Топологии пассивных фильтров гармоник для низковольтных сетей.

Анонс: Классификация и основные топологии пассивных фильтров, используемых в сетях низкого и среднего напряжения. Оптимальные настроенные фильтры для низковольтных сетей с нелинейной нагрузкой.


Все силовые фильтры принято делить на активные (АФГ), пассивные и гибридные одно- и трехфазные с последовательным и параллельным подключением в сеть, но наибольшее практическое применение получили шунтирующие (параллельные) пассивные настроенные (резонансные) и гибридные, в которых мощность (и, соответственно цена) АФГ снижена за счет демпфирования гармоник низких порядков с большой амплитудой цепочкой резонансных фильтров.


Рис. Классификация силовых фильтров.

В промышленных сетях используются, как однофазные (при гармонических искажениях на одной из фаз), так и трехфазные пассивные фильтры, преимущественно с последовательным соединением реакторов, конденсаторов и параллельным присоединением к сети по схеме «треугольник»или «звезда» в виде шунтирующего устройства (соответственно а и б на рис. ниже)


Для сетей с нелинейными нагрузками, генерирующими две и более гармоник от 3-й до 17-19-й включительно с значительными амплитудами моделируются комплектные устройства с многозвеньевыми (модульными) пассивными фильтрами, в которых отдельные звенья представляют собой цепочки колебательных LC-, а чаще RLC-контуров с последовательным соединением емкости, индуктивности и резистора, где дополнительное резистивное сопротивление служит для демпфирования зависимости работы контура от сопротивления силовой сети.

Справка:

Применение LC-цепей с параллельным подключением емкости и индуктивности (фильтров-пробок), фильтрующие свойства которых обусловлены максимальным сопротивлением контура на резонансной частоте, достаточно ограничено из-за последовательного включения в сеть и, соответственно прямой зависимости компонентов от мощности нагрузки, а также высоких значений токов в условиях резонанса.



Рис. Фильтрация гармоник 9-11 порядков фильтром с параллельным подключением емкости и индуктивности по IEC 61642.

Часто для ограничения числа звеньев последний модуль моделируется в виде демпфирующего широкополосного фильтра, но только в случае небольших амплитуд спектра высоких частот, поскольку эффективность подавления гармоник фильтрами такого типа снижается с ростом частоты.

Довольно активно продвигаются в последние годы LCL-фильтры – по факту широкополосные демпфирующие, моделируемые и используемые в основном под конкретную нагрузку, обычно ШИМ преобразователь (выпрямитель, конвертер, инвертор). Не остались без внимания IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), VDE (VerbandDeutscherElektrotechniker), а также отечественными институтами и разработчиками аналогичного направления деятельности на строенные фильтры на базе последовательных LC-контуров, которые сегодня предлагаются с:

  • демпфирующим резистором и шунтирующим (параллельно подключенным) RCдемпфером (слева и справа соответственно на рис. ниже);

  • шунтирующим и последовательно соединенным RLC демпфером(слева и справа соответственно на рис. ниже);

  • дополнительным резонансным LC контуром для фильтрации неканонической гармоники или двумя дополнительными LC-«ловушками» и шунтирующим RC демпфером (соответственно слева и справа ни рис. ниже).

Применение различных топологий резонансных фильтров в целом ориентировано на повышение эффективности работы звена в полосе фильтруемых частот, снижение материалоемкости, стоимости устройства. Однако следует понимать, что при всех позитивах введение дополнительного сопротивления увеличивает потери активной мощности, интеграция в цепь добавочной емкости приводит к потерям активной энергии на резонансной частоте, увеличивает зависимость работы фильтра от внешних факторов (температуры, напряжения), повышает сложность расчетов и настройки, использование дополнительной индуктивности вызывает рост материалоемкости, стоимости устройства и т.д. Т.е. в любой ситуации применение сложных топологий должно быть технически и экономически обосновано, а предпочтение стоит отдавать максимально простым в техническом плане решениям.

Оптимальные настроенные фильтры для низковольтных сетей с нелинейной нагрузкой.


Пока наиболее экономичными и достаточно эффективными для подавления гармоник в фильтруемой полосе возле резонансной частоты остаются шунтирующие настроенные LC- или RLC-фильтры, в которых емкость, индуктивность (и сопротивление) подключены последовательно.


У таких фильтров с повышением частоты индуктивное сопротивление XL увеличивается, емкостное Хс уменьшается, а общее реактивное сопротивление Х равно нулю на собственной частоте контура f0, подбираемой по частоте резонанса в пределах отклонения не более 10% от фильтруемой частоты.


Рис. Индуктивное, емкостное и общее реактивное сопротивление LC-контура с последовательным соединением емкости и индуктивности.

Благодаря параллельному включению в сеть мощность фильтра (или звена) будет зависеть преимущественно от амплитуды тока фильтруемой гармоники, а в схеме нет необходимости применения дорогих биполярных транзисторов, как в АФТ, что позволяет моделировать устройства с малой материалоемкостью и ценой.По сути, фильтр (или звено) при частотах полосы пропускания «оттягивает» на себя ток фильтруемой гармоники и «гасит» его противодействием ЭДС индуктивности и активного сопротивления контура, причем на частотах ниже резонансной фильтр работает, как компенсатор реактивной мощности емкостного характера.


Рис. Пассивный резонансный фильтр, настроенный на частоту 5 гармоники по IEC 61642.

Пассивный фильтр может состоять из одного-двух и более звеньев, где каждая цепочка – фильтр-модуль настраивается на собственную резонансную частоту, при необходимости демпфирования гармоник более высоких порядков в фильтр может быть интегрировано широкополосное звено, а общие требования к подключению/отключению звеньев во время работы регламентированы IEC 61642.


Рис. Пассивный фильтр с настроенными (резонансными) звеньями на 5 и 7 гармонику и широкополосным звеном для гармоник более высоких порядков.


Рис. Пассивный фильтр с резонансными звеньями, настроенными на 5, 7, 11 и 13 гармоники.

Выбор резонансной частоты для каждого звена фильтра выполняется:


 494   26.04.2021
Если голосом проще!
Менеджеры готовы принять заявку. Телефоны:
8(800) 707-05-88
(многоканальный)
+7(916) 227-27-07
(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