Правильный выбор пассивных и активных фильтров подавления сетевых гармоник

Аннотация

Проблема контроля качества электроэнергии и обеспечения надежности функционирования оборудования заставляет разработчиков искать пути снижения сетевых гармоник. Для решения этой задачи используются пассивные и активные фильтры. В статье описывается, какие параметры следует использовать при выборе активных и пассивных фильтров подавления гармоник и каких ошибок необходимо избегать. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Постоянное увеличение нелинейных нагрузок в сети элетропитания, к которым, например, относятся регулируемые приводы, приводит к необходимости контроля качества электроэнергии и обеспечения надежности функционирования оборудования. В связи с этим большая часть усилий разработчиков сосредоточена на проблеме снижения гармоник, которые приводят к перегрузкам сети, снижают надежность использования оборудования и приводят к потерям энергии.

Использование для решения этой задачи активной и пассивной технологии фильтрации гармоник вполне оправдано. Однако трудность заключается в выборе и реализации фильтров подавления гармоник, от этого зависит успех в достижении требуемых характеристик.

Качество электроэнергии и гармоники

Нагрузка на сеть, вызываемая гармониками, существенно увеличилась за последние несколько лет. Причиной появления гармонических токов являются нелинейные нагрузки, т.е. нагрузки, которые потребляют несинусоидальный ток сети питания при подаче синусоидального напряжения. Эти гармонические токи протекают вместе с активными синусоидельными токами, вызывают дополнительные потери в электрических установках и могут привести к перегреву.

В настоящее время предпринимаются меры по снижению уровня гармоник, с тем чтобы решить эту проблему и удовлетворить национальным и международным стандартам на каждом уровне сетевой инфраструктуры. В этой статье мы целиком сосредоточимся на обсуждении вопроса об использовании пассивных и активных фильтров гармоник в низковольтных установках.

Типичные топологии нелинейных нагрузок

Рассмотрим шестипульсный выпрямительный мост. Трехфазный выпрямитель наиболее часто используется в силовых преобразователях, например в регулируемом электроприводе, который широко применяется на протяжении многих лет.

Наиболее распространенные топологии шестипульсного выпрямителя представлены на рисунке 1. В топологии A отсутствуют магнитные элементы для сглаживания тока. Топология B использует индуктивность Lac в цепи переменного тока обычно в виде реактора с шихтованным сердечником. В топологии C имеется встроенный дроссель Ldc, который часто интегрируется в электроприводы повышенной мощности. Во всех трех топологиях электрическая сеть, включающая входное полное сопротивление, изображена слева. Расположенная справа нагрузка, обозначенная на схеме «P=const», потребляет постоянную активную мощность от DC/AC–преобразователя и привода, равную, например, 20 кВт.

На рисунке 2 показаны диаграммы входного тока для всех трех топологий, поступающего от симметричной трехфазной сети электропитания. Были использованы следующие номиналы компонентов:

• емкость канала постоянного тока Cdc 2000 мкФ;
• реактор переменного тока (топология B) Lac 500 мкГн (2%);
• дроссель канала постоянного тока (топология C) Ldc 1 мГн.

Несинусоидальные токи (белые кривые на рисунке 2), текущие от источника синусоидального напряжения, можно разложить на две ортогональные составляющие ia (активная) и ib (реактивная): i = ia + ib.

Активный ток ia (зеленая кривая) – синусоидальная составляющая, находящаяся в одной фазе с напряжением, отражает передачу реальной мощности от источника к нагрузке. Реактивный ток ib (красная кривая) – другой компонент тока, являющийся разностью между белой и зеленой кривыми. Он отвечает за перенос реактивной мощности между нагрузкой и источником. Спектр реактивного тока состоит из гармоник и реактивных компонентов основной частоты. Однако реактивные компоненты сигнала рисунка 2 пренебрежимо малы. Реактивный ток ib в основном состоит из 5-й, 7-й, 11-й, 13-й, 17-й, 19-й, 23-й и 25-й гармоник, где составляющие с более высокой частотой (менее 25-й гармоники) тоже очень малы.

Реактивный ток приводит к дополнительным потерям в сетях электропитания и вызывает падение несинусоидального напряжения на имепедансе линии, что в результате вызывает искажение напряжения и ухудшает качество электроэнергии. Таким образом, реактивный ток отрицательно сказывается на работе сети и его необходимо по возможности устранить.

Разделение несинусоидального тока (поступающего от источника синусоидального напряжения) на активную и реактивную составляющие впервые было предложено С. Фрайзом (S. Fryze) в 1932 г.

На рисунке 3 помимо гармоник (голубые полосы) представлены предельные по стандарту EN61000–3–12 (белые поля) и реальные значения суммарного коэффициента гармоник (THD), а также отдельных гармоник (5-й, 7-й, 11-й, 13-й) и частично взвешенного коэффициента гармонических искажений (partially weighted harmonic distortion – PWHD). Значения на красном фоне указывают на несоответствие, а на зеленом фоне – на соответствие стандарту. На правом краю рисунка виден ползунок, который используется для выбора параметра Rsce (в нашем примере Rsce = 120).

