Дроссели в системах фильтров высших гармоник

Задачи фильтров высших гармоник в электроэнергетических сетях.

В наиболее часто встречаемых системах трёхфазных мостовых преобразователей (шестипульсирующие системы) протекание тока с первичной стороны трансформатора – при условии симметрии питающих напряжений, коммутационных полных сопротивлений и углов запаздывания выключения тиристоров – кроме основной составляющей будет содержать гармоники, минимум: 5, 7, 11, 13, номера которых определяются по формуле(1):

 

 n= kp±1,

 

где: n – порядок гармоники, k – натуральное число, p – число пульсаций выпрямленного напряжения.

Значения амплитуд гармонических составляющих можно определить, используя уравнение(2):

 

A_n=1/n*A₁,

 

где: A₁ – Амплитуда основной гармоники напряжения, A_n – амплитуда n-ой гармоники.

 

Чрезмерно большое содержание высших гармоник тока питания может вызвать значительное увеличение потерь мощности в устройствах и машинах, работающих совместно с преобразователями, в результате протекания тока повышенной частоты или вызвать нарушения в работе устройств путём искажения напряжения питания. Особенно, это относится к конденсаторным батареям, работающим параллельно с преобразовательной системой. Уменьшение полного сопротивления конденсаторов вместе с увеличением частоты может вызвать повреждение батареи в результате перегрузки токами с частотами высших гармоник.

Кроме того, опасным явлением является параллельный резонанс в системе. Гармоники, создаваемые бесступенчатыми приводными системами, могут быть усилены даже в 10-15 раз в цепи параллельного резонанса, образованного емкостным реактивным сопротивлением конденсаторной батареи и индуктивностью сети. Это явление может привести к повреждению как конденсаторной батареи, так и преобразователя.

Гармонические составляющие при невыгодных условиях могут представлять опасность для механической конструкции электрических машин. Пары гармоник, например 5 и 7, могут вызвать механические колебания с частотой 6-той гармоники в генераторе или двигателе. Эти колебания возникают из-за колебаний вращающего момента в результате искажения кривой напряжения питания. Когда частота этих колебаний совпадёт с частотой механического резонанса, тогда механическая конструкция машины будет подвержена значительным перегрузкам.

Обременительный эффект шумной работы электрических машин, являющийся результатом явления магнитострикции, дополнительно усиливается из- за относительно высоких частот гармонических составляющих тока. Токи, искажённые содержанием высших гармоник, вызывают, кроме того, более интенсивное нагревание электроэнергетических проводов и кабелей в результате явления поверхностного эффекта и эффекта близости.

Роль фильтров LC, элементами которых являются дроссели типа ED3F, заключается в ограничении отрицательного влияния высших гармоник тока на электроэнергетическую сеть и на все устройства, присоединённые к ней.

На рисунке 1 приведена типовая схема для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармонок. Здесь имеют место три фильтрующие ветви, относящиеся к 5, 7, 11-ой гармоникам. Количество устраиваемых фильтрующих ветвей зависит от требуемой реактивной мощности, необходимой для компенсации, а также от измерений и точного анализа содержания конкретных гармоник в сети.

 

 

рис1. Упрощённая схема цепи компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник.

 

Фильтры – это последовательные резонансные системы LC, параллельно подключенные к цепи питания преобразователя, которые исполняют двойную роль: компенсируют реактивную мощность, потребляемую приводной системой, и предотвращают проникновение высших гармоник в электрическую сеть. Реактивное сопротивление фильтра, в зависимости от номера гармоники, составляет(3):

 

 X_nf=nωL_f  -1/nωC_f,

 

где: Lf ,Cf – индуктивность и ёмкость ветви цепи, представляющей фильтр; n – порядок гармоники; ω – пульсация (5,6).

При надлежащим образом подобранных величинах индуктивности и ёмкости, фильтр для основной гармоники и для гармоник низших чем nr (резонансная частота) порядков, будет являться емкостной нагрузкой, а для всех гармоник высших порядков – индуктивной нагрузкой. Для резонансной частоты ветвь LC будет иметь небольшое полное сопротивление, равное в принципе активному сопротивлению обмоток дросселя. Ток с резонансной частотой будет замыкаться между преобразователем и фильтром, не попадая в сеть питания. Для основной гармоники ветви фильтра всегда имеют емкостной характер, что в практике означает реализацию компенсации реактивной мощности (рис.2)(2).

