Согласованные и рассогласованные фильтры, электронные компоненты Electronicon Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Согласованные и рассогласованные фильтры

и компоненты ELECTRONICON для них

Алексей ЮШКОВ

yushkov_alexei@argussoft.ru

Статья посвящена проблемам возникновения и фильтрации сетевых помех, а также расчету параметров конденсаторов для фильтров.

Происхождение высших гармоник

Идеальный синусоидальный ток можно наблюдать только в сетях с линейной нагрузкой. Сегодня в крупных индустриальных сетях наблюдается преобладание нелинейных нагрузок, большую часть которых составляют электронные выпрямители и преобразователи переменного тока. Вентильные преобразователи используют индуктивную реактивную мощность и генерируют гармонические составляющие высшего порядка.

Задержка тока на угол регулирования а по отношению к моменту перехода синусоиды питающего напряжения через ноль определяет потребность вентильного преобразователя в реактивной мощности. Она может достигать значения номинальной мощности преобразователя (рис. 1).

1 к -д-к им

/ 0,5-

а

1 -0,5 0,5 1 Р исіісі

Рис. 1. Потребление реактивной мощности 6-тактовым выпрямителем

Наряду с этим, каждый вентильный преобразователь является генератором высших гармоник. Частота гармоник зависит от коэффициента пульсации преобразователя, то есть от того, как часто в течение одного периода происходит выпрямление.

Чаще всего применяется трехфазная мостовая схема, которая имеет коэффициент пульсации 6 (рис. 2).

Если разложить полученный ток нагрузки с помощью преобразования Фурье, то полу-

где

V = рхк±1,

^ Ъ

(1)

(2)

Л — частота высшей гармоники; Л — частота основной гармоники (частота сети 50 Гц); р — коэффициент пульсации; к — число натурального ряда.

Токи высших гармоник, воздействуя на полное сопротивление сети, вызывают искажения напряжения сети (рис. 4).

Рис. 2. Трехфазная мостовая схема выпрямления переменного тока

чим гармонический ряд с частотой основной гармоники, равной частоте сети (рис. 3).

Рис. 4. Искажение напряжения сети высшими гармониками

При компенсации реактивной мощности конденсаторами без дросселей (рис. 5) могут возникнуть значительные проблемы.

Как видно из рис. 5, конденсатор-компенсатор вместе с индуктивностями трансформатора и сети образуют параллельный колебательный контур. Полное сопротивление этого колебательного контура на его резонансной частоте может достигать очень высокого уровня.

Если резонансная частота лежит рядом с частотой, генерируемой вентильным электроприводом, то токи этих высших гармоник вынуждены проходить через большое сопротивление колебательного контура.

Появившиеся таким образом значительные падения напряжений наводят большие токи в колебательном контуре, которые дей-

Хм / \/V V V \/ \/ V V ✓ \/ уу V V V V V'

Среднее напряжение

X™ С Низкое напряжение

Вентильный

привод 1_ Хс

Рис. 3. Разложение выпрямленного тока на основную и высшие гармоники

Рис. 5. Компенсация реактивной мощности конденсаторами без дросселей

ствуют как помехи и искажения, вызывая сбои и аварии в работе установки (рис. 6).

Во избежание эффекта резонанса последовательно с компенсирующим конденсатором включается дроссель. Катушка дросселя и конденсатор образуют последовательный колебательный контур, который настраивается на определенную резонансную частоту, лежащую ниже частоты наименьшей встречающейся высшей гармоники. Мощность дросселя можно выразить в процентах от мощности конденсаторов (коэффициент дросселирования р) на основной гармонике. Такой последовательный колебательный контур называется рассогласованным фильтром.

В таблице 1 показаны коэффициенты дросселирования, чаще всего применяемые на практике. Как видно из таблицы, с повышением значения р понижается фильтрующий эффект, а также эффективность очищения сети.

Кроме того, на фильтрующий эффект оказывает влияние величина мощности конденсаторов. Поэтому компенсационные устройства с низким значением р должны иметь как можно большие размеры.

