Застосування активних фільтрів, фільтри гