Активни и пасивни филтри за хармоници

Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8/2023 > 30.11.2023

  • Хармоничното изкривяване се причинява от нелинейни товари в електроенергийната система, при които токът не е пропорционален на приложеното напрежение

  • Прилагането на кондензатори за корекция на фактора на мощността може потенциално да усили хармоничните токове от нелинейните товари

  • Пасивните филтри се използват широко и са относително достъпни в сравнение с други средства за елиминиране на хармонично изкривяване

 

Хармоничните изкривявания се причиняват от нелинейни товари в електроенергийната система, при които токът не е пропорционален на приложеното напрежение. Терминът хармоници често се използва самостоятелно, без допълнително пояснение. Често може да са чуе, че честотното задвижване или индукционната пещ например не могат да функционират нормално поради хармоници. Необходимо е да се внимава, когато се описва хармоничен феномен и да се разбере, че има отчетливи разлики между причините и ефектите на токовите и напреженовите хармоници. Като цяло, в повечето случаи, когато терминът се използва самостоятелно по отношение на товара, се имат предвид токови хармоници, а когато се употребява по отношение на електроразпределителната система, обикновено става дума за напреженови хармоници.

 

Хармонични или преходни изкривявания

Хармоничните изкривявания често се посочват като причината за смущения, които всъщност са вследствие на преходни състояния. При измерване може да се види изкривена форма на вълната с отчетливи високочестотни компоненти. Въпреки че преходните смущения съдържат високочестотни компоненти, между тях и хармониците има отчетливи разлики и двата феномена се анализират по различен начин. Формата на вълната при преходните състояния демонстрира високи честоти само за кратко след като е имало рязко изменение в електроенергийната система. Честотите не са задължително хармоници, те са естествените честоти на системата в момента на комутация и не са свързани с основната честота на системата.

Хармониците по дефиниция се появяват в установено състояние и представляват цели числа, кратни на основната честота. Изкривяването на формата на вълната, вследствие на което се получават хармониците, е налично продължително, поне за няколко секунди. Преходните състояния обикновено се разсейват в рамките на няколко цикъла. Те се свързват с изменения в системата като например комутация на кондензаторна група, докато хармониците се свързват с продължителното функциониране на товара.

Един от случаите, в които разликата между двете явления не е толкова ясна, е пускът на трансформатори. Това е преходно състояние, но може да генерира значително изкривяване на формата на вълната в продължение на много секунди.

 

Източници на хармоници от индустриални товари

Съвременните индустриални предприятия се характеризират с широкото приложение на нелинейни товари. Тези товари могат да представляват съществен дял от общия товар на завода и да инжектират хармонични токове в електроенергийната система, водейки до хармонични изкривявания в напрежението. Този проблем се усложнява от факта, че нелинейните товари имат относително малък фактор на мощността. Индустриалните предприятия често използват кондензаторни групи, за да подобрят фактора си на мощността и да избегнат наказателни глоби. Прилагането на кондензатори за корекция на фактора на мощността може потенциално да усили хармоничните токове от нелинейните товари като по този начин нарастват резонансните условия в предприятието. Най-високото ниво на изкривяване на напрежението обикновено се наблюдава при нисконапреженовата шина на предприятието, където се използват кондензаторите. Резонансните условия водят до прегряване на двигатели и трансформатори и нарушения в нормалното функциониране на чувствително електронно оборудване.

 

Локализиране на източниците

При радиалните електроразпределителни фидери и електроенергийните системи на индустриалните предприятия основната тенденция е хармоничните токове да протичат от генериращия хармоници товар към енергийния източник. Това може да бъде използвано за локализиране на източниците на хармоници. С помощта на мрежов анализатор на качеството на електроенергията, способен да засича хармоничния компонент на тока, може просто да се измерят токовите хармоници във всяко разклонение, започвайки от началото на веригата, и да се проследят хармониците до източника.

Кондензаторите за корекция на фактора на мощността могат да изменят тази тенденция за поне един от хармониците. Например, добавянето на кондензатор към предходната верига може да доведе до изтегляне на голяма част от хармоничния ток в този участък. В такава ситуация, проследяването на пътя на хармоничния ток ще доведе до кондензаторната група вместо до действителния източник на хармоници. Затова обикновено е необходимо временно да се разединят всички кондензатори, за да може надеждно да се локализират източниците на хармоници.

В повечето случаи е лесно да се направи разграничение между токовите хармоници, породени от действителни източници на хармоници, и токовите хармоници, които се дължат само на резонанс, свързан с кондензаторни групи. Резонансният ток обикновено се характеризира само от един доминантен хармоник върху основната синусоидална вълна. Нито един от типичните източници на хармоници не генерира само една-единствена хармонична честота в допълнение към основната. Формите на вълните на тези източници на хармоници са произволни в зависимост от смущаващото явление, но всички те съдържат няколко хармоници в значителни количества.

Този факт може да се използва, за да се определи дали е вероятно да има проблеми с хармоничен резонанс в система с кондензатори. Трябва просто да се измери токът в кондензаторите – ако той съдържа много голямо количество от една хармонична честота, то вероятно кондензаторът участва в резонансна верига в рамките на електроенергийната система.

Друг метод за локализиране на източници на хармоници е да се обвържат времевите вариации на напреженовото изкривяване със специфичните характеристики на клиента и товара. Моделите от измерванията на хармоничното изкривяване могат да бъдат сравнени с конкретни типове товари, като електродъгови пещи и масови преходни състояния, които се появяват периодично. Чрез корелация на времето от измерванията и действителното време на работа може да бъде идентифициран източникът на хармоници.