Среднеквадратичные значения токов i, ia, ib, обозначенные как I, Ia, Ib, связаны друг с другом по формуле

I2 = Ia2 + Ib2

Известно, что реактивный ток Ib может принимать широкий ряд значений в зависимости от используемой топологии. В нашем примере среднеквадратичные значения тока равны 45,5 А, 17,4 A и 13,9 A (см. рис. 2). Реактивный ток имеет значительное влияние на входной ток I. В этом примере среднеквадратичное значение тока электросети меняется в зависимости от топологии (при том же значении выходной мощности) в диапазоне 53,4...31,1 А. Только активный ток Ia имеет примерно ту же величину (28,0 и 27,8 А соответственно).

Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что среднеквадратичная величина активного тока Ia (пропорциональная активной мощности, потребляемой от источника напряжения) может в случае нелинейной нагрузки, например шестипульсных выпрямителей, быть значительно ниже входного тока I. Другими словами, невозможно определить активный ток Ia, если известно только значение входного тока. Наиболее простой способ получить это значение состоит в расчете активной мощности, потребляемой от сети, по формуле:

Ia = P/3Up–n,

где P – активная мощность, поступающая от трехфазной сети электропитания; Up–n – среднеквадратичное значение напряжения фаза–ноль.

Идеальный фильтр подавления гармоник

Идеальный фильтр подавления гармоник – это устройство, которое способно полностью устранить реактивную составляющую тока ib за счет удаления гармоник и коррекции фазы основной гармоники тока. В результате этот тип фильтра преобразует несинусоидальный сетевой ток в синусоидальный ток и, таким образом, нелинейную нагрузку – в линейную, потребляющую только активную составляющую ia. Если дополнительно предположить, что фильтр работает без потерь, активная мощность от сети не изменится от его присутствия, а активная составляющая ia не увеличится.

Многие производители изготавливают сетевые фильтры, к числу которых относятся фильтры ECOsine компании Schaffner. Они были недавно предложены для приложений с входным шестипульсным выпрямителем и являются современным решением, которое по своим характеристикам приближается к идеальному фильтру для подавления гармоник. Гармонические токи в этих фильтрах снижаются до уровня общих гармонических искажений тока (total harmonic current distortion – THID) 3,5–5,0%, т.е. почти полностью устраняются. А КПД фильтров ECOsine величиной 98,5–99,4% (в зависимости от модели) означает, что они почти не вносят потерь.

Фильтры ECOsine включаются последовательно между сетью электропитания и входом нелинейной нагрузки, независимо от используемой топологии выпрямителя.

На рисунке 4 показана форма сигнала входного тока с одной фазой при использовании фильтров ECOsine для всех трех топологий выпрямителя.

Важные результаты

При использовании на входе шестипульсного выпрямителя пассивного последовательного фильтра для подавления гармоник, например ECOsine, получаются следующие важные результаты. 1. Как видно из рисунка 4, в сигналах практически отсутствует реактивная составляющая тока ib (красная кривая). Среднеквадратичные значения реактивного тока с фильтром и без фильтра приведены в таблице 1.

Таблица 1. Среднеквадратичные значения реактивного тока

Топология	Реактивный ток ib без фильтра, А	Реактивный ток ib с фильтром, А
A	45,5	1,1
B	17,4	1,2
C	13,9	1,2

2. Среднеквадратичные значения сетевого тока i (белая кривая) снижены, а форма кривой близка к синусоиде (без гармонических составляющих). Значения сетевого тока с фильтром и без фильтра приведены в таблице 2.

Таблица 2. Среднеквадратичные значения сетевого тока

Топология	Сетевой ток i без фильтра, А	Сетевой ток i с фильтром, А
А	53,4	28,3
В	32,8	28,3
С	31,1	28,3

3. Значения активного тока ia (белая кривая) практически не изменились. Среднеквадратичные значения активного тока с фильтром и без фильтра приведены в таблице 3.

Таблица 3. Среднеквадратичные значения активного тока

Топология	Активный ток ia без фильтра, А	Активный ток iaс фильтром, А
А	28,0	28,3
В	27,8	28,3
С	27,8	28,3

Правильный выбор пассивных фильтров подавления гармоник

Полученные выводы указывают на очевидный путь решения проблемы — для правильного выбора параметров фильтра подавления гармоник необходимо учитывать параметры нелинейной нагрузки без этого фильтра. Сравнение данных следующих двух таблиц (см. табл. 4 и 5) показывает, что сетевой ток нелинейной нагрузки не годится при выборе, например, фильтра подавления гармоник ECOsine от компании Schaffner, т.к. его параметры изменяются в зависимости от топологии.