Как правило, это частота 5-й, 7-й, 11-й или 13-й гармоники (для преобразователей с коэффициентом пульсации р = 6 и более). Полное сопротивление такого фильтра на его резонансной частоте имеет очень малое значение. Фильтр для токов этой частоты является короткозамыкающим сопротивлением. Фильтрующее действие (коэффициент фильтрации) зависит от полного сопротивления питающей сети при коротком замыкании и от добротности фильтра, определяемой его остаточным сопротивлением. Для того чтобы фильтр мог принять на себя суммарный ток высших гармоник, генерируемых преобразователем тока, они должны быть правильно рассчитаны. Сделать правильную оценку можно, руководствуясь таблицей 2, в основу которой положены данные автоматизированной трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Таблица 2. Оценка высших гармоник

К1) Ток основной гармоники

1(5) 25% от 1(1)

1(7) 13% от 1(1)

1(11) 9% от 1(1)

1(13) 7% от 1(1)

Эти значения действительны для идеального сглаживания. При неидеальном сглаживании мы имеем дело с максимальной амплитудой 5-й гармоники, которая составляет 30-35% основной. Полная и точная регистрация токов высших гармоник возможна только при проведении анализа сети потребителя.

На рис. 7-9 поясняется действие согласованных фильтров.

Таблица 1. Коэффициенты дросселирования, применяемые на практике

Коэффициент дросселирования, % Резонансная частота, Гц Фильтрация 5-й гармоники, %

р = 5,67 210 30-50

р = 7 189 10-20

р = 14 134 0

В таблице 1 р и Л находятся в следующей зависимости:

✓ ✓ 1

4р (3)

Для электропотребителей, у которых мощность вентильных преобразователей составляет 50% и более, или в случае предъявления электроснабжающей организацией требований по снижению самогенерируемых высших гармоник в сети потребителя необходимо применять настроенные (согласованные) фильтры.

Для согласованных фильтров дроссели рассчитываются таким образом, чтобы они образовывали с конденсатором последовательный резонансный колебательный контур. Резонансная частота такого контура совпадает или очень близка к частоте, генерируемой вентильным преобразователем.

в зависимости от частоты

Согласующие фильтры сглаживают до 90% соответствующих токов высших гармоник. На практике данные фильтры устанавливаются для сглаживания 5-й, 7-й, 9-й и 11-й гармоник. Часто бывает достаточно установить фильтр только для 5-й гармоники.

Повышение качества сетей потребителей

В мире постоянно возрастает количество электроприемников с мощной электроникой, таких как фазовые или частотные электроприводы, вентильные преобразователи, полупроводниковые сварочные агрегаты, индукционные и электродуговые печи, полупроводниковые источники питания осветительных установок, электронные регуляторы напряжения и т. д. Применение перечисленных устройств совместно с бездроссельными или не оптимально рассчитанными компенсационными установками может приводить к сбоям, авариям и остановкам производственных процессов. Сбои и аварии вследствие воздействия высших гармоник в большинстве случаев распространяются и на соседние электроприемники.

Большие потери, перегрузка нулевого провода, ложное срабатывание аппаратуры защиты, помехи в работе систем централизованного управления, радиоустановок и контрольно-измерительных приборов, сбои в работе информационно-вычислительной техники и ее повреждение, выход из строя блоков питания и повреждение силовых конденсаторов и компенсационных установок — это далеко не полный перечень случаев нанесения ущерба.

Традиционные способы переключения конденсаторов не могут так быстро реагировать на изменение нагрузки, а недемпфированная коммутация больших емкостных мощностей часто ведет к дополнительной нестабильности сети. Последствиями являются большие пики и падения напряжения, мигание свето-установок, несимметрия реактивной нагрузки и ранее упомянутые помехи и неполадки.

Повышение качества сети потребителя является важным мероприятием для создания системы надежного электроснабжения. Принципиально этот вопрос может быть решен на стороне электроприемников и техническими мероприятиями в сети. К мероприятиям на стороне электроприемников, в первую

очередь, относится повышение коэффициента пульсации или использование электроприемников с вентильными преобразователями с низким обратным воздействием на сеть (и, соответственно, ограниченных по мощности).

Наиболее эффективным техническим мероприятием в сети является проблемно-оптимизированная компенсация реактивной мощности, гарантирующая качество потребления.

Такая компенсация реактивной мощности позволяет решить следующие проблемы:

• разгрузить передающие устройства, трансформаторы и кабельные линии и, при определенных условиях, избежать излишних дорогостоящих инвестиций;

• снизить тепловые потери и стоимость электроэнергии;

• избежать резонанса и его последствий;

• нацеленно фильтровать высшие гармоники и исключить последствия их влияния;

• снизить несимметрию и падение напряжения;

• мгновенно компенсировать всплески реактивной нагрузки и воспрепятствовать их последствиям;

• производить многочисленные переключения конденсаторов без бросков тока и практически без износа последних.

