+7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882

Rus Eng
Заказ обратного звонка
заказать звонок тел.: +7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882
+7 (498) 653-4068
sales@khomovelectro.ru
Отправить заявку
Компания «Хомов электро» — завод-изготовитель, имея многолетний опыт работы на рынке электротехнического оборудования по производству конденсаторных установок и налаженные прямые поставки комплектующих высокого качества для компенсации реактивной мощности от мировых производителей, — признанных лидеров в своих отраслях бизнеса, готова оперативно и качественно выполнить ваш заказ на изготовление и поставку оборудования в срок.
большой опыт работы
качество продукции
оперативность выполнения
индивидуальный подход

Активные и пассивные фильтры гармоник – применение, проблемы и тенденции


	
		
			

Краткое содержание. В этой статье рассказывается о различных областях применения, проблемах и тенденциях традиционных активных и пассивных фильтров гармоник для снижения гармонических искажений и оптимизации качества электроэнергии. Акцент делается на реальных случаях использования в промышленности пассивных резонансных фильтров и активных фильтров гармоник, проводится сравнительный анализ преимуществ и недостатков активных и пассивных фильтров.

ВВЕДЕНИЕ

В наше время высоких технологий всё более распространёнными становятся нелинейные нагрузки (частотные преобразователи, инверторы, системы бесперебойного питания, импульсные источники питания, люминесцентные и светодиодные лампы и т.п.). Из-за таких изменений в структуре нагрузки основной темой в этом десятилетии стали качество электроэнергии и снижение уровня гармоник. Проблемы, вызываемые гармониками, такие как перегрев трансформаторов и вращающихся машин, перегрузка проводников нейтрали, выход из строя конденсаторных батарей и т.п., приводят к повышению эксплуатационных расходов и также могут привести к снижению качества продукции и производительности труда. Кроме того, изменения в структуре генерации электроэнергии в сторону использования энергии ветра и солнечных батарей, которые тоже генерируют гармоники, также приводят к тому, что применение фильтров гармоник становится всё более важным для обеспечения стабильного энергоснабжения с приемлемым качеством электроэнергии.

Снизить уровень гармоник можно с использованием пассивных фильтров (составленных из конденсаторов, реакторов и резисторов) или активных фильтров (генерирующих гармоники в противофазе к гармоникам искажений и за счёт этого их уничтожающих). Хотя основные принципы работы активных фильтров были выработаны ещё в 1970-е годы, они стали привлекать к себе повышенное внимание в последние несколько лет, потому что появилась возможность использования биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и цифровых сигнальных процессоров (ЦСП). При этом разница в стоимости между активными и пассивными фильтрами становится не такой большой, как в прошлом. В этой статье сравниваются преимущества и недостатки активных и пассивных технологий фильтрации. Рассматриваются пассивные и активные решения для снижения уровня гармоник и стабилизации сети, направленные на решение проблем, которые возникают в современных областях применения и имеют тенденцию к возникновению в будущем.

ГАРМОНИКИ

В прошлом большинство нагрузок были линейными (асинхронные двигатели, нагреватели, лампы накаливания), это означает, что ток этих устройств при подключении к синусоидальному напряжению будет синусоидальным. Сейчас большинство нагрузок нелинейно (например, силовая электроника, то есть выпрямители, частотные преобразователи, импульсные источники питания, электронные лампы и т.п.), это означает, что ток через эти устройства при подключении к синусоидальному напряжению будет несинусоидальным (рисунок 1). Такие токи кроме тока основной частоты содержат токи с более высокими частотами, которые искажают форму синусоиды. Гармоники напряжения в основном возникают из-за гармоник тока. Нелинейная нагрузка непосредственно не вызывает появление гармоник напряжения, если не потребляет энергию.

