Публикация освещает несколько достаточно распространённых вопросов. Первый — что такое пассивные и активные способы фильтрации гармонических искажений и какие пассивные фильтры сегодня наиболее популярны на промышленных объектах, а второй — чем выгодно использование пассивных настроенных и расстроенных фильтров гармоник.
В общем контексте можно называть фильтры гармоник пассивными и активными, а их главное различие заключается в том, обеспечивают ли они пассивное фильтрующее действие в пределах выбранной полосы пропускания или в результате активного процесса мониторинга искажений параметров сети в реальном времени и генерации токов в противофазе токам гармонических возмущений.
На практике одним из наиболее распространенных методов контроля гармонических искажений в промышленности пока остается использование методов пассивной фильтрации с использованием двух видов фильтров.
Резонансные или антирезонансные узкополосные фильтры
Упрощенно, состоят из последовательно соединенных емкости и индуктивности, формирующих колебательный контур, настраиваются на резонанс и имеют нулевое (условно) сопротивление на частоте гармоники искажений. Максимально просто для понимания процесса фильтрации — гармонические токи резонансной частоты идут по пути наименьшего сопротивления в контур фильтра и там «мечутся» между емкостью и индуктивностью, постепенно «угасая» из-за преодоления активного сопротивления и ЭДС-индуктивности.*
Широкополосные, формально демпфирующие фильтры
Широкополосные, формально демпфирующие (или damped filter) фильтры имеют комплексное сопротивление колебательного контура ниже импеданса сети на частотах выше резонансной.
*Справка
IEC 61642 дают определение настроенного (tuned filter) и расстроенного (detuned filter) фильтров (на сленге соответственно резонансного и антирезонансного), ключевые отличия между которыми — частота настройки, которая для tuned filter находится в пределах до 10 %, а для detuned filter — на 10 и более процентов ниже частоты фильтруемой гармоники. По сути tuned filter имеет более узкую полосу «захвата» частот фильтруемых гармоник и более высокую добротность, но и большую зависимость от сопротивления сети, а detuned filter — наоборот меньшую добротность, большую полосу частот и меньшие риски резонанса с индуктивностью сети. Выбор того или иного типа фильтра определяется характером, режимом нагрузки, а на практике чаще всего пользуются рекомендациями IEC 61642 и новых IEEE 1531-2020, определяющих правила проектирования и применения пассивных фильтров в силовых промышленных сетях.
Т. е. эти контуры «оттягивают» на себя токи гармоник с частотами выше резонансной, но эффективность их работы существенно меньше, чем у узкополосных настроенных и расстроенных, и снижается с ростом частоты.
Справка
Чаще всего для решения проблемы гармонических искажений в силовой сети (сегменте сети) используются комплектные устройства из двух и более узкополосных фильтров, настроенных на частоты разных гармоник, плюс один широкополосный фильтр, нивелирующий гармонические искажения высоких порядков частот. Зависимость колебательных контуров и сопротивления сети и, собственно, добротность каждого фильтра снижают интеграцией в контур резистивного сопротивления, но RLC-контура рассчитаются так же, как и LC- по резонансной частоте и комплексному сопротивлению колебательного контура.
Чем выгодно использование пассивных настроенных и расстроенных фильтров гармоник
Если абстрагироваться от маркетинговых интересов производителей активных фильтров гармоник (Аctive filter harmonic — AFG), поставляющих свои АФГ в виде пакетных сборок (для компенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте и нивелирования гармоник до 39-40 или 24 порядка), а потому безумно дорогих, то следует признать очевидными факты:
- Силовые сети любого, даже суперпрогрессивного по производственно-технологическому процессу объекта с роботизированными линиями на ШИМ-преобразователях может и засорены большим спектром гармоник, но de facto критическими, требующими фильтрации будут не более 4-5. Но тогда нет никакого смысла в пакетах из 24-25, а тем более 39-40 частотах АФГ, если нивелировать критические искажения можно недорогой сборкой из 4-5 узкополосных фильтров, а для снижения амплитуд возмущений на высоких частотах в сборку добавить один широкополосный демпфирующий колебательный контур.
- Интеграция АФГ по типу централизованной компенсации на распределительной подстанции может и позитивная в аспекте нивелирования рисков правовых коллизий с сетевой организацией, но абсолютно бессмысленная в плане обеспечения стабильности параметров качества электроэнергии в собственной силовой сети, поскольку АФГ очищают сеть только выше места подключения, да и то весьма условно, ведь ШИМ-преобразователь фильтра тоже генерирует гармонические возмущения.*
- Сегодня почти нет крупных, а особенно промышленных объектов, полностью останавливаемых на ночь, на праздники, выходные, т. е. определенные нагрузки постоянно дежурят в сети, что формирует «фоновую» потребность в реактивной мощности, и такой же «фоновый» наброс токов гармоник.
*В свою очередь установка АФГ в местах присоединения групп нагрузок и тем более у единичной мощной нагрузки явно экономически нецелесообразна, ведь задействовать пакет частот АФГ для нивелирования нескольких гармоник так же разумно, как и «стрелять из пушки по воробьям». В противовес этому недорогие и компактные пассивные однозвенные и/или многозвенные фильтры можно подобрать по максимальной амплитуде гармонического тока и подключить непосредственно возле нагрузки (или группы нагрузок), т. е. реально очистить сеть и обезопасить другое оборудование, кабельные линии от перегрева и выхода из строя.
Устранить эти проблемы реально нерегулируемыми УКРМ и/или пассивными фильтрами гармоник, емкость которых на фундаментальной частоте работает, как конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности.