 

 

рис2. Характеристика полного сопротивления фильтра LC (1).

 

Разновидностью дросселей типа ED3F являются успокаивающие дроссели для защиты конденсаторной батареи. Эксплуатационные свойства этих дросселей характеризуются коэффициентом успокоения p(%). Значение коэффициента успокоения можно определить по формуле (4).

 

p(%)=100*U_L/U_c=100*(F/F_r)²

 

где: U_L,U_c – напряжение индуктивности и ёмкости ветви LC, F– сетевая частота F_r– резонансная частота

 

Наиболее часто выпускаются дроссели с коэффициентами успокоения p=7% и p=5%, что соответствует резонансным частотам соответственно F_r=189Гц и F_r=223Гц (рис3). Дроссели с такими коэффициентами успокоения применяются повсеместно в компенсационных системах, в которых пятая и седьмая гармоники достигают опасно высокого уровня. В системах со значительным содержанием третьей гармоники, применяются дроссели с коэффициентом успокоения p=14%, что соответствует резонансной частоте F_r=133Гц.

 

 

рис3. Характеристика успокоения системы LC с защитным дросселем с коэффициентом p=7%.(на основании литературных источников).

 

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ ИНЕРТНЫХ ФИЛЬТРОВ LC Существует большое количество технических решений промышленного применения, однако, наиболее часто используются инертные фильтры LC (рис.4).

 

 

рис4. Примеры схем инертных фильтров LC.

 

Ветви фильтра LC, представленного на (рис.4a), во время работы находятся под напряжением проводимости сети. В связи с этим, конденсаторные батареи и дроссели будут в этом случае, особенно в диапазоне средних напряжений, значительно дороже, чем в схемах (рис.4b,c). Поэтому конфигурация фильтра (рис.4a) применяется повсеместно в системах низкого напряжения. Недостатком этого решения является отсутствие возможности фильтрования тройных гармоник. Это является возможным только в схеме звезды с заземлённой нулевой точкой.

В схеме (рис.4b) значения напряжений на отдельных фазах фильтра зависят от ёмкости и индуктивности каждой ветви. В связи с необходимостью обеспечения регулярного рабочего напряжения во всех трёх фазах, необходимо обеспечить точную симметрию ёмкости и индуктивности. Схемы (рис.4a,b) могут применяться в произвольных системах трёхфазной сети. А схема (рис.4c) не может быть применена в сети с изолированной нулевой точкой или с нулевой точкой, заземлённой через успокаивающий дроссель. В такой схеме ветви фильтра работают практически при равных напряжениях ( U_p/√3). В случае замыкания одной фазы на землёю, в остальных ветвях появляется наименьшее линейное напряжение U_p. Это напряжение в √3 раза больше напряжения при нормальном состоянии работы. Конденсаторная батарея в этом случае должна быть очень быстро выключена (t ≤ 1мин.). А в сетях с изолированной нулевой точкой о замыканиях на землю в основном только поступает сигнал, замыкание длится значительно дольше, что является существенной опасностью для системы фильтров (1,2).

Параметры дросселей, предназначенных для работы в системах фильтрации гармоник, находятся соответственно в пределах от десятых частей до нескольких миллигенри и от нескольких до нескольких сотен ампер. Эти параметры зависят исключительно от схемы фильтра, ёмкости и мощности конденсаторной батареи, совместно с которой дроссель будет работать. Стержень дросселя изготавливается из электротехнической кремнистой жести толщиной (0,25 – 0,5) мм. Обмотки выполнены из обмоточного провода, круглого или профильного, навиты на каркасах и размещены на сердечнике. После закрытия сердечника всё подвергается вакуумной импрегнации, которая успешно защищает дроссель от воздействия климатических факторов. После оснащения дросселя выводами или кабельными башмаками, а также механическим оборудованием, готовое устройство подвергается серии тестов на электрической испытательной станции. Эти испытания выявляют все возможные недостатки изделия, которые могли остаться незамеченными в процессе производства. Все работы, начиная от приобретения материалов, используемых для изготовления, и кончая отправкой готового изделия, производятся в соответствии с процедурами системы обеспечения качества ISO-9002, что гарантирует наивысшее качество выпускаемых машин и оборудования.