”нагрузка”

Рис. 1. Сравнение временных диаграмм линейной и нелинейной нагрузки

Тем не менее, напряжение источника будет искажено гармониками тока из-за наличия импеданса источника. Если импеданс источника напряжения мал, токи гармоник будут создавать малые гармонические искажения напряжения. Мерой является коэффициент нелинейных искажений (THD), который определяется как отношение суммы всех гармонических компонентов к значению сигнала на основной частоте. Равенство (1) показывает это отношение для тока (при рассмотрении силовых систем). Для напряжения, мощности и других параметров формулы аналогичны.

”выражение”

Выражение (1) можно переписать как

”выражение”

В (2) In – действующее значение тока n-й гармоники, j = 1 подразумевает основную частоту. Поэтому THD может быть уменьшен путём уменьшения Iгармоник или увеличения Iна осн. частоте.

ПРОБЛЕМЫ И ПОТЕРИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ИЗ-ЗА ГАРМОНИК

Проблемы, возникающие из-за гармоник, - это, например, перегрев трансформаторов (К-фактор) и вращающихся машин, перегрузка нейтрали, повышенные напряжения между нейтралью и землёй, выход из строя конденсаторных батарей, срабатывания автоматических выключателей и предохранителей, неправильная работа электронного оборудования и генераторов, потери энергии и потери пропускной способности сети (неэффективная передача энергии). Эти проблемы приводят к дополнительным расходам, таким как более высокое потребление электроэнергии, расходы из-за более быстрого старения оборудования, простои оборудования, повышенные расходы на техническое обслуживание и ремонт, а также к потерям из-за снижения качества продукции и производительности (например, при увеличении брака в производстве полупроводников).

Кроме того, изменения в структуре генерации электроэнергии в сторону использования энергии ветра и солнечных батарей, которые тоже генерируют гармоники, также приводят к тому, что применение фильтров гармоник становится всё более важным для обеспечения стабильного энергоснабжения с приемлемым качеством электроэнергии. В современных ветряных и фотоэлектрических установках используются технологии преобразования, которые создают гармоники и требуют применения фильтров гармоник. Ветроэлектростанции чувствительны к слабо демпфированным резонансам, которые могут привести к усилению гармоник в сети и увеличить генерацию гармоник в ветроэнергетической установке. Допущения, принятые при моделировании гармоник, и соответствующие методы непригодны для ветроэлектростанций, так как преобразователи напряжения не являются идеальными источниками тока и большое значение приобретает импеданс сети.

ПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ГАРМОНИК

Возможные способы ослабления гармоник – это, например, увеличение тока короткого замыкания сети (снижение импеданса сети), ограничение производительности / количества одновременно работающих источников гармоник, сбалансированное подключение однофазных нагрузок к трём фазам и применение оборудования с большей пульсностью (к примеру, использование 12– или 18-пульсного частотного преобразователя вместо 6-пульсного). Однако наиболее распространёнными решениями являются использование пассивного фильтра, состоящего из комбинации конденсаторов, индуктивностей и сопротивлений (RC, RL , LC, LCQ и других), а также получающих всё более широкое распространение активных фильтров. Также применяются гибридные решения (комбинации активных и пассивных фильтров).

ПАССИВНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ

При использовании пассивного резонансного фильтра его схема настраивается на определённую частоту, то есть резонансные частоты последовательного фильтра очень близки к частотам имеющихся гармоник. При проектировании резонансного фильтра большое значение имеет тщательный анализ нагрузки и качества электроэнергии, также очень важна величина импеданса сети (рисунок 2).

”график

Рис. 2. Зависимость импеданса шинопровода системы от частоты

Как показано на рисунке 3, для резонансной фильтрации важна последовательность коммутации, она должна следовать правилу LIFO (последним пришёл – первым вышел), обратное может привести к проблемам.

”рисунок”

Рис. 3. Последовательность коммутации резонансных фильтров в соответствии с правилом LIFO

А) Пример: применение резонансного фильтра

На приведённом ниже реальном примере (рисунки 4, 5) показан резонансный фильтр для 5-й и 7-й гармоник. Он установлен в торговом центре в Китае.

