Фильтр высших гармоник что это
Об активных фильтрах гармоник для «чайников» и правилах выбора фильтрокомпенсирующих устройств.
Анонс: Простые для понимания концепции гармоник и технических средств для их подавления. Особенности применения активных фильтров гармоник для устранения искажений в сети. Физическая аналогия работы активного фильтра.
Для тех, кто пока не может достаточно полно (в техническом аспекте) разобраться с вопросом гармоник и их фильтрации в силовых сетях низкого напряжения, достаточно принять на веру факт:
Поэтому в подавляющем большинстве случаев экономически выгодно:
— «глушить» гармоники прямо возле генерирующей их нагрузки (или группы нагрузок), что снижает мощность АФКУ и локализует «токи-противотоки» на небольшом участке, освобождая силовую сеть выше места подключения от гармонических искажений;
— настраивать АФКУ на работу не со всем возможным спектром искажающих частот, а только с интенсивными гармониками.
Т.е. желательно исключить гармоники малозначимые по амплитуде и/или частоте (не влияющие на передачу по сети управляющих сигналов), но суммарно «оттягивающие» на себя часть мощности АФКУ.
И вот здесь важно решить вопрос стоит ли тратить очень дорогую мощность АФКУ на:
Физическая аналогия работы активного фильтра на участке силовой сети.
Условно работу активного фильтра на участке силовой сети можно сравнить с организацией выращивания эко продуктов (овощей, зелени) в масштабах большого разнопланового фермерского хозяйства. Использование органических удобрений, современных технологий и оборудования для культивации и т.д. (аналог современного оборудования с нелинейными ВАХ) создает отличные условия для выращивания растений (аналог производственно-технологического процесса) и, попутно для жизнедеятельности вредителей, паразитов, сорняков, болезнетворных микроорганизмов и пр. (аналог гармоники).
Масштабное использование пестицидов недопустимо и поэтому приходится бороться с вредителями практически вручную и локально, а для этого нанимать штат сотрудников (АФКУ) непосредственно для этого участка, причем можно:
Т.е. в идеале нужно определить какие угрозы действительно нанесут вред определенной культуре на конкретном участке и под их устранение нанимать людей, которым под силу любые работы (собирать жуков, гусениц, локально обрызгивать растения, рыхлить почву) так же, как и АФКУ в плане генерации противотоков на любых превентивно заданных частотах.
Проблема высших гармоник: фильтр высших гармоник
Гармоники в силовых системах возникают при работе любых устройств с нелинейными рабочими характеристиками. При использовании оборудования, которое может генерировать гармоники, или при наличии проблем, связанных с гармониками в сети, решением может быть применение конденсаторных установок с фильтрами высших гармоник. Токи высших гармоник могут быть причиной нарушений в работе сетей энергоснабжения, а также неблагоприятно сказываться на работе электрооборудования, в том числе на конденсаторной установке для коррекции коэффициента мощности.
Проблемы, создаваемые гармониками:
Источники гармоник можно разделить на 3 основные группы:
Форма тока
Гармоники представляют собой синусоиды с частотами, кратными частоте основной гармоники 50 Гц.
Все сигналы сложной формы могут быть представлены в виде совокупности синусоидальных сигналов различных частот, то есть любой сигнал сложной формы является суммой чётных и нечётных гармоник различных амплитуд. Гармоники могут присутствовать постоянно (устойчивое состояние), внося искажения в сеть энергоснабжения и нарушая нормальную ее работу, или появляться совершенно независимо в виде выбросов, бросков, провалов, которые можно назвать кратковременными нарушениями работы.
Кратковременные искажения обычно устраняются установкой ограничительных или разделительных устройств, таких как конденсаторы защиты от перенапряжений, разделительные трансформаторы. Эти устройства могут помочь при кратковременных проблемах, но неэффективны для уменьшения гармоник низшего порядка или при проблемах, связанных с резонансом на частотах гармоник.
Перегрузка конденсаторов токами гармоник
Ток, протекающий через цепь, определяется её сопротивлением. Так как сопротивление сети обычно содержит индуктивную составляющую, сопротивление сети увеличивается с ростом частоты, а сопротивление конденсатора, напротив, уменьшается. В результате большая часть тока с частотой выше частоты основной гармоники поглощается конденсатором и связанными с ним устройствами.
В определённых случаях токи гармоник могут превысить значение тока основной частоты. Это может привести к увеличению напряжения на диэлектрике конденсатора и выходу его из строя.
Решение для повышения качества электроэнергии
Системы передачи и распределения электроэнергии предназначены для работы с синусоидальными напряжениями и токами. При подключении к системе нелинейных нагрузок, появляются высшие гармоники, приводящие к искажениям формы тока и напряжения.
Ёмкость конденсаторной установки и индуктивность сети могут образовать параллельный резонансный контур, в котором токи гармоник способны достигать величин, превышающих норму в 20 раз. Если собственная частота резонансного контура соответствует частоте имеющейся гармоники, возникают искажения тока, которые приводят к дальнейшему искажению напряжения. Вот почему на коррекцию коэффициента мощности может влиять присутствие гармоник в сети.
В системах с гармониками коррекция коэффициента мощности должна производиться с помощью фильтров гармоник. Такие фильтры состоят из последовательно соединённых конденсаторов с фильтрами и могут компенсировать реактивную мощность на частоте сети без усиления гармоник.
