фильтра на участке силовой сети можно сравнить с организацией выращивания эко продуктов (овощей, зелени) в масштабах большого разнопланового фермерского хозяйства. Использование органических удобрений, современных технологий и оборудования для культивации и т.д. (аналог современного оборудования с нелинейными ВАХ) создает отличные условия для выращивания растений (аналог производственно-технологического процесса) и, попутно для жизнедеятельности вредителей, паразитов, сорняков, болезнетворных микроорганизмов и пр. (аналог гармоники).

Масштабное использование пестицидов недопустимо и поэтому приходится бороться с вредителями практически вручную и локально, а для этого нанимать штат сотрудников (АФКУ) непосредственно для этого участка, причем можно:

• нанять большое количество людей для борьбы со всеми типовыми вредителями в регионе (выбор АФКУ по мощности нагрузки), но это дорого и вряд ли целесообразно, поскольку на конкретном участке земли в конкретных условиях действительно опасными для определенного типа растений могут быть только некоторые виды вредителей;
• проанализировать наличие действительных угроз для конкретного участка, растений, условий и исходя из этого укомплектовать штат полевых рабочих (выбор АФКУ по данным измерений и спектрального анализа сети на наличие и интенсивность гармоник);
• уменьшить штат сотрудников, если типовые угрозы для жизни растений (полевые мыши, птицы, листоеды и т.д. – аналог гармоники первых порядков) превентивно устранить другими агротехническими или организационными мероприятиями (ранневесеннее культивирование, посадка рядом с участком более «вкусных» растений с последующей обработкой, акустические, ультразвуковые отпугиватели и пр. – аналог пассивные фильтры гармоник).

Т.е. в идеале нужно определить какие угрозы действительно нанесут вред определенной культуре на конкретном участке и под их устранение нанимать людей, которым под силу любые работы (собирать жуков, гусениц, локально обрызгивать растения, рыхлить почву) так же, как и АФКУ в плане генерации противотоков на любых превентивно заданных частотах.