”рисунок

Рис. 4. Электрическая схема подключения резонансного фильтра в торговом центре в Китае

Результаты анализа фильтра показаны на рисунке 5. Можно увидеть, что не только уменьшены токи 5-й и 7-й гармоник, но также снизились гармонические искажения напряжения с 4,8% до 1,8%. Также увеличилось значение коэффициента мощности с 0,92 до 0,99.

      РЕЗОНАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ Результат/уменьшение
Без фильтра 1 фильтр 5-й гармоники (1) вкл. 2-й фильтр 5-й гармоники (2) вкл. Фильтр 7-й гармоники (3) вкл.
11:09:30 11:10:00 11:11:00 11:11:30
Активная мощность, кВт P 1489 1494 1497 1506  
Реактивная мощность, квар Q 641 364 188 190 70,36%
Полная мощность, кВА S 1621 1538 1509 1518 6,35%
Напряжение, В U 234 235,567 237,075 238,867 2,08%
Действ. значение тока, А Irms 2266 2109 2050 2078 8,30%
Коэффициент нелинейных искажений THD-V 4,78% 3,04% 2,79% 1,78% 62,82%
Напряжение 5-й гармоники HRU5 3,83% 0,89% 0,81% 0,94% 75,38%
Напряжение 7-й гармоники HRU7 1,77% 2,32% 2,15% 0,89% 49,49%
Напряжение 11-й гармоники HRU11 1,40% 0,89% 0,86% 0,62% 56,00%
Коэффициент нелинейных искажений тока THD-I 17,68% 394,51 A 9,92% 208,25 A 9,93% 202,51 A 6,56% 135,94 A 65,54%
Ток 5-й гармоники HRI5 16,21% 361,71 A 3,85% 80,82 A 4,31% 87,90 A 5,12% 106,17 A 70,65%
Ток 7-й гармоники HRI7 4,68% 104,43 A 8,16% 171,19 A 7,99% 163,03 A 2,75% 56,98 A 45,44%
Ток 11-й гармоники HRI11 3,38% 75,47 A 2,30% 48,31 A 1,87% 38,23 A 1,13% 23,33 A 69,09%
Ток основной частоты I1 2231 2099 2040 2074 7,07%
Коэффициент мощности PF 0,92 0,97 0,99 0,99  

Рис. 5. Результаты применения резонансного фильтра в торговом центре в Китае

B) Преимущества и недостатки пассивных фильтров

Главное преимущество пассивных резонансных фильтров перед активными – это стоимость, а главный недостаток – это необходимость длительного тщательного анализа сети при проектировании для выбора правильного решения. Другим слабым местом пассивных резонансных фильтров является то, что всегда есть опасность перегрузки из-за увеличения нагрузки с повышенным содержанием гармоник и появления других источников искажений.

Пассивные фильтры имеют ограниченные возможности в отношении уменьшения сигналов на высоких частотах, то есть чем выше порядок гармоники, тем ниже эффективность фильтра. Кроме того, не так просто компенсировать гармоники в случае динамических изменений гармонических искажений.

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК

Пассивные системы коррекции коэффициента мощности могут компенсировать только несколько выбранных гармоник. При определённых условиях работы сети пассивные системы коррекции коэффициента мощности имеют тенденцию к резонансу и могут перегрузиться. Активные фильтры предназначены для уменьшения уровня гармоник нелинейных нагрузок и обеспечивают высокую динамику изменений реактивной мощности в соответствии с потребностью. Имеются разные базовые структуры активных фильтров гармоник: последовательное подключение, параллельное подключение и их комбинация. При параллельном подключении фильтр представляет собой источник тока; искажения уменьшаются путём непосредственного введения тока.