В таблице приведены максимально допустимые значения уровней напряжения высших гармоник в точках подключения к сети. В случае их превышения от электроснабжающей организации поступает требование снизить их, например, при помощи сглаживающих фильтров.

Электроприемники и компенсационные устройства с дросселями рассчитаны на эти граничные значения. Бездроссельные компенсационные устройства являются чисто емкостными, следовательно, они в любой

момент могут создать резонансный контур с индуктивностью сети.

В условиях перегрузок возможны сбои и при более низких уровнях, независимо от расчетных параметров конденсаторов.

При расчете компенсационных устройств с дросселями следует принимать граничные значения для 5-й и 7-й гармоник еще на 1% ниже, чтобы повысить надежность планирования в пограничной области и быть готовыми к повышенным требованиям.

Фильтрующие дроссели резонансной цепи

Потребителю, в сети которого содержится большое количество выпрямителей, электроприводов с управляемым числом оборотов или других производителей высших гармоник, часто требуется конденсаторная батарея с фильтрацией. Такая установка одновременно с компенсацией уменьшает вызванную высшими гармониками перена-грузку и отфильтровывает большую часть высших гармоник.

Последовательным включением дросселя и силового конденсатора создается резонансный контур. Резонансная частота этого контура лежит ниже частоты самой маленькой гармоники сети (чаще всего 5-й). Поэтому для всех других гармоник, лежащих выше

Таблица 3. Допустимые уровни высших гармоник согласно ІЕС-1000-2-2*

Номер гармоники Частота гармоники, Гц Допустимый уровень, %

100 2,0

3 150 5,0

4 200 1,0

5 250 6,0

6 300 0,5

7 350 5,0

8 400 0,5

9 450 1,5

10 500 0,5

11 550 3,5

12 600 0,2

13 650 3,0

14 700 0,2

15 750 0,3

16 800 0,2

17 850 2,0

18 900 0,2

19 950 1,5

Примечание: ІЕС — Международная электротехническая комиссия.

н и ' ґ ............................ г

Т

Г

1 II II II II II II ) I II II II II II II і I II II II II II II У

200

240

а

„ дм!!3

Рис. 10. Конструктивные исполнения дросселей

этой резонансной частоты, схема является индуктивной, и опасность резонанса между конденсаторной установкой и индуктивностью сети исключается.

Для таких целей компания ЕЬЕСТЮМСОЫ предлагает однофазные и трехфазные дроссели. Они изготавливаются из специально отобранной трансформаторной жести по технологии плоских или круглых медных проводов. Большой срок службы и высокая электрическая прочность достигаются путем вакуумной сушки и пропитки. Дроссели поставляются с соединительными клеммами. В зависимости от номинальной мощности предлагаются дроссели с боковыми выводами или гибкими теплостойкими проводами.

При превышении порога температуры 120 °С встроенный тепловой выключатель отсоединяет дроссель от сети.

Основные параметры:

• Нагрузка высшими гармониками при 100% продолжительности включения: и3 = 0,5% им; и5 = 5,0% им; и7 = 5,0% им; и11 = 0,5% им; и13 = 5,0% им.

• Нагрузка основной частотой: 11 = 1,06 х1м.

• Тепловые данные: !л = 1,05х1<$.

• Ферромагнитные данные: 11ы =1,6...2,0х!д, где I (1и„)>0,95х1к.

• Номинальное значение индуктивности, выбранное как среднее значение трех фаз, имеет допуск ±3%.

Конструктивные особенности:

• тип: трехфазный с железным сердечником и двойным воздушным зазором;

• класс защиты: 1Р00, внутренний монтаж;

• класс изоляции Т 40/В;

• вид охлаждения: самоохлаждаемый;

• материал витков: медь;

• пропитка: лавсановая смола, класс Б;

• подключение: клеммы или выводы на торцевой стороне или гибкие провода;

• изоляция: керн обмотки 3 кВ;

• контроль температуры: тепловой выключатель, температура отключения 120 °С;

• точность настройки: I = ±3%;

• основные положения:

VDE 0570 ТеИ 2 / 1ЕС 96/104^.

Для дросселей в зависимости от предъявляемых требований используются различные конструктивные исполнения. На рис. 10 показаны наиболее часто применяемые решения.