Коррекция коэффициента мощности при наличии гармоник
Фильтры гармоник предназначены для коррекции коэффициента мощности в системах, в которых присутствуют гармоники. Каждая ступень состоит из конденсатора и фильтра, включенных последовательно. Эти компоненты образуют последовательную резонансную схему, настроенную на частоту ниже частоты самой низшей гармоники, имеющейся в системе.
На частоте ниже частоты резонанса, например на частоте сети (50 Гц), фильтр гармоник представляет собой ёмкость, генерирующую реактивную мощность. На частоте выше частоты резонанса фильтр гармоник представляет собой индуктивность, т.е. он не может усиливать высшие гармоники, например 5-ю, 7-ю, или 11-ю. Кроме того, фильтр в определённой степени ослабляет гармониками более низкого порядка.
Так же как и в обычных конденсаторных установках, в установках с фильтрами, регулятор коэффициента мощности DCRK включает и выключает ступени для получения необходимых значений реактивной мощности.
О резонансе на частотах гармоник, предотвращении и борьбы с ним, а также о защите реакторов и конденсаторов читайте в разделе «Полезные статьи» в материале «Фильтры гармоник».
Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть
2020-12-17 
Статьи 
2 комментария
Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.
Откуда же берутся эти гармонические составляющие?
Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.
Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.
Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.
Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.
Немного расчётов
Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).
U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники
U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.
Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.
Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте
По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.
Основные характеристики гармоник
Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.
Последствия возникновения
Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?
На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.
Измерение показателей гармоник в сети
Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.
Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:
И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.
Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.
Способы уменьшения гармонических составляющих
На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.
К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.
Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.
Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.
Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.
Пассивный фильтр гармоник
Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).
Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.
Активный фильтр гармоник
Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.
Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.
Активный фильтр гармоник как средство повышения качества электрической энергии
Авторы: К.В. Замула, Ю.В. Соколов, А.В. Карманов, ООО «Энергия-Т»
На сегодняшний день большинство энергоснабжающих организаций не обладают необходимым оборудованием, обеспечивающим в автоматическом режиме требуемого уровня содержания высших гармоник в сетях. Это порождает острую проблему негативного взаимовлияния технических средств между собой.
Ключевые слова: активный фильтр гармоник, симметрирование нагрузок фаз, компенсация высших гармоник, компенсация реактивной мощности, быстрое преобразование Фурье, SMART GRID.
Введение
Современные комплексы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) работают в сложной электромагнитной обстановке, обусловленной, в том числе, необеспеченностью отдельных показателей качества электроэнергии. Это вызвано ростом удельных характеристик устройств, имеющих низкий коэффициент мощности и работающих по резкопеременным графикам нагрузки. Особо осложняет электромагнитную обстановку работа электроприемников, генерирующих высшие гармонические составляющие (ВГС), с уровнем электромагнитной совместимости, выходящим за рамки диапазонов, определенных ГОСТ 32144-2013 [1]
Перечисленное приводит к неконтролируемым изменениям величины и формы напряжения в точках присоединения потребителей. Ухудшение качества электроэнергии напрямую влияет на снижение срока службы РЭА, является наиболее вероятной причиной ее отказов и выхода из строя, приводит к увеличению потерь энергии во всех элементах системы электроснабжения и, соответственно, влечет к увеличению расхода топливных ресурсов.
Негативные факторы возникающие при эксплуатации современного электрооборудования
Основными негативными факторами при эксплуатации современного электрооборудования являются:
Современное универсальное средство повышения качества электроэнергии
Для компенсации высших гармоник, вызванных действием нагрузки, традиционно применялись и применяются резонансные фильтры. Для энергетических установок это, как правило, последовательные индуктивно-емкостные резонансные цепи, настроенные на соответствующие номера гармоник. Обычно резонансные L-C фильтры настраиваются на гармоники с номерами n = 5, 7, 11, 13.
Такие фильтры выпускаются, как правило, на значительные токи и напряжения, их типоряд существенно дискретный. Для выбора таких фильтров требуется информация о предполагаемом спектре компенсируемых гармоник, величинах токов по каждой гармонике.
Использование резонансных фильтров для компенсации широкого спектра высших гармонических составляющих приводит к неоправданному удорожанию и повышению материалоёмкости всей установки. При этом, номинальные характеристики фильтра могут либо не быть востребованы вовсе, либо реальная нагрузка будет генерировать спектр гармоник, на который не рассчитывался фильтр, и они не будут в должной мере скомпенсированы, так как пассивные фильтры не в состоянии изменять регулируемые ими параметры в режиме «on-line» в резко меняющейся электромагнитной обстановке. [6]
Авторами разработаны активные фильтры гармоник (АФГ), способные обеспечить заданный коэффициент мощности электроустановок и существенно улучшить качество электроэнергии на входе энергетических комплексов мощностью до 10 МВт в режиме «on-line». Таким образом, АФГ может являться элементом SMART GRID.
АФГ является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники (управляемые выпрямители, преобразователи частоты, привода электродвигателей, импульсные источники питания). АФГ компенсирует высшие гармонические составляющие (ВГС) тока нагрузки, генерируя равные им по амплитуде, но противоположные по фазе токи, снижая, таким образом, коэффициент несинусоидальности тока и напряжения сети.
В соответствии с назначением АФГ выполняет следующие функции:
АФГ имеют возможность параллельной работы с целью увеличения суммарной компенсируемой мощности.