Преимуществом параллельного подключения активного фильтра гармоник является простота модификации имеющихся систем и масштабирования для стандартных измерительных трансформаторов тока. Недостатком является то, что фильтр может влиять на напряжение гармоник только косвенно, а также то, что нет возможности буферизации напряжения. При последовательном подключении активный фильтр гармоник подключается к сети через обмотку трансформатора. Преимущество этого решения состоит в том, что можно непосредственно воздействовать на напряжение гармоник и уменьшать падения напряжения, так как в такой структуре фильтр действует как источник напряжения. Недостатками являются значительно более высокая стоимость по сравнению с параллельным (шунтирующим) подключением, затруднённость модернизации имеющихся систем из-за необходимости последовательного трансформатора и затратность масштабирования из-за наличия трансформатора.

Несмотря на технические преимущества последовательно подключаемых фильтров гармоник, наиболее часто используемым решением является применение параллельных фильтров из-за их экономических преимуществ и преимуществ, связанных с простотой модернизации существующих систем и масштабирования. В этой статье основное внимание уделяется параллельно подключаемым (шунтирующим) активным фильтрам гармоник. Принцип их работы состоит в активной генерации компенсирующего тока (IAHF) в противофазе с током гармонических искажений нагрузки (ILoad), взаимной компенсации этих токов и получении в результате тока синусоидальной формы (IGrid) (3).

”функция”

Соответствующие гармонические искажения в точке подключения нейтрализуются, как показано на рисунке 6.

”гармонические

Рис. 6. Принцип работы шунтирующего активного фильтра

На рисунке 7 показаны частотные диаграммы гармонических искажений без активного фильтра и с активным фильтром, выборочно устраняющим нечётные гармоники, которые иллюстрируют улучшение THDi.

”диаграмма”

Рис. 7. Частотная диаграмма гармонических искажений: (а) – без фильтра, (b) – с активным фильтром

Одно из основных преимуществ активных фильтров гармоник кроме хорошей фильтрации благодаря широкому диапазону частот и отличным свойствам в отношении пиковых значений тока – это очень высокая динамика (то есть, быстрая реакция на изменения гармонических нагрузок).

А) Классификация шунтирующих активных фильтров

Активные фильтры гармоник могут быть разделены на 2 класса в соответствии с конфигурацией сети.

3P3W (3 фазы/3 провода). Предназначены для устранения гармоник в 3 фазах, например, 5-й, 7-й, 11-й, 13-й и так далее до 50-й. Такие фильтры не будут корректировать в нейтрали 3-ю гармонику и гармоники, кратные трём, но во многих промышленных приложениях этого не требуется.

3P4W (3 фазы/4 провода). Предназначены для устранения гармоник в 3 фазах и нейтрали, включая 3-ю гармонику и гармоники, кратные трём, к примеру, 3-ю, 5-ю, 7-ю, 9-ю, 11-ю, 13-ю и так далее до 50-й. Такой тип фильтра используется, если проводники нейтрали нагружены гармониками, например, в клиниках, центрах обработки данных, офисных и административных зданиях.

Имеются два типа активных фильтров гармоник в соответствии с конфигурацией силовой электроники: с двухуровневой топологией и трёхуровневой топологией. Как можно увидеть из схемы рисунка 8, обычная двухуровневая конфигурация содержит 6 IGBT (2 IGBT-устройства на плечо фазы и токовую цепь). В случае трёхуровневой топологии схемная конфигурация содержит 12 IGBTs (4 IGBT-устройства на плечо фазы и токовую цепь).

Трёхуровневая схема может вырабатывать 3 уровня напряжения на выходе: плюсовое напряжение шины постоянного тока, нулевое напряжение и минусовое напряжение шины постоянного тока. Двухуровневая топология может только подключать выход или к плюсовой, или к минусовой шине. Также обеспечивается более высокое качество и лучший уровень гармоник межфазного выходного напряжения, при этом снижаются требования к выходному фильтру и, соответственно, стоимость устройства. /

”схема”

Рис. 8. (а) – двухуровневая топология, (b) – трёхуровневая топология

При трёхуровневой топологии в отличие от двухуровневой должна коммутироваться только половина напряжения, это снижает коммутационные потери в транзисторе. Трёхуровневая топология характеризуется пониженным уровнем потерь в схеме и более высоким кпд, то есть лучше соответствует концепциям энергосбережения. Также в трёхуровневой топологии меньше пульсации выходного тока и в 2 раза ниже уровень переходного процесса напряжения благодаря более высокому качеству выходного напряжения (см. рисунок 9). Это повышает производительность и снижает требования к встроенному фильтру.