Расчет дросселей

Рассмотрим несколько примеров выбора дросселей на практике.

Согласованное по мощности исполнение Согласованные дроссели рассчитаны таким образом, что в группе со специально подобранным конденсатором они создают требуемую покупателем компенсационную мощность ступени. При этом учитываются изменившиеся условия внутри резонансного контура — между дросселем и конденсатором (нарастание напряжения).

Пример:

25 квар, 400 В, 50 Гц,

7% фильтрация (189 Гц)* конденсатор:

- компенсационный ток

/ = — = 62,5А

и

требуемая индуктивность:

(4)

напряжение на клеммах конденсатора:

и_

1-р

подгонка емкости

ис = 7—— = 430 В (5)

С = -

1

исх 2л х/

= 462 мкФ (6)

- выбор конденсатора по каталогу:

(3x154 мкФ) ^ 275.186-615400

- реактивность конденсатора:

1

271/хС

6,88 Ом (7)

*с =

1

2я/хС

= 6,39 Ом

• дроссель:

- требуемая реактивность дросселя:

Хь = Хсхр = 6,39 0мх0,07 = 0,45 Ом (11)

= 1,432 мГн

2 71/

выбор дросселя по каталогу:

^ 444.116-40D20 результирующее сопротивление:

ХОґиІ = Хс - Х1 = 5,94 Ом (13)

ток компенсации:

„ и 400 В

Хша1 5,94 Ом

= 67,34 А (14)

• дроссель:

- требуемая реактивность дросселя:

Х1 = Хсхр = 6,880x0.07 = 0,48 Ом (8)

- требуемая индуктивность:

Ь = —^— = 1,53 мГн (9) 2л/

- выбор дросселя по каталогу:

^ 444.116-40320

Несогласованное по мощности исполнение Несогласованные по мощности дроссели включаются с конденсаторами стандартных величин для номинальных напряжений. Недостатком при этом является возрастание мощности из-за роста напряжения внутри резонансного контура.

• Пример:

25 квар, 400 В, 50 Гц,

7% фильтрация (189 Гц)*

• конденсатор:

- стандартная емкость:

498 мкФ (3x166 мкФ)

- выбор конденсатора по каталогу:

^ 275.186-516600

- реактивность конденсатора:

- результирующая реактивная мощность: Q = их1 = 26,9 квар. (15)

Компания ЕЬЕСТКОШСОЫ рекомендует использовать в согласованных и расстроенных фильтрах однофазные и трехфазные конденсаторы переменного тока Е62.ХХХ/276.ХХХ, 275.ХХХ АС, а также серии Е62.ХХХ, Е53.ХХХ, Е51.ХХХ, Е56.ХХХ.

Конденсаторы серий Е62.ХХХ/276.ХХХ и 275.ХХХ (1-фазные и 3-фазные 640-1400 В перем. тока) специально разработаны для подавления высших гармоник в трехфазных цепях и имеют возможность работать на высоких переменных напряжениях при значительной емкостной нагрузке, а также обладают высокой стабильностью среднеквадратического тока и стойкостью к перегрузкам. Благодаря своей конструкции они имеют очень низкое последовательное сопротивление и малую собственную индуктивность. Три конденсаторных элемента соединены в треугольник (рис. 11), а использование минерального масла и смолы в качестве наполнителей позволяет улучшить рассеивание тепла. Защищенные от прикосновений выводы исполнения Ь и М (класс защиты 1Р20) используются для простоты подключения. Значительно улучшенные характеристики самовосстановления и встроенный предохранитель-прерыватель, срабатывающий от избыточного давления, обеспечивают стабильность работы и защиту от перегрузки и выхода из строя в конце срока службы. Стандартная конструкция предусматривает допуск ±5%. При необходимости есть возможность улучшить данный параметр.

Рис. 11. Принципиальная схема

Стандарты 1ЕС 1071, ЕМ 61071, ВDE 560-120/121

корпус алюминий

монтажное положение выводами вверх

наполнитель жидкость, основанная на минеральном масле, нетоксична

внутренняя защита предохранитель-прерыватель

интенсивность горения 40 ккал/кг

CNдопуск ±5%

прочность изоляции CxR|S 5000 с

tan80 2х10-4

рабочая температура ®min ••• ®max ®HOTSPOT -40...+85 °С <85 °С

температура хранения -40...+85 °С

ресурс @ ®hotspot -70°c n/ (допустимое несоответствие -3%) 100 000 ч

В заключение рассмотрим пример выбора конденсатора для АС-фильтра на практике.

