Повсеместное использование нелинейных нагрузок, включающих в себя силовое электронное оборудование: вентильные преобразователи и устройства частотного регулирования электропривода, насыщенные трансформаторы и электродвигатели, мощные электрические печи и сварочное оборудование — привело к необходимости разработки и внедрения систем коррекции формы кривых тока и напряжения. Один из перспективных методов решения указанной задачи — применение активных фильтров.
Существуют последовательная, параллельная и смешанная топологии подключения активных фильтров, принципиально же различают два типа:
- последовательный активный фильтр;
- параллельный активный фильтр.
Последовательный активный фильтр
Последовательный фильтр по сути является управляемым генератором напряжения и служит эффективным решением для компенсации провалов, фликера несимметрии и гармонических составляющих в напряжении сети.
Однако он имеет некоторые недостатки. Расчитанный на полный ток нагрузки, он имеет высокую мощность и, соответственно, стоимость. Кроме того, не может прямо исправлять токи нагрузки, подключенной за ним, влияя на них только посредством изменения напряжения. Существенным преимуществом является исправление искаженной формы напряжения независимо от природы возникновения искажений.
Принцип действия и блок-схема последовательного фильтра показана на рисунке 1.
Параллельный активный фильтр
Параметры параллельных фильтров должны быть подобраны только для величин гармонических токов от нелинейной нагрузки. Еще одно преимущество — принцип регулирования с коррекцией тока (фильтр как регулируемый источник тока) и связанное с этим улучшение напряжения питания остальных потребителей. В таких сетях источники возмущений — потребляемые нагрузкой токи (THD(I) %>>THD(U)%). Суммарные гармонические искажения по току % всегда выше, чем по напряжению. Логично и более быстродействующе исправлять первопричину. Для последовательного же фильтра в этом случае подходит задача уменьшения воздействия от внешних возмущений из сети, прежде всего по напряжению. Это утверждение можно оспаривать, но стоимостной фактор подскажет именно такую логику действий! Таким образом, место применения параллельного фильтра — ближе к нелинейной нагрузке.
Общим в построении фильтров является принцип регулирования по отклонению от заданной величины, они оба включают в себя датчики измеренных сигналов и блоки формирования опорных сигналов по напряжению или току — по типу фильтра, соответственно. Следовательно, должны обладать значительным быстродействием (0,02-0,5 мс) и временем отклика 0,2-2 мс для сетей 50-60 Гц. Поэтому в качестве регулирующего элемента применяют IGBT-транзисторы. Используется также принцип ШИМ-регулирования (регулирование с использованием широтноимпульсной модуляции сигнала).
В современных условиях наследия единой энергетической системы РФ, учитывая статистику нечастых сбоев на центральных генерирующих мощностях, в передающих сетях, представляется более интересной задача влияния нелинейных потребителей на собственную распределительную сеть.
Этому посвящено дальнейшее описание.
Итак, если в сети присутствуют гармоники тока из-за наличия нелинейных нагрузок, наилучшим и универсальным способом повышения качества электропитания является установка параллельных активных фильтров. Рассмотрим данный фильтр на примере современной серии APF производства испанской фирмы CIRCUTOR, выпуск 2007-2008 гг.
Фильтры APF обеспечивают компенсацию гармоник, асимметрии и фазового сдвига тока сети. APF должен быть подключен параллельно питающей линии, как показано на рисунке 2. Тогда фильтр скомпенсирует пульсацию, асимметрию и отставание по фазе, вызванные работой нелинейной нагрузки, подключенной ниже по направлению протекания тока. Принцип компенсации гармоник основан на инжектировании пульсирующего тока в противофазе, что уничтожает гармоники, генерируемые нагрузкой.
Типы параллельных фильтров AF-APF
В зависимости от конфигурации разделяют несколько типов параллельных активных фильтров:
Однофазные (AF 2) — для устранения гармоник, генерированных однофазной нагрузкой (2-проводные линии), в том числе и компьютерные линии.
