Современная нормативно-техническая база, в том числе международные стандарты, содержит общепринятую терминологию в области применяемых в силовых сетях пассивных фильтров, настроенных, расстроенных и демпфирующих.

пассивный фильтр

Какими бывают пассивные фильтры

В силовой электронике, на основании IEC 61642, пассивному фильтру дано определение как устройству, состоящему из конденсаторов, реакторов и, при необходимости, резисторов. Настроенный фильтр отличает диапазон настройки частоты в пределах, не превышающих 10% от фильтруемой. Расстроенный имеет более широкий диапазон, который должен максимально погасить гармоники (ориентир – 5-15% от частоты самой малой по порядку, чаще 5-й или 7-й, гармоники). Демпфирующий фильтр – широкополосный, захватывает большинство гармонических составляющих благодаря низкому комплексному сопротивлению.

В отличие от активных фильтров гармоник, в которых происходит генерация токов в противофазе токам гармоник, пассивные фильтры основаны на способе сглаживания гармоник за счет изменения реактивной составляющей (емкостной и/или индуктивной) сопротивления в зависимости от частоты.

Фактически, пассивные фильтры представляют собой RLC-цепи, соединенные в колебательный контур, работающий по принципу резонанса напряжений, реже – резонанса токов. Рассчитываются контуры для нечетных гармоник, начиная с 5-й. Гармоники, кратные 3-м, в расчет не принимаются. Исключение может составлять сама 3-я гармоника, наблюдающаяся между фазным и нейтральным проводами, амплитудное значение которой необходимо снизить. При расчете демпфирующих фильтров (рис. 2) учитывают неканонические гармоники.

Демпфирующие фильтры: 1 — 2-го порядка, 2 — 3-го порядка, 3 — С-типа, 4 — двойного типа
Демпфирующие фильтры: 1 — 2-го порядка, 2 — 3-го порядка, 3 — С-типа, 4 — двойного типа

В современных сетях промышленного назначения чаще всего применяют резонансные фильтры с LC-цепочками, подключаемые к сети по схеме «звезда» или «треугольник». Чаще выбирают «звезду».

Настроенные пассивные фильтры с последовательным соединением реакторов, конденсаторов и включением в сеть параллельно по схеме «треугольник» (а) и «звезда» (б)
Настроенные пассивные фильтры с последовательным соединением реакторов, конденсаторов и включением в сеть параллельно по схеме «треугольник» (а) и «звезда» (б)

Чем отличается резонанс токов от резонанса напряжений

Определение и объяснение сути резонансов приведено в IEC 61642. Так, последовательное соединение емкости и индуктивности в сети приводит к снижению сопротивления при частотах, близких к резонансной. В точках присоединения нагрузки сопротивление возрастает, то есть, амплитуда гармоники в идеале стремится к нулю. Это явление – резонанс напряжений.

Последовательный резонанс напряжений в силовой сети. Импеданс при резонансе напряжений на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642
Последовательный резонанс напряжений в силовой сети. Импеданс при резонансе напряжений на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642

Параллельное соединение емкости и индуктивности дает в диапазоне, близком к резонансной частоте, резкое повышение реактивного сопротивления. Таким образом, ток повышенной амплитуды пойдет через нагрузку. Получаем резонанс токов.

Параллельный резонанс токов в силовой сети. Импеданс при резонансе токов на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642
Параллельный резонанс токов в силовой сети. Импеданс при резонансе токов на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642

Выбор пассивных фильтров для силовых сетей

В силовых сетях для подавления гармонических составляющих наиболее оправдано применение пассивных шунтирующих резонансных фильтров, которые настраиваются на частоту гармоники, имеющую наибольшую амплитуду.

Расстроенные и демпфирующие (широкополосные) фильтры, как правило, дополняют сетевое оборудование. Так, автономные колебательные LC-контуры в установках повышения мощности УКРМФ служат для защиты конденсаторов от пробоя; демпфирующие пассивные фильтры решают задачу снижения уровня гармонических составляющих в широком диапазоне, когда недостаточно точных вводных по применяемому оборудованию или необходимо исключить параллельный резонанс с УКРМ.

Проектирование резонансных фильтров начинается с измерения импеданса распределительного трансформатора, анализа частотного спектра самой сети и источника гармонических составляющих. Как правило, выявляется несколько гармоник со значительными амплитудами, и для каждой создается комплектное устройство, включающее модули-фильтры, настроенные на определенные частоты, и подсоединяемые параллельно.

Разработчик устройств вынужден учитывать, что при наличии нескольких расположенных рядом сетей возникает трансмиссия гармоник от одной сети к другой. Эти сети могут иметь и разные уровни напряжения, и разную балансовую принадлежность. Поэтому анализ гармонического спектра сети при проектировании устройств должен производиться в разных режимах нагрузки: пиковой, средней и ненагруженной. Только так удастся определить фактические значения передачи гармонических возмущений от одной сети к другой. Точные замеры позволяют предъявлять претензии к балансодержателю сети в случае выявленных нарушений по ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020.

На основной частоте резонансный фильтр, за счет конденсатора, функционирует в качестве компенсатора реактивной мощности. Об этом нельзя забывать, если в сети имеются установки повышения коэффициента мощности, чтобы избежать рисков перекомпенсации. Фильтры-модули в блоке пассивного фильтра должны подключаться последовательно, в порядке возрастания гармоник (5, 7, 11 и т. д.). При отключении начинают со «старшей».

Полное сопротивление блока пассивного фильтра из 4 резонансных контуров, настроенных на гармоники 5, 7, 9 и 11 порядков (сверху) и зависимость импеданса каждого модуля от частоты
Полное сопротивление блока пассивного фильтра из 4 резонансных контуров, настроенных на гармоники 5, 7, 9 и 11 порядков (сверху) и зависимость импеданса каждого модуля от частоты

Рекомендации по преимущественному выбору номеров гармоник для последующего шунтирования для разных типов силовых сетей приведены в IEC 61642. Например, для сетей с ШИМ-преобразователями учитывают 5, 7, 11 и 13-ую гармоники, для сетей с электродуговыми сетями, сварочными автоматами, электролизными установками основное внимание уделяют 3, 5 и 7-ой гармоникам.