Топологии пассивных фильтров гармоник для низковольтных сетей. - Фильтры гармоник
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Выбор резонансной частоты для каждого звена фильтра выполняется:
- ориентировочно по рекомендациям IEC 61642, где определены безопасные в аспекте негативного влияния на информационные каналы связи АСУ частоты резонанса для промышленных сетей (см. рекомендованные IEC резонансные частоты для контуров фильтров высших гармоник в этом материале);
- на основе полноценного анализа качества электроэнергии в сети по всему спектру частот гармоник вплоть до 49-го порядка, а в идеале с энергоаудитом для выявления изменений параметров сети в часы пиковой нагрузки и ненагруженном состоянии.
(многоканальный) +7(916) 227-27-07