На самом деле только значения активного тока Ia и активной мощности P одинаковы во всех трех топологиях, что делает их подходящими при выборе фильтра. К сожалению, обычно в технических характеристиках нелинейных нагрузок (например, электроприводов) не указывается активный ток Ia (который на самом деле является входным номинальным током фильтра подавления гармоник). Единственная указываемая величина, пригодная без каких-либо ограничений при выборе пассивного фильтра подавления гармоник, это активная мощность P нелинейной нагрузки.

Чтобы упростить разработчику выбор фильтра для регулируемого привода, производители указывают как номинальную мощность электропривода, так и величину входных токов фильтра.

Правильный выбор активных фильтров подавления гармоник

В отличие от пассивных фильтров подавления гармоник, активные фильтры включаются параллельно сети электропитания (шунтирующие фильтры). Заметим, что на рисунке 5 представлены только топологии В и С. Топология А не рекомендуется, т.к. активные шунтирующие фильтры требуют использования магнитных элементов в нагрузке по экономическим соображениям, что становится очевидным при изучении рисунка 2. В отсутствие магнитных элементов (топология A) необходимый корректирующий ток активного фильтра был бы настолько высоким, что размеры этого фильтра значительно бы выросли.

Если для упрощения рассматривать идеальный шунтирующий фильтр в топологиях В и С рисунка 5, то нетрудно понять, что

• сетевой ток соответствует ia рисунка 2 (B и C);
• корректирующий ток этого фильтра соответствует реактивному току ib рисунка 2 (B и C);
• входной ток выпрямителя соответствует входному току i рисунка 2 (B и C).

Эти выводы верны, при условии что сетевой импеданс Zline незначителен по сравнению с импедансами Lac (топология B) и Ldc (топология C). В нашем примере это условие полностью соблюдено. При выборе активных фильтров подавления гармоник решается задача, схожая с выбором пассивного варианта этого устройства. Типоразмер фильтра определяется исходя из активных и реактивных токов и мощностей выпрямителя без фильтра.

В таблице 6 перечислены основные параметры топологий В и С (без фильтра). Единственным действительно полезным показателем является реактивная составляющая Ib, которая описывает наиболее важный параметр активного фильтра — корректирующий ток.

В отличие от пассивных фильтров подавления гармоник, типоразмеры активного фильтра — разные в топологиях В и С. Требуемый корректирующий ток для первой из них составляет 17,4 ARMS, а для второй — всего лишь 13,9 ARMS. Для полноты картины следует напомнить, что этот корректирующий ток в топологии А без магнитных элементов составляет 45,5 ARMS. К сожалению, величина реактивного тока, как правило, не указывается в технических характеристиках нелинейной нагрузки. Расчет этой величины выполняется по следующей формуле:

где I – среднеквадратичное значение сетевого тока нелинейной нагрузки без фильтра подавления гармоник;

P – активная мощность, потребляемая нагрузкой;

Up-n – напряжение фаза-ноль

Все эти значения обычно указываются в технической характеристике нелинейной нагрузки.

Заключение

Правильный выбор пассивных и активных фильтров подавления гармоник может затрудниться из-за ряда неизвестных параметров нелинейной нагрузки. Однако выбор правильного размера фильтра является ключевым условием достижения оптимального соотношения между стоимостью и качеством, т.е. требуемым снижением гармоник тока при минимальных усилиях по обеспечению фильтрации. Учитывая, что некоторые периферийные устройства электропривода, например фильтры электромагнитных помех, сетевые реакторы или выходные фильтры разрабатываются и выбираются на основе сетевого тока I, очень часто считается, что этот параметр годится и в случае с фильтрами подавления гармоник. Однако правильная процедура выбора таких фильтров заключается в учете активной мощности нагрузки P, а при выборе активного фильтра подавления гармоник следует исходить из реактивной составляющей тока Ib.

Список использованной литературы

1. Proper selection of passive and active power quality filters for the mitigation of mains harmonics, Andrzej Pietkiewicz, Stefan Melly//www.powermanagementdesignline.com
2. Fryze, S. (1932) Wirk-, Blind- und Scheinleistung in elektrischen Stromkreisen mit nicht­sinus­frmigem Verlauf von Strom und Spannung, Elektrotechnische Zeitschrift, June, 596–9.
3. A. Pietkiewicz, Virtual Laboratory for Harmonics Filtering Visualization, Proceedings of IEEE International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, (SPEEDAM 2008), Ischia, Italy, p.508–512.
4. IEC 61000–3–12: Electromagnetic compatibility (EMC), Part 3-12: Limits for harmonics current produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16A and <75A per phase. IEC, Aug. 2004.
5. Engineering Recommendation G5/4-1 Planning levels for harmonic voltage distortion and the connection of nonlinear equipment to transmission systems and distribution networks in the United Kingdom. Energy Network Association, Oct. 2005.
6. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. IEEE Std 519–1992.