ПАССИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИКИ

​АННОТАЦИЯ

Cистема электроснабжения, компенсация реактивной мощности, высшие гармоники, пассивный фильтр гармоник.

Ключевые слова: МРМ-Ш, модернизация, мобильное рабочее место.

В настоящее время в гармоническом составе тока систем электроснабжения промышленных предприятий наблюдается увеличение доли высших гармоник. Это объясняется увеличением мощности электроустановок с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Компенсация реактивной мощности может быть выполнена синхронными двигателями (СД) при их наличии на шинах РУ-10 кВ. В случае незначительной реактивной мощности возможна установка батарей конденсаторов (БК). Если нагрузка имеет нестабильный характер потребления реактивной мощности, целесообразно применение УАКРМ – устройств автоматической компенсации реактивной мощности. При необходимости компенсации значительной реактивной мощности (несколько десятков МВАр) довольно часто применяются синхронные компенсаторы (СК).

В состав нагрузки НГ-1 входит как линейная, так и значительная нагрузка с нелинейной характеристикой. Последнее обуславливает наличие высших гармоник тока и напряжения в рассматриваемой схеме. С целью снижения доли высших гармоник довольно часто применяются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) в виде пассивных фильтров гармоник.

Пассивные фильтры одновременно с подавлением гармоник выполняют функцию компенсирующего устройства и регулятора напряжения.

В настоящее время большое внимание уделяется активным фильтрам гармоник (АФГ). Данные устройства позволяют компенсировать высшие гармоники в системах электроснабжения с резкопеременной нелинейной нагрузкой за счет изменения своих характеристик в зависимости от режима работы сети. Применение АФГ ограничивается их сложностью и высокой стоимостью. Использование силовых активных фильтров экономически нецелесообразно в случае мощной нелинейной нагрузки.

Большой интерес представляет гибридный фильтр гармоник, когда АФГ применяется в сочетании с пассивными фильтрами гармоник. В этом случае активный фильтр небольшой мощности используется для регулирования характеристик пассивных устройств. Как правило, мощность АФГ в составе такого гибридного фильтра примерно на порядок меньше мощности пассивной части.

В рассматриваемой статье выполнен анализ работы пассивного фильтра гармоник, на основе которого разработана эффективная методика определения его параметров, отличающаяся простотой и малым объемом расчетов при обеспечении высокой точности результатов по резонансной частоте звеньев и генерируемой реактивной мощности.

Рассмотрим узкополосный пассивный фильтр гармоник (рисунок к), состоящий из параллельно соединенных L–C звеньев – реактор-конденсатор (вторая каноническая схема Фостера).

Рисунок 1. Схема пассивного фильтра гармоник

Каждое из звеньев Li–Ci рассчитано на подавление определенной гармоники канонического ряда (как правило, гармоник порядка n < 20). Результирующее сопротивление каждого i-го звена для резонансной гармоники порядка nр=¦р /¦0 (¦р – резонансная частота звена; ¦0 – основная частота сети – 50 Гц) близко к нулю, т.е.

 - сопротивления элементов звена (реактора и конденсатора) току резонансной гармоники.

Таким образом, на резонансной частоте справедливо равенство

Значения и  определяются через соответствующие сопротивления току резонансной гармоники

В соответствии с равенством (3) сопротивление определяется выражением

С учетом  > 1 можно заключить, что сопротивление звена имеет емкостный характер ( < 0), При этом соотношение между сопротивлениями удовлетворяет условию  < .

В соответствии с этим ток звена опережает приложенное напряжение на 90° (в предположении, что активные сопротивления реактора и конденсатора равны нулю). Если принять вектор напряжения направленным по действительной оси комплексной плоскости, то вектор тока будет направлен по мнимой. В этом случае справедливо равенство:

Таким образом, напряжение на конденсаторе зависит от падения напряжения на реакторе

Полученное выражение свидетельствует, что напряжение на конденсаторе пассивного фильтра высших гармоник больше, чем приложенное к звену (фильтру) значение, на величину падения напряжения на реакторе. В результате конденсатором в составе фильтра генерируется большая реактивная мощность, чем в отдельности (без реактора):

Реактивная мощность, генерируемая фильтром, через индуктивности и емкости звеньев рассчитывается по выражению

где  – номинальное линейное напряжение сети; m – количество звеньев фильтра.

Расчет параметров пассивного фильтра целесообразно выполнить в два этапа. На первом этапе определяются значения индуктивностей   и емкостей  нач каждого звена с учетом резонансных гармоник . Для этого в качестве исходных параметров произвольно принимаются значения индуктивностей  (или емкостей ) звеньев.

Второй этап заключается в уточнении полученных значений индуктивностей и емкостей звеньев с учетом необходимой (планируемой) реактивной мощности фильтра: – согласно выражению (6) рассчитывается генерируемая реактивная мощность фильтра с параметрами Li нач и , определенными на первом этапе – .

На рисунке 2 приведена зависимость сопротивления пассивного фильтра от частоты. На частотах, соответствующих резонансным гармоникам звеньев фильтра (5-, 7-, 11- и 13-я гармоники), сопротивление фильтра равно нулю. В результате этого происходит шунтирование токов указанных гармоник.

Рисунок 2. Зависимость сопротивления фильтра от частоты

Выводы. 1. Сопротивление звена пассивного фильтра току основной гармоники имеет емкостный характер, т.е. пассивный фильтр является источником реактивной мощности.

2. L–C звеном пассивного фильтра гармоник генерируется большая реактивная мощность, чем отдельным конденсатором C. Это объясняется, с одной стороны, меньшим сопротивлением L–C звена, чем сопротивление входящего в него конденсатора, с другой стороны, увеличением напряжения на конденсаторе за счет разного характера сопротивлений индуктивности и емкости.

3. Резонансная частота звена фильтра не изменится, если увеличить (уменьшить) емкость конденсатора и уменьшить (увеличить) индуктивность реактора в K раз. Указанная зависимость резонансной частоты от параметров звена позволяет подобрать такие значения индуктивностей и емкостей звеньев, которые обеспечивают минимальную стоимость пассивного фильтра.

4. Реактивную мощность, генерируемую отдельным звеном фильтра, можно регулировать без изменения резонансной частоты данного звена за счет изменения емкости конденсатора при одновременной коррекции индуктивности реактора.

Список литературы:

1. Егоров Д.Э., Довгун В.П. Оптимизация компенсационных характеристик гибридных силовых фильтров // Технология электромагнитной совместимости. 2016. № 3(58). С. 18–26.
2. Михеев Г.М., Атаманов М.Н., Афанасьева О.В., Дрей Н.М. О компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с косинусными конденсаторами // Электротехника. 2019. № 4. С. 32–41.
3. Селезнев А.С., Кондрат С.А., Третьяков А.Н. Об эффективности применения фильтров при нормализации несинусоидальных режимов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 8. С. 177–183.