АС-фильтр

Емкость 3x50 мкФ, требуемая для применения в фильтре, работающем в сети 480 В, 60 Гц, искаженной 17-й (9%) и 25-й (6%) гармониками. Пиковое результирующее напряжение 774 В.

Для АС-конденсаторов им АС определяется не значением Цф а значением пикового результирующего напряжения. В данном случае следует выбрать АС-конденсатор из серии Е62/276.ххх с им АС в 850 В — (1) на рис. 13.

Основное влияние на ресурс работы фильтрующих конденсаторов оказывает значение температуры самой нагретой точки внутри конструкции конденсатора ®Нокгот. Для определения температуры самой нагретой точ-

Uh KflVAJC ь,™ ыт u, idoov

1*11 м 14 И l>ii 01 1»

btl і* 41 lit tl U It U tf

1 ID ІГ l*(f 4 1

) л Ц * ij 1.0 )

им ья ІНІ/ >4 I) d До <R> \i l (I 4

Ui. IW0VAC u_7iov w Uiim

U * і 1-U ш l.i. u *

t.u as it Kll J

Рис. 13. Выбор конденсатора в соответствии с требуемыми параметрами

Рис. 14. Искажения напряжения, вносимые высшими гармониками

ки и мощности гармоник необходимо использовать приведенные ниже формулы.

Для начала необходимо определить значения для каждой частоты.

1. Определение тока на конденсаторе

It = U, x 2f X С,

(16)

и{ = напряжение гармоники; С = полная емкость (3-фазные конденсаторы: 3хСфазы); Л = частота гармоники.

2. Расчет требуемой реактивной мощности конденсатора

Q, = U x I,,

Ui jeff), Fi(eff), Гц Ii, A Qi, квар PВD, Вт ^R, В Pв, Вт

H1 480 60 27,1 13,03 2,61 0,52 3,12

H17 43 1020 41,5 1,79 0,36 1,21 0,57

H25 24 1500 33,9 0,81 0,16 0,81 0,97

E 60,1* 15,64 3,13 2,53 5,66

* т ■

total

(2G)

® AMBIENT = ®HOTSPOT =

= 85 °C- 17 K = 68 °C (22)

рабочая температура:

®min- ®max...................-40 ... +85 °C

®HOTSPOT..................-85 °C (4)

температура хранения: -40 ... +85 °C ресурс @ ®HOtSPOt -70 °C: 100 000 ч (допустимое несоответствие -3%) (5)

. Расчет максимально допустимой температуры окружающей среды для обеспечения рабочего ресурса в 100 000 ч — на рис. 13 (5):

©AMBIENT-PERM = ©HOTSPOT-1GGGGG

(17) = 7G “C- 17 K = 53 “C (23)

AT =

Q^ = реактивная мощность конденсатора на частоте гармоники Л.

3. Определение потерь на диэлектрике

рув = Qiх 1ап50, (18)

1ап80 = 2х10-4.

4. Расчет токовых потерь — (2) на рис. 13.

Руэ = ^хВ-5, (19)

= эквивалентное последовательное сопротивление каждой фазы.

5. Сводим все полученные результаты в таблицу:

Выбранный конденсатор может быть использован при температуре окружающей среды не выше 68 °С. Для обеспечения ресурса работы в 100 000 часов необходимо, чтобы продолжительная температура окружающей среды не превышала 53 °С.

В заключение следует проверить токовую нагрузку выводов:

3-ф.:

'

л/3

(23)

(24)

6. Определяем разницу между температурой окружающей среды и самой нагретой точкой внутри конденсатора— на рис. 13 (3).

АТ = РВхКл = 5,7 ВТх3 К/Вт = 17(21)

7. Определяем максимально допустимую температуру окружающей среды — на рис. 13 (4).

В рассмотренном примере ток для каждой фазы составляет 34,7 А. Этому параметру соответствует конденсатор Е62.Ш6-503Ь30 (ток согласно каталогу 43 А) — (6) на рис. 13.

Заключение

Ток высших гармоник в сети потребителя может вызывать критическое обратное воздействие на сеть. Возникающие вследствие этого помехи можно уменьшить или совсем их избежать, если поставить фильтр. В зависимости от расчетных параметров дросселей и конденсаторов колебательного контура можно достичь большей или меньшей степени снижения (фильтрации) тока высших гармоник. ■