Трехфазные 3-проводные (AF3-W) — фильтры такого типа предназначены для устранения гармоник трехфазной симметричной системы без нейтрального проводника — в том числе помех от ИБП(UPS) источников бесперебойного питания.
Трехфазные 4-проводные многофункциональные параллельные активные: фильтры APF-4W производства Circutor принадлежат именно к универсальному типу.
Фильтры могут решить одновременно четыре задачи:
- симметрирование напряжений (опосредованно через симметрирование токов) сети (Network balansing);
- связанное с этим снижение практически до 0 тока нейтрали;
- подавление токовых (и следовательно улучшения THD(I) и THD(U)) гармоник;
- PF-коррекция или компенсация реактивной мощности (повышение cosφ).
Приоритет этих функций программируется. Конструкция содержит инвертор с 4 выводами, действующий по принципу генерации встречного противофазного тока «зеркальной» формы по отношению к искажениям в токе нагрузки. Важной особенностью конструкции APF является блочный принцип организации мощностей, что позволяет легко наращивать требуемую установленную мощность. Основным преимуществом 4-проводных фильтров является возможность компенсации всех типов гармоник, включая токи нулевой последовательности, и, в случае несимметричных нагрузок, они также способны балансировать токи между разными фазами для минимизации тока нейтрали.
Поведение APF-фильтра в условиях ограничения тока
APF-фильтры работают в качестве источников тока и их эффективность ограничена собственным номинальным током. Такой ограничивающий ток обозначается как Ilimit и используется для устранения гармоник, асимметрии и запаздывания фаз.
При нормальных условиях работы, если необходимый ток не достигает Ilimit, APF скомпенсирует все реактивные составляющие: гармоники, асимметрию и запаздывание фаз. Если нагрузке требуется компенсация с номиналом тока выше Ilimit, тогда компенсирование запаздывания фаз (в зависимости от уставки) может быть автоматически отключено, а весь номинальный ток будет пущен на компенсирование гармоник и запаздывания фаз. Если все-таки нагрузке требуется компенсирующий ток выше Ilimit, тогда компенсирование асимметрии или гармоник (в зависимости от уставок) будет также автоматически отключено и вся мощность фильтра будет предоставлена на выполнение функции с наивысшим приоритетом.
В случае если активирована только функция компенсирования гармоник, а нагрузке требуется ток выше Ilimit, компенсирование гармоник будет только частичным. Функция set-up при пуске позволяет выполнить программирование приоритетов между функциями компенсирования (гармоник, асимметрии или запаздывания фаз), кроме того, возможен выбор приоритета для компенсирования отдельной гармонической составляющей. При правильной настройке фильтр не может перегрузиться, он может только недовыполнить в % компенсацию возмущений, в случае если даже его мощность была подобрана, например, неверно.
Особенности применения параллельных активных фильтров APF
Фильтры APF разработаны специально для устранения гармоник, асимметрии и запаздывания фаз в низковольтных распределительных системах — до 1000 В с несколькими однофазными нагрузками (или междуфазными), которые генерируют такие реактивные составляющие.
Ток нейтрали фильтра APF в 1,5 раза больше фазного тока. Это означает, что в сбалансированной системе APF может скомпенсировать до 40% третьей гармоники по фазе без достижения Ilimit (max-возможного) тока на нейтрали. Для высших гармоник остаточный ток остается на нейтрали.
APF может быть установлен параллельно с другими настроенными фильтрами или с конденсаторными установками, но только при условии наличия режекционных фильтров. Компенсация cosφ должна обеспечиваться расстроенными фильтрами с настройкой на p=7%, p=14% или p=5,6%.
Со встроенным в шкаф анализатором качества и количества электроэнергии CVMk2 фильтр APF представляет собой систему мониторинга и регулирования качества электрической энергии.
C. В. ЖИГАРЕВ,
нач. технического отдела ООО «Вымпел»,
г. Москва.
