Гармоник: пассивные фильтры

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.

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

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

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 Х_C=1/2πfС=1/ωС, индуктивное (реактивное) Х_L=2πfL=ωL (угловая частота ω=2πf), а модуль комплексного сопротивления контура:

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:

Для контура с заданными значениями L и C существует частота f₀ (резонансная), при которой реактивные сопротивления становятся одинаковыми: Х_C=1/2πf₀C=Х_L=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:

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.

ПОДПИШИТЕСЬ НА НАШИ НОВОСТИ

Убрать из рассылки