Цифровая трансформация электрического тока, активно используемая в энергетике, требует большей точности, как по уровню передаваемого сигнала, так и по его частоте. Возможные колебания гасят фильтры гармоник, активные или пассивные.

Пассивные фильтры гармоник

Выбор между пассивными и активными фильтрами гармоник

Повышенные требования по уровню электромагнитной эмиссии гармоник приведены во введенных в действие с 1 января 2021 года стандартах: ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, разработанных с учетом положений новой Энергетической стратегии России, которая была утверждена в прошлом году. Нормативы приводятся для сетей разного уровня напряжения и должны обеспечиваться разработчиком и изготовителем силового оборудования. Обеспечить заданные характеристики невозможно без установки фильтров, способных погасить гармонические составляющие разного порядка.

Применение активных фильтров гармоник, достаточно дорогих и поставляемых в основном из-за рубежа, часто лоббируется заинтересованными структурами, что не вписывается в задачу максимального отхода от импорта, прописанную в стратегических документах государства.

Усложняет выбор решения также тот факт, что IEEE 1459-2010 пока остается без пояснений и нормативных документов, разработка которых лежит на Росстандарте, «Россетях», ФСК ЕЭС и т. д., в том числе не имеется согласованных терминологии и базовых формул расчета.

В то же время существует множество отечественных наработок по изготовлению пассивных фильтров гармоник, успешно справляющихся с гармониками первых порядков, наиболее интенсивными. В финансовом смысле выгода огромна:

  • относительно небольшие затраты при изготовлении;
  • простота установки;
  • выпуск российскими предприятиями, имеющими необходимые мощности и многолетний опыт разработки и изготовления.

Пассивные фильтры гармоник для силовых установок зарубежными изготовителями и многими отечественными предлагаются как «дроссели» для снижения рисков перегрузки по току конденсаторов, установленных в качестве компенсаторов реактивной мощности, в асинхронных двигателях и ШИМ-преобразователях, то есть, реальные возможности фильтров даже не предполагается использовать.

Классификация пассивных фильтров

Силовые фильтры для сетей низкого и среднего напряжения
Силовые фильтры для сетей низкого и среднего напряжения

Проектирование пассивных фильтров производится на основании проведенного (или расчетного) энергоаудита (энергетического обследования) объекта, когда определен спектр, интенсивность высших гармоник. Грамотно рассчитанный фильтр нивелирует эмиссию и трансмиссию гармонических составляющих на заданных участках сети.

Принцип действия пассивных фильтров гармоник

Пассивный фильтр гармоник
Пассивный фильтр гармоник

Схема пассивного фильтра гармоник – обычная RLC цепочка (сопротивление, катушка индуктивности, конденсатор). Энергия электрического поля, выдаваемая конденсатором при разряде, преобразуется в энергию магнитного поля, воздействующего на катушку индуктивности, где возникает противодействующая ЭДС, приводящая к зарядке конденсатора. Количество циклов ограничивается полным затуханием колебаний в результате потери энергии на активном сопротивлении.

Емкостное (реактивное) сопротивление контура ХC=1/2πfС=1/ωС, индуктивное (реактивное) ХL=2πfL=ωL (угловая частота ω=2πf), а модуль комплексного сопротивления контура:

Формула

Из общей формулы вытекает, что комплексное сопротивление контура может носить как емкостной, так и индуктивный характер, поскольку с возрастанием частоты индуктивная составляющая растет, а емкостная снижается:

График зависимости комплексного сопротивления от частоты
График зависимости комплексного сопротивления от частоты

Для контура с заданными значениями L и C существует частота f0 (резонансная), при которой реактивные сопротивления становятся одинаковыми: ХC=1/2πf0C=ХL=2πf0L, то есть комплексное значение сопротивления |Z|сравнивается с активным R. В этом случае токи резонансной и близких к ней частот будут идти через контур, где они будут гаситься активным сопротивлением цепочки. Для частот, превышающих резонансную, контур выступает в роли насыщающегося реактора с ослабевающими гармоническими колебаниями, для частот ниже резонансной работает в качестве компенсатора реактивной мощности. Для высоких (относительно резонансной) частот процесс имеет индуктивный характер, для низких – емкостной. График показывает зависимость между «номерами» гармоник и комплексным сопротивлением контура:

Электрическое сопротивление для гармонических процессов
Электрическое сопротивление для гармонических процессов

Принцип действия резонансного контура принят за основу при расчете и изготовлении большинства пассивных шунтирующих фильтров, которые устанавливают в силовые сети параллельно. Важно правильно выбрать резонансную частоту, значение которой должно соответствовать частоте гармоники с максимальной амплитудой. Рекомендации по выбору безопасных частот резонанса для телекоммуникационных каналов, промышленных или аналогичных им сетей, изложены в IEC 61642.

Основным задающим элементом пассивного фильтра (контура) считают индуктивность, емкость конденсатора подбирают таким образом, чтобы получить требуемую резонансную частоту. Мощность фильтра задается исходя из величины нагрузки и амплитуды шунтируемых токов.