+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

Проектирование фильтров гармоник и коррекция коэффициента мощности


	
		
			

Качество системы энергоснабжения, измерения гармоник, работа одиночного резонансного фильтра и фильтра верхних частот

Ниже представлен анализ конструкций фильтров гармоник, предназначенных для минимизации гармонических искажений, которые генерируются источниками гармоник (приводами), а также коррекции коэффициента мощности на цементном заводе. Нелинейные нагрузки и приводы валковых мельниц производят значительные токи гармоник, которые протекают через электрическую сеть предприятия и энергосистему поставщика электроэнергии. Эти гармонические токи являются причиной искажений напряжения и потерь энергии в системе, результатом их взаимодействия с конденсаторными батареями коррекции коэффициента мощности может быть выход из строя оборудования. Практические измерения гармоник проводились с помощью приборов для измерения мощности и гармоник. Перед принятием окончательного решения были рассмотрены различные варианты конструкций фильтра. Критериями для оценки их эффективности являются потери, токи и номинальные напряжения каждого фильтра и условия возможных аварийных состояний системы.

Возрастание нелинейных нагрузок в системах энергоснабжения привело к увеличению искажений формы напряжения и тока и ухудшению качества электроэнергии. В связи с этим большое значение приобрела оценка факторов неблагоприятного действия гармоник на систему. Эти факторы хорошо выявляются при проведении измерений в эксплуатационных условиях. Результаты таких измерений должны сравниваться с требованиями стандартов, чтобы определить, представляют ли они опасность. В США применяется американский стандарт IEEE, в Европе – стандарт МЭК (IEC). Измеренный уровень гармоник оказался значительно выше, чем уровни, которые считаются недопустимыми в соответствии с рекомендациями стандартов.

Гармоники оказывают вредное воздействие на генераторы, электродвигатели, конденсаторы, цепи питания и т. п. Необходимо ограничивать содержание гармоник.

Гармоники в цепях переменного и постоянного тока минимизируются следующими способами:

  1. использование 3-фазных мостовых выпрямителей или выпрямителей с большей пульсностью. Однако, наиболее экономичное число пульсаций, равно двум. Оно применяется в современных системах передачи высокого напряжения на постоянном токе;
  2. использование сглаживающего реактора постоянного тока;
  3. использование гармонических фильтров переменного тока;
  4. использование гармонических фильтров постоянного тока.

На тему фильтрации токов гармоник было проведено много исследований среди отечественных и зарубежных ученых. Среди них Heydt и Gredy, которые использовали простые трехкомпонентные фильтры – последовательные RLC-цепи (одиночный резонансный фильтр), подключенные к шине. Тестовая система имела несколько распределённых нелинейных нагрузок. Преобладающей гармоникой в данном случае была 5-я, и предлагаемый фильтр имел одну резонансную частоту 300 Гц. Индуктивность фильтра имела постоянную добротность 60.

А Hammond предложил применить фильтр верхних частот второго порядка. Преимуществом второго порядка является то, что он обеспечивает постоянный импеданс для токов гармоник выше определённой частоты. Он также помогает уменьшить коммутационные провалы, и имеет общую ёмкость меньше, чем у режекторного фильтра. Недостатком являются значительные потери энергии (и гармоник, и основной частоты). В своей интересной работе Montarani и Loggini использовали фильтры гармоник и индуктивность трансформатора для компенсации реактивной мощности. Рассматривалась эффективность использования индуктивности трансформатора для уменьшения провалов напряжения и снижения коэффициента гармоник. Использование малого угла управления приводит к увеличению гармонических компонентов. На величину провалов напряжения влияют место установки фильтра и отношение индуктивности защиты и эквивалентной индуктивности источника.

Makram и Subraminam исследовали конструкции фильтров гармоник для снижения гармонических искажений, производимых приводами. В своей работе они представили анализ установившегося состояния и переходного процесса фильтров гармоник. Andrews и Bishop предложили аналитический метод коррекции коэффициента мощности на современном стальном производстве. Был снижен КГИ системы, улучшен коэффициент мощности предприятия и исключены штрафы за коэффициент мощности.

Далее рассмотрим результаты измерений гармоник в энергосистеме, коррекцию коэффициента мощности и анализ гармоник на цементном заводе с целью энергосбережения и повышения качества электроэнергии. Также представлена конструкция фильтра гармоник для минимизации гармонических искажений и коррекции коэффициента мощности цементного завода.

Результаты измерений гармоник

Измерения гармоник были проведены на 5 различных цементных заводах при очень высоком потреблении энергии. Измерения проводились на электродвигателе и на стороне сети. Типовой пример системы, подобной той, на которой проводились измерения, показан на рис. 1.

Один набор измерений гармоник на цементном заводе был получен на низкой стороне трансформатора, питающего валковую мельницу, который управляется полупроводниковыми устройствами, создающими гармоники в системе электроснабжения. Результаты этих измерений сравнивались с требованиями стандартов, чтобы определить, представляют ли они опасность. Записанная форма тока, содержащего гармонические компоненты, показана на рис. 2.

