Анонс: Фильтры для устранения гармонических возмущений в силовой сети, их особенности, преимущества, недостатки. Что такое и как работает пассивный фильтр гармоник.
Справка: этот материал продолжает цикл статей от компании «МИРКОН» «О реактивной мощности и гармониках для дилетантов в электроэнергетике».
В целом (упрощенно) все фильтры гармоник можно условно разделить на пассивные и активные, учитывая их принцип действия по фильтрации гармонических возмущений, а также возможности контроля и управления процессом.
Пассивные фильтры в чем-то сходны с конденсаторной батареей или нерегулируемой установкой повышения коэффициента мощности – они подключаются в силовую сеть и «дежурят» там, выполняя свою, определенную проектированием, задачу, как правило, по устранению одной (или небольшого числа) гармоник. Активные фильтры гармоник (АФГ) работают с большим спектром частот (до 40-го или 50-го порядка), отслеживая в реальном времени (active monitoring), и нивелируя критические по амплитудам гармоники, причем сам способ устранения гармонических искажений у них совершенно иной, чем у пассивных фильтров.
Кроме того, кардинально различаются пассивные фильтры гармоник и АФГ по:
- конструкции. Если пассивный фильтр упрощенно сборка из конденсатора (конденсаторов) и реактора, то АФГ – блок управления на полупроводниках, силовой блок с преобразователем (инвертором), трансформаторами, аккумуляторами энергии (теми же конденсаторами, реакторами), полупроводниками, микросхемами, принудительным охлаждением и т.д.;
- цене, что в целом и неудивительно исходя из конструктивных различий, а также очень высокой стоимости используемых биполярных транзисторов, которых в АФГ тем больше, чем выше мощность и более емкий частотный спектр устраняемых гармоник.
Важно: текущие проблемы с импортом АФГ при всех недостатках дефицита на рынке можно признать позитивными, как для отечественных разработчиков активных фильтров гармоник (включая компанию «МИРКОН»), так и самих покупателей – владельцев и менеджментов русских предприятий. Так, типичный подход зарубежных производителей к поставкам АФГ заключался в том, что покупатель вне зависимости от числа требуемых к устранению гармоник был вынужден покупать весь «пакет» в 40 или 50 порядков частот, а часто в «довесок» и с веткой для компенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте (50 Гц). Т.е., по сути, это то же, если для перевозки одного чемодана в аэропорту человеку вместо ручной тележки предлагают использовать тягач с прицепами для доставки багажа.
Безусловно, можно настроить АФГ на устранение одной, двух, пяти и т.д. гармоник, но платить приходится за все 40 или 50 (в очень редких случаях за 20), что выгодно производителю, но отнюдь не покупателю. Наряду с этим, сегодня у отечественных разработчиков можно заказать АФГ под определенный спектр частот, по желанию с возможностью компенсации реактивной мощности или без, а это дает существенную экономию при безусловной финансовой выгоде устранения гармонических возмущений.
Что такое и как работает пассивный фильтр гармоник
Наиболее популярные в низковольтных силовых сетях пассивные фильтры гармоник – колебательные контура из последовательно соединенных конденсаторов (емкости) и реактора (индуктивности). Формально (по IEC 61642) выделяют настроенные (tuned), расстроенные (detuned) и демпфирующие (damped) фильтры, которые на практике делят на Single-tuned filters (настроенные на одну частоту – гармонику) и Band-pass filters (полосовые, устраняющие искажения на полосе частот).
Справка: расстроенные (detuned filter) или «антирезонансные» фильтры отличаются от настроенных только интервалом настройки контура, но работают одинаково – с одной гармоникой, а полосовые фильтры устраняют и критическую гармонику, и гармоники выше порядком, хотя эффективность их работы уменьшается с возрастанием порядка частоты.
Принцип работы пассивного фильтра заключается в том, что после выявления критической (по амплитуде) гармоники при проектировании подбирается пара конденсаторы-реактор так, чтобы их общее сопротивление на проблемной частоте было минимальным и ниже сопротивления в самой силовой сети. Поскольку ток всегда идет по пути меньшего сопротивления, то ток гармоники уходит в контур пассивного фильтра и, по сути, попадает в ловушку – он «мечется» между индуктивностью реактора и конденсаторами, преодолевая их сопротивление и постепенно «угасает».
В однонастроенных фильтрах «заманивают» и устраняют одну гармонику, в полосовых – гармонику настроенной и частот более высоких порядков, для снижения рисков перегрузки конденсаторов по току в схему включают резистор. В качестве более эффективных, чем полосовые, часто используют многозвенные фильтры, в которых каждое звено – пассивный фильтр, настроенный на свою частоту, например, 5, 7, 9, 13 и т.д.
Важно: поскольку пассивные фильтры построены на конденсаторах, то они всегда обеспечивают компенсацию реактивной мощности в степени, определяемой величиной вольтамперного сопротивления и напряжением используемой конденсаторной батареи. Значит при проектировании пассивного фильтра или же конденсаторной установки повышения коэффициента мощности, нужно учитывать их вклад в компенсацию реактивной энергии на фундаментальной частоте, что позволит избежать перекомпенсации со всеми ее негативами для силовой сети.
Об активных фильтрах гармоник доступным языком в следующих материалах цикла.
Больше интересных и полезных публикаций вы найдёте здесь: https://www.elec.ru/publications/