Хармоници в електроенергийните мрежи. Част 3
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2014
Част 3. Методи за намаляване съдържанието на хармониците в електрическите инсталации.
В предишната, втора част на статията, се спряхме на влиянието на изкривяванията върху електрическите уредби и консуматорите, както и на мерките за предотвратяване на вредното въздействие на хармониците чрез оразмеряване на електрическите съоръжения.
В третата, последна част на материала ще бъдат разгледани методите за намаляване съдържанието на хармониците в електрическите инсталации чрез прилагане на технически средства.
Използване на трансфор-матори с подходяща група на свързване за елиминиране на хармоници
Най-разпространено е елиминирането на кратните на 3 хармоници чрез използване на трансформатори със схема на свързване триъгълник-звезда (фиг. 1a). Кратните на 3 хармоници, предавани от нелинейните товари на вторичната страна, циркулират в триъгълника на първичната, като по този начин разпространението им “нагоре” от трансформатора се ограничава. Ограничаването е пълно тогава, когато генерираните в трите фази хармоници са еднакви.
Друг вариант е използването на трансформатор със схема на свързване триъгълник-зиг-заг или звезда-зиг-заг – фигура 1б. При него във всяка от фазите на намотката зигзаг става взаимно компенсиране на кратните на три хармоници, така че те не се разпространяват към първичната намотка. И в този случай компенсирането е пълно само тогава, когато генерираните в трите фази хармоници са еднакви.
Друга форма на компенсиране на определени хармоници е схемата на 12-фазния диоден изправител, показана на фиг. 2. При тази схема се използват два трансформатора, чиито групи на свързване осигуряват 30-градусово дефазиране между едноименните фази на вторичните им намотки.
По този начин се осигуряват както по-малки пулсации на изправеното напрежение, така и взаимно компенсиране на 5-и и 7-и хармоник, генерирани от изправителя. Последното се получава благодарение на факта, че тези два хармоника се явяват в противофаза на шините на първичното напрежение на трансформаторите.
Пасивни филтри за елиминиране на хармониците
Филтрите могат да бъдат свързвани непосредствено пред товарите или на шините на разпределителните устройства. В първия случай се осигурява разтоварване от хармоници на уредбата като цяло, включително на захранващите проводници на нелинейните консуматори.
Също така филтри могат да се свързват непосредствено пред товари, които са чувствителни към хармониците, за да намалят съдържанието на такива в захранващото напрежение, подавано към консуматора.
При свързване към шините на разпределителните устройства се осигурява разтоварване по ток на висшестоящите части на уредбата, а също така се намаляват изкривяванията на напрежението на шините на таблото, с което се ограничава въздействието на хармониците върху всички консуматори. Това се постига само с едно филтърно устройство, което решение е подходящо за случай на мрежа с множество нелинейни товари.
В зависимост от начина си на свързване и от схемата си филтрите биват различни типове:
Последователни филтри:
• Дросели, свързани последователно към товара. Те намаляват съдържанието на хармониците благодарение на факта, че импедансът на дросела се увеличава с увеличаване на честотата. Съответно, ефективността им по отношение на хармоничните съставки с ниски номера, които са и най-проблемните, не е особено висока.
• Последователни резонансни филтри. Състоят се от паралелно свързани LC групи с резонансна честота, равна на честотата на хармоника, който трябва да се филтрира. Токовете с тази честота циркулират в LC групата и не преминават нагоре от нея. Един филтър може да се състои от няколко групи, като така се филтрират няколко хармоника.
Могат да се поставят на фазните проводници, захранващи нелинейните товари, а могат да се поставят и на неутралния проводник на трифазна линия, захранваща еднофазни консуматори, с цел ограничаване разпространението на трети хармоник във висшестоящите части на уредбата.
Паралелни филтри:
• Паралелни зиг-заг филтри, включени към шините на разпределително табло. Ограничават разпространението на трети хармоник във висшестоящите части на уредбата, като осигуряват затворен контур с нисък импеданс за циркулацията им през себе си и долустоящите фазни и неутрален проводник. Схемата е показана на фиг. 3.