Таблица № 1. Результаты измерений гармоник для силового трансформатора

Порядок гармоники Ток, А Величина
компонента, %
Порядок гармоники Ток, А Величина
компонента, %
01 285,2 92 13 7,6 3
02 0 0 14 0 0
03 3,8 1 15 0 0
04 0 0 16 0 0
05 21,8 8 17 10,6 4
06 0 0 18 0 0
07 13,5 5 19 11,6 4
08 0 0 20 0 0
09 0 0 21 1,6 1
10 0 0 22 0 0
11 9,9 3 23 6,8 2
12 0 0 24 0 0
Искажения КГИa= 12%
Трёхфазная нагрузка 136,3 квар, коэф. мощности - 0,782

Конструкция фильтра

Основу фильтров составляют LC-цепи, параметры L и С которых выбираются так, чтобы LC-контур имел резонанс на определённой частоте. Фильтры гармоник переменного тока уменьшают содержание гармоник в сети переменного тока до допустимых уровней. Шунтирующие фильтры подключаются между линией питания и землёй. Конструкция шунтирующих фильтров основана на явлении резонанса последовательной и параллельной цепей R, L, C.

1) Одиночный резонансный фильтр

Представляет собой одиночную цепь RLC, настроенную на частоту отдельной гармоники. LC-контур имеет резонанс на определённой частоте.

ω = 2π f (1)

f=1/(2π√LC) (2)

На этой частоте цепь фильтра имеет низкий импеданс для гармоники с частотой f и высокий импеданс для других гармоник. Из Таблицы № 1 видно, что величина 5-й гармоники системы - 8 %. Это превышает пределы, установленные стандартами IEEE. Фильтр настраивается на частоту 4,7 от основной из-за опасности резонирования фильтра и собственной частоты системы.

Предварительно рассчитанное значение ёмкости конденсатора одиночного резонансного фильтра составляет 200 мкФ. L рассчитывается, исходя из значения резонансной частоты, а R вычисляется в соответствии со значением добротности, которое определяет остроту настройки. Значение добротности может быть выбрано в интервале от 10 до 25 и определяется как:

Q=√(L/C)/R=X_Lr/R=X_Cr/R (3)

Номинальные значения компонентов фильтра приведены в Таблице № 2.

Таблица № 2. Номинальные значения компонентов фильтра

Q (добротность) 15
С (ёмкость) 200 мкФ
L (индуктивность) 2,29 мГн
R (сопротивление) 0,226 Ом

2) Фильтр верхних частот

Фильтр верхних частот не пропускает частоты ниже его частоты среза и пропускает все частоты выше этой частоты. Фильтр верхних частот первого порядка характеризуется большими потерями энергии на основной частоте, но имеет хорошую фильтрацию. Фильтр второго порядка имеет приемлемые фильтрацию и потери на основной частоте. Фильтр третьего порядка имеет хорошие характеристики потерь, но недостаточную эффективность фильтрующего действия. Поэтому, исходя из вышеизложенного, наиболее приемлемым является применение фильтра верхних частот второго порядка.

Импеданс фильтра второго порядка определяется выражением:

Z=1/jωc+(1/R+1/jωL)^(-1) (4)

Частота перегиба характеристики, на которую настроен фильтр, определяется выражением (2), а значение Q находится как:

Q=R/X_L =R/X_C (5)

У фильтра верхних частот типовые значения Q меняются в пределах от 0,5 до 2,0. При высоком значении Q, то есть 2, фильтрующее действие более выражено на частоте перегиба, а на более высоких частотах импеданс фильтра постепенно возрастает. При низких значениях Q, то есть 0,5, отклик на частоте перегиба увеличивается, а импеданс остаётся примерно постоянным.

Другие факторы, которые рассматриваются при выборе Q:

  • частота настройки фильтра;
  • наличие или отсутствие проблемы помех для проводной связи;
  • потери.

Номинальные значения компонентов фильтра верхних частот приведены в Таблице № 3.

Таблица № 3. Номинальные значения компонентов фильтра

f (частота) 235 Гц 535 Гц
Q (добротность) 2 2
С (ёмкость) 200 мкФ 200 мкФ
L (индуктивность) 2,29 мГн 2,02 мГн
R (сопротивление) 4,42 Ом 6,34 Ом

Заключительные выводы

Для правильного решения проблемы гармоник при проектировании фильтра должны учитываться величина реактивной мощности, необходимая для коррекции коэффициента мощности и параллельный резонанс фильтра и импеданса источника. Для надёжной и эффективной работы цементного завода необходима правильно спроектированная система энергоснабжения. Для проведения анализа и получения исходных данных и информации для проектирования фильтра оказались полезными результаты измерений в условиях эксплуатации.

При проведении этого исследования были разработаны фильтры гармоник для реального цементного завода. В обоих случаях для линии, на которой должен быть размещён фильтр, значение ёмкости определялось на основании расчёта коэффициента мощности. Разработанные фильтры снизили КГИ в системе и улучшили коэффициент мощности предприятия.

Мы рассмотрены два разных типа фильтров для коррекции коэффициента мощности и минимизации гармонических искажений. В заключение необходимо отметить, что не существует общего типа фильтров, пригодного для каждой системы.

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»