”напряжение”

Рис. 9. Сравнение тока и коммутируемого выходного напряжения двухуровневой (а) и трёхуровневой (b) топологий

B) Функции и тенденции развития активных фильтров

В настоящее время типовые активные фильтры имеют следующие функции:

  • фильтрация гармоник не менее чем до 50-го порядка;
  • выравнивание 3-фазной нагрузки;
  • динамическая компенсация реактивной мощности;
  • компенсация мерцаний;
  • защита от перегрузки.

Функции нового поколения активных фильтров:

  • модульная концепция;
  • кпд выше 98%;
  • частота коммутации 20 кГц и выше;
  • время отклика не более 0,1 мс;
  • цветной сенсорный дисплей;
  • передача данных по протоколам Modbus, TCP/IP;
  • компенсация отдельных гармоник;
  • уровень шума не более 60 дБ.

C) Примеры компенсации гармоник с помощью активного фильтра гармоник

Ниже рассматриваются два примера использования активного фильтра для компенсации гармонических искажений и оптимизации качества электроэнергии. Активный фильтр гармоник испытывается с разными типами электрических нагрузок и в различных областях применения. Полученные в обоих случаях результаты подробно анализируются ниже. Преимущество принципа модульной конструкции серии состоит в том, что имеется возможность увеличить мощность фильтра при возникновении в будущем такой необходимости. В шкафу имеется место для 5 модулей активного фильтра гармоник (см. рисунок 10).

”фильтр

Рис. 10. Модульная конструкция активного фильтра

Параметры приведены в таблице I.

ТАБЛИЦА I. ПАРАМЕТРЫ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ EPCOS

ПАРАМЕТРЫ И ФУНКИИ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
МОДУЛЬНОСТЬ ПОЛНОСТЬЮ МОДУЛЬНЫЙ, МОДУЛИ 60 А С ЗАЖИМАМИ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ IGBT ТРЁХУРОВНЕВАЯ ТОПОЛОГИЯ (ПОТЕРИ МОЩНОСТИ НИЖЕ, ЧЕМ ПРИ ДВУХУРОВНЕВОЙ ТОПОЛОГИИ)
ЧАСТОТА КОММУТАЦИИ 24 КГЦ
ЧАСТОТА УПРАВЛЕНИЯ 48 КГЦ
ВРЕМЯ РЕАКЦИИ 21 МКС (МГНОВЕННАЯ РЕАКЦИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ НАГРУЗКИ)
ВРЕМЯ ОТКЛИКА В УСТАНОВИВШЕМСЯ СОСТОЯНИИ НЕ БОЛЕЕ 300 МКС
ЦИФРОВОЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ АЛГОРИТМ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЕТ БЫСТРУЮ РЕАКЦИЮ (НЕТ НЕОБХОДИМОСТИ В БПФ)
КПД > 98%
УРОВЕНЬ ШУМА НЕ БОЛЕЕ 56 ДБ ИЛИ НЕ БОЛЕЕ 60 ДБ
СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН 7" ИЛИ 12.1" ЕМКОСТНЫЙ СЕНСОРНЫЙ TFT-ДИСПЛЕЙ
ФУНКЦИИ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСАЦИЯ ГАРМОНИК ДО 50-ГО ПОРЯДКА, РЕГУЛИРУЕМАЯ КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (ИНДУКТИВНОЙ И ЕМКОСТНОЙ), ВЫРАВНИВАНИЕ НАГРУЗКИ, КОМПЕНСАЦИЯ МЕРЦАНИЙ
ЗАЩИТА САМОЗАЩИТА, ОТ РЕЗОНАНСА, ОТ ПЕРЕГРУЗКИ И ПЕРЕГРЕВА

