Аннотация: терминология фильтров в международных нормативно-правовых актах. Резонансы токов и напряжений в силовых сетях. Настроенные, расстроенные и демпфирующие пассивные фильтры в силовых сетях.
Если придерживаться формализованной терминологии, то в силовой электронике по IEC 61642 фильтр (filter) — устройство, состоящее из конденсаторов, реакторов и, при необходимости, резисторов. Настроенный или резонансный фильтр (tunedfilter) имеет частоту настройки в диапазоне не более 10 % фильтруемой частоты, расстроенный фильтр (detunedfilter) имеет частоту настройки более, чем на 10 % ниже самой малой по порядку гармоники с наибольшей амплитудой, а демпфирующий фильтр (dampedfilter) имеет низкий импеданс в широкой полосе частот в отличие от «узкополосного» настроенного.
Все фильтры:
- считают пассивными по способу демпфирования гармоник — искажения ослабляются за счет потерь при преодолении активного сопротивления цепи в отличие от активных фильтров гармоник (АФГ), где инвертор генерирует токи в противофазе токам гармоник;
- по факту RLC-цепи, формирующие колебательные контура и использующие в работе специфику резонансов напряжений (реже резонанса токов);
- в основном используются для поглощения нечетных гармоник, за исключением кратных 3, т. е. 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т. д., но могут разрабатываться и для 3-ей гармоники, возникающей между фазой и нейтралью, а также неканонических гармоник в случае формирования цепей демпфирующих фильтров 2-го, 3-го порядков, С- или двойного типа (1 — 4 на рис. ниже соответственно).
Справка
Наибольшее распространение в промышленных сетях отечественных объектов получили резонансные (настроенные) фильтры с последовательным соединением реакторов, конденсаторов и включением в сеть параллельно по схеме «звезда», реже «треугольник».
Резонансы токов и напряжений в силовых сетях
Наиболее лаконичное и грамотное объяснение резонансов дано в IEC 61642, стандарт которого и определяет две следующих концепции.
Seriesresonance. Резонанс напряжений
При последовательном соединении индуктивности и емкости в сети, что приводит к очень низкому сопротивлению в определенном частотном диапазоне, близком к резонансной частоте, и, соответственно увеличению напряжения в местах присоединения нагрузки.
на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642
Parallelresonance. Резонанса токов
При параллельном соединении индуктивности и емкости в сети, что обуславливает очень высокое сопротивление в определенном частотном диапазоне, близком к резонансной частоте, и, соответственно скачкообразное увеличение амплитуд токов через нагрузку.
Настроенные, расстроенные и демпфирующие пассивные фильтры в силовых сетях
На текущий момент наиболее целесообразными для подавления гармоник в силовых сетях объектов остаются шунтирующие резонансные фильтры, настраиваемые на частоту гармоники с наибольшей амплитудой.
Расстроенные фильтры в виде автономных колебательных LC-контуров применяют для снижения рисков пробоя конденсаторов в установках повышения коэффициента мощности УКРМФ, демпфирующие (широкополосные) пассивные фильтры— для подавления искажений оборудования с (условно) статичным спектром гармоник, но в условиях отсутствия (или учета) в сети УКРМ, с которыми они могут войти в параллельный резонанс.
При проектировании резонансных фильтров измеряют импеданс распределительного трансформатора, анализируют частотный спектр источника гармонических возмущений (и в сети), при наличии нескольких гармоник с большими амплитудами формируют комплектное устройство с модулями-фильтрами, подсоединяемыми параллельно и настроенными на соответствующие частоты.
Важно
Нередко причиной высоких гармонических искажений в силовой сети объекта является трансмиссия гармоник из сетей другого уровня напряжения и/или балансовой принадлежности, что уже формализовано в ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020. Поэтому оптимальным вариантом проектирования фильтра можно признать анализ гармонического спектра сети, как в часы пиковых нагрузок, так и ненагруженной, что позволит определить реальные доли эмиссии и трансмиссии гармонических возмущений и предъявить рекламации виновнику согласно правилам и границам ответственностей ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020.
На фундаментальной частоте благодаря конденсаторам шунтирующий резонансный фильтр работает, как компенсатор реактивной мощности, что следует учитывать при наличии установок повышения коэффициента мощности для исключения рисков перекомпенсации. Модуля в блоке пассивного фильтра могут подключаться одновременно или отдельно, но только последовательно в порядке возрастания частот настройки (5, 7, 11 и т. д.), а отключаются в обратном порядке.
По рекомендациям IEC 61642 в силовых сетях с шести- и двенадцати импульсными ШИМ-преобразователями целесообразно применять резонансные фильтры 5, 7, 11 и 13-й высших гармоник или, в зависимости от реального уровня помех, только 5, 5 и 7, 5 и 11-й гармоники. В сетях с 12-импульсными ШИМ преобразователями рациональны фильтры с настройкой по частотам 11 и 13 или только 11-й высших гармоник. В силовых сетях с электролизными установками, электродуговыми печами, сварочными автоматами целесообразными будут резонансные фильтры 3, 5 и 7 или 3 и 5-й гармоник.