 

Принципи за контролиране на хармоници

Хармонично изкривяване има в някаква степен във всички електроенергийни системи, но като цяло контролирането му се налага само когато то се превърне в проблем. Има три основни причини за проблемите с хармоници: източникът на токови хармоници е прекалено голям; трасето, по което протичат токовете, е прекалено дълго; реакцията на системата усилва един или повече хармоници до нива, които не могат да бъдат толерирани.

При възникване на проблем основните опции за контролиране на хармониците са: редуциране на токовите хармоници, генерирани от товара; добавяне на филтри, които или да разтоварят токовите хармоници от системата, блокират токовете от навлизането им в системата, или да доставят токови хармоници локално; модифициране на честотния отговор на системата чрез филтри, индуктивни елементи или кондензатори.

 

Филтриране

Шунтовият филтър работи като окъсява хармоничните токове възможно най-близо от практична гледна точка до източника на изкривяване. Това поддържа токовете извън снабдителната система. Този начин на филтриране е най-широко разпространеният поради икономически съображения и защото освен за отстраняване на токовите хармоници допринася и за корекция на фактора на мощността на товара.

Друг подход е да се приложат последователни филтри, които блокират хармоничните токове. Този подход не се използва често, тъй като изолацията е трудна и товаровото напрежение е много изкривено. Разпространено приложение е в кондензатор, свързан в звезда със заземена неутрала, за да се блокира протичането на тройни хармоници, като същевременно се запазва доброто заземяване при основната честота.
Активните филтри работят като електронно доставят хармоничния компонент на тока в нелинеен товар.

 

Пасивни филтри

Пасивните филтри са индуктивни, капацитивни и съпротивителни елементи, конфигурирани и настроени да контролират хармониците. Те се използват широко и са относително достъпни в сравнение с други средства за елиминиране на хармоничното изкривяване. Техен недостатък обаче е възможността за вредни взаимодействия с електроенергийната система, поради което е важно при проектиране да се провери за потенциала за възникване на такива взаимодействия. Пасивните филтри се използват или за да отклонят хармоничните токове, или за да блокират протичането им между два участъка на системата чрез настройване на елементите за създаване на резонанс при избрана честота.

Най-разпространеният тип пасивен филтър е стъпалният филтър с една зададена характеристика. Този филтър е последователно настроен да осигурява нисък импеданс на определен токов хармоник и е свързан успоредно с електрозахранващата система. По този начин хармоничните токове се отклоняват от нормалната си траектория по линията през филтъра. Стъпалните филтри могат да предоставят и корекция на фактора на мощността.

Последователните филтри се свързват последователно с товара. Индуктивността и капацитетът са свързани успоредно и са настроени да подават висок импеданс при избрана хармонична честота. Високият импеданс блокира протичането на хармоничните токове само при зададената честота. При основната честота филтърът предоставя нисък импеданс, позволявайки протичането на основния ток с минимален допълнителен импеданс и загуби. Последователните филтри се използват за блокиране на единични хармоници (например от трети ред) и са особено полезни в еднофазни вериги.

При редица условия на електроенергийната система хармоници могат да се появят не само при една честота, а и да се разпространят в широк честотен диапазон. Идеалното решение в тези случаи е използването на филтри, пропускащи ниските честоти. Ток с честотни компоненти под граничната честота на филтъра може да протече, докато ток с честотни компоненти над граничната стойност се филтрира.

C-филтрите също редуцират множество хармонични честоти едновременно в индустриални и комунални системи. Те могат да потиснат широк диапазон от хармонични честоти, генерирани от електронни преобразуватели, индукционни пещи и др. Този тип филтри се използват за хармоници от нисък ред – втори или трети. Те имат по-ниски загуби в сравнение нискочестотните и последователните филтри. Състоят се от четири пасивни компонента – два кондензатора, индуктивен елемент и резистор.

 

Активни филтри

Активните филтри са относително нов тип устройства за елиминиране на хармоници. Те са базирани на усъвършенствана силова електроника и са много по-скъпи от пасивните аналози. Те обаче притежават отличително предимство – не взаимодействат със системата.

Този тип филтри могат да работят независимо от импедансните характеристики на системата. Това позволява те да бъдат използвани при обстоятелства, в които пасивните филтри не могат да функционират успешно заради успоредни резонансни проблеми. Активните филтри също могат да се справят с повече от един хармоник наведнъж, както и с други проблеми с качеството на електроенергията, например примигване. Те са особено полезни за големи, изкривяващи товари, захранвани от сравнително слаби точки на електроенергийната система.

Основната идея е да се замени участъкът от синусоидалната вълна, който липсва в тока в нелинейния товар. Електронно управление следи напрежението и/или тока по линията и комутира силовата електроника много прецизно, за да следи тока или напрежението на товара и да ги принуди да бъдат синусоидални. Има два основни подхода – единият използва индуктивен елемент за съхранение на ток, който да бъде подаден в системата в подходящ момент, а при другия се използва кондензатор.

Следователно, докато товаровият ток е изкривен до степента, изисквана от нелинейния товар, токът, отчитан от системата, е много по-синусоидален. Активните филтри обикновено могат да бъдат програмирани и за корекция на фактора на мощността.


Вижте още от Електроапаратурa


Ключови думи: активни филтри, пасивни филтри, хармоници, хармонични изкривявания



Новият Специален брой: Иновации за автомобилната индустрия - оборудване и технологии/2024

Специален брой: Иновации за автомобилната индустрия - оборудване и технологии-2024

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top