1) Пример A: применение активного фильтра гармоник на производстве автомобилей

Ниже приведены результаты измерений при применении активного фильтра гармоник на производстве автомобилей в Германии. Измерения качества электроэнергии проводились с помощью осциллографа Hameg HMO 1024. Уровень гармоник до установки активного фильтра можно увидеть на рисунках 11 и 12, а на рисунках 13 и 14 показаны гармоники после установки активного фильтра.

”диаграмма”

Рис. 11. THD-I=30%, временная диаграмма

”диаграмма”

Рис. 12. THD-I=30%, временная диаграмма

”диаграмма”

Рис. 13. THD-I < 5%, временная диаграмма

”диаграмма”

Рис. 14. THD-I < 5%, временная диаграмма

2) Пример B: активный фильтр гармоник в системе кондиционирования воздуха

Ещё один пример представляет применение активного фильтра на 60 А 3P3W в системе кондиционирования воздуха. Это система воздушного охлаждения с частотно-регулируемым приводом (6-пульсным). Электрические измерения проводились с помощью анализатора качества электроэнергии Fluke 435 при токе нагрузки 180 А. Результаты показаны на рисунках 15 и 16.

”результаты

Рис. 15. THDi (%) без активного фильтра гармоник при токе нагрузки 180 А

”результаты

Рис. 16. THDi (%) с активным фильтром гармоник при токе нагрузки 180 А

3) Анализ результатов примеров различного применения активного фильтра гармоник

В таблице II приведены результаты компенсации гармоник тока в примерах А и В с использованием активного фильтра гармоник. В обоих случаях результаты компенсации ниже 5%, то есть соответствуют требованиям стандарта IEEE 519. В примере В компенсация привела к уменьшению значения THDi до 0,7%. Это очень хороший результат.

ТАБЛИЦА II. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИМЕРОВ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ГАРМОНИК

D) Преимущества и недостатки активных фильтров

Преимуществом активных фильтров является то, что они могут фильтровать гармоники одновременно. При использовании устройства 3P4W (3 фазы, 4 провода) могут быть уменьшены токи проводника нейтрали (3-я гармоника и гармоники, кратные трём). Также нет обязательной необходимости тщательного гармонического анализа перед проектированием фильтра. Новая тенденция применения модульных фильтров даёт возможность простой модернизации без выполнения монтажных и слесарных работ. Кроме устранения гармоник активные фильтры могут также использоваться для балансирования нагрузок, коррекции коэффициента мощности и даже в некоторой степени для компенсации мерцаний. Главный недостаток активных фильтров по сравнению с пассивными – это стоимость. Однако в наше время IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и ЦСП (цифровые сигнальные процессоры) имеют доступные цены, и разница в стоимости между активными и пассивными фильтрами не так велика, как в прошлом.

VII.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ФИЛЬТРОВ ГАРМОНИК

Для всё большего и большего количества приложений по всему миру становится необходимой фильтрация гармоник, а не только коррекция коэффициента мощности, как это было в прошлом. Изменения структуры нагрузки и сети делают фильтрацию гармоник всё более и более важной. Наряду с пассивными фильтрами всё чаще применяются активные. Во многих случаях используются гибридные решения, когда устанавливается нерезонансная система коррекции коэффициента мощности и активный фильтр для снижения уровня гармоник и выравнивания нагрузки.

143405, Московская область, г. Красногорск, ул. Ильинский тупик, д.6, Бизнес-центр "Березовая роща", офис 5.
Тел.: +7 (495) 981-98-39, +7 (495) 642-58-82, +7 (498) 653-40-68, факс:+7 (498) 653-40-69.
E-mail: sales@khomovelectro.ru. Время работы: с 8:00 до 17:00. © 2017 «Хомов электро»