• Паралелни резонансни филтри. Състоят се от последователно свързани LC групи с резонансна честота, равна на честотата на хармоника, който трябва да се филтрира. Могат да се поставят няколко паралелни филтъра от този вид за филтриране на няколко хармоника. Могат да се монтират както непосредствено пред нелинеен товар, така и на шините на разпределителното табло.
Последователните филтри трябва да бъдат оразмерени както за пълния работен ток, така и за тока на късо съединение на линията, към която са свързани. Затова те намират приложение предимно като монтирани непосредствено пред малки единични товари. Обикновено този вид филтри се проектират от производителите на електронните устройства и се вграждат в тях.
От своя страна, през паралелните филтри протичат само токовете на хармониците, които се филтрират. Това прави размерите и цената им значително по-малки. Освен това паралелното свързване е физически по-лесно осъществимо, дори се предлагат малки филтри, достатъчни за един или няколко компютъра, които се включват директно в контакт на инсталацията.
Така паралелните резонансни филтри намират приложение както в малки, готови за домашна и офис употреба устройства, така и като големи филтри за монтиране пред големи нелинейни товари или на шините на разпределителни устройства.
Във втория случай е нормално филтърът да се избира от собственика (проектанта) на уредбата, така че да съответства на конкретния хармоничен спектър. От тази гледна точка, а също така и по причина, че този тип филтри са може би икономически най-изгодното решение, ще разгледаме в малко повече детайли техните особености.
Принципът на действие на паралелните резонансни филтри се основава на същата зависимост като тази, определяща честотата на последователния резонанс при кондензаторните батерии с антирезонансен дросел, разгледани по-горе.
Само че, докато в онзи случай целта е да се предотврати резонанс, при резонансните филтри целта е точно обратната – LC групата се избира с резонансна честота, равна на хармоничната честота, която трябва да се филтрира. В резултат токовете с тази честота се отвеждат през филтъра, който представлява нищожно съпротивление за тях.
По този начин се разтоварват по ток висшестоящите елементи на уредбата и се намаляват общите хармонични изкривявания на напрежението.
Основните параметри на паралелните резонансни филтри са:
fr - резонансна честота;
f1 - честота на основния хармоник (50 Hz);
nr= fr/ f1 - хармоничен номер на резонансната честота;
C, L, R - съответно капацитет на кондензатора, индуктивност и съпротивление на дросела;
QVAR=nr2/(nr-12)xU12xCx2pf - генерирана от филтъра реактивна мощност (тя може да се вземе предвид като мощност, която се добавя към реактивната мощност, генерирана от кондензаторните устройства за компенсация на реактивна мощност);
X0=Ц(L/C) - характеристичен импеданс;
q= X0/R - коефициент на качеството на филтъра;
BP=1/q - честотна лента на филтъра.
Връзката между честотната лента и качеството на филтъра е илюстрирана на графиката на фиг. 4. Филтърът е толкова по-ефективен, колкото по-голям е коефициентът на качеството му, т. е., когато активното му съпротивление е малко. Тогава филтрирането на дадената честота е по-пълно, но за сметка на това честотната лента на филтъра е по-тясна (параболата, показана на фигурата става по-стръмна).
Тогава всяка флуктуация било на мрежовата честота, било на параметрите на филтъра (C, L), например поради изменение на температурата, води до излизане на хармоничната честота извън честотната лента на филтъра. Ето защо се търси компромис между качеството на филтриране и ширината на честотната лента.
Тази схема - последователна LC група се нарича резонансен филтър от първи ред. Съществуват още и резонансни филтри от втори и по-висок ред. При тях има допълнителни демпфериращи активни съпротивления. Примерни схеми са показани на фиг. 5. При тези филтри ефективността на филтриране е по-ниска, за сметка на широката честотна лента.
Те са подходящи за уредби с широк хармоничен спектър, където поставянето на голям брой филтри с тесни честотни ленти, настроени на определени честоти, е неизгодно. Филтрите от по-висок ред са особено подходящи за електродъгови пещи с техния непрекъснат честотен спектър.
Активни филтри за елиминиране на хармониците
Принципът на действие на този тип филтри се състои в генериране на токове или напрежения с хармонични честоти с амплитуди, равни на тези, разпространявани в защитаваната линия и в противофаза на тях. Активните филтри, също като пасивните, могат да се монтират пред консуматорите или на шините на разпределително устройство и също биват последователни и паралелни.
По същите причини, както и при пасивните филтри – необходимостта от оразмеряване по пълен работен ток и по ток на късо съединение на линията, последователни активни филтри намират много малко приложение и не са налични като серийно-произвеждани устройства.
Структурната схема на един паралелен активен филтър е показана на фиг. 6.
Основният елемент на филтъра – обратимият инвертор, представлява трифазен мостов транзисторен преобразувател. Принципни схеми на двата варианта - инвертор на напрежение (по-разпространената схема) и инвертор на ток, заедно с входящите филтри са показани на фиг. 7.
За да бъде ефективно филтрирането, импедансът на филтъра трябва да се съгласува с този на източника на хармоници, стоящ зад него. За целта, когато е нужно (например когато на входа на консуматора има изправител с паралелно включен кондензатор на страна DC), между консуматора и филтъра се добавя последователно свързан дросел.
Голямото предимство на активните филтри е в това, че са адаптивни - изработваните от тях хармоници се изменят постоянно с измененията на измерените в защитаваната линия хармоници. Ефективността на действие на филтъра следователно зависи от прецизността и бързодействието на схемата за управление. За линии, в които измененията в хармоничния спектър протичат бавно, се използват схеми, извършващи анализ на Фурие.
Такива схеми работят много добре с консуматори от типа на UPS-и, като успяват да покрият както работните вариации, така и бавни преходни процеси. При товари с много бързи вариации, каквито са например честотните преобразуватели за електродвигатели, използването на управление с Фурие-анализ дава незначителни резултати.
В такива случаи се използват специални схеми с управление в реално време. Въпреки това ефективността на потискане на хармониците е по-лоша, отколкото при товарите с бавно изменение на честотния спектър.
В допълнение към основната си функция - потискане на хармониците, активните филтри могат да осъществяват и компенсация на реактивната мощност. За целта те трябва да са оразмерени за сумата от тока на хармониците и на компенсиращия реактивен ток.
Удачно е комбинирането на паралелни активни и пасивни резонансни филтри.
Пасивните филтри се поставят между активния филтър и нелинейния консуматор (вж. фиг. 8a). Така пасивните филтри облекчават натоварването на активния филтър, като не допускат до него хармониците с честоти, равни на резонансните си честоти.
Друга подходяща комбинация е последователното свързване на активен филтър във веригата на паралелния резонансен филтър през междинен трансформатор, както е показано на фиг. 8б. Така свързаният активен филтър подобрява значително ефективността на резонансния филтър, като напълно компенсира затихването в активното съпротивление на последния, без при това да е нужно той да бъде с тясна честотна лента.
Освен това активният филтър може да предотврати възникването на паралелен резонанс в системата. Недостатъкът на схемата е, че не се филтрират ефективно честоти, далечни от тези на резонансната честота на пасивния филтър.
При всички случаи на комбиниране на активни и пасивни резонансни филтри стои въпросът за правилния избор на пасивните филтри, което изисква предварителен анализ на мрежата. От друга страна, използването само на активни филтри е по-универсално решение, при което обаче е необходима по-голяма мощност на филтъра.
Вижте още от Електроапаратурa
Ключови думи: хармоници, електроразпределителни системи, пасивни филтри за хармоници, активни филтри за хармоници, оразмеряване на електрически съоръжения, нелинейни товари, фактор на мощността
Новият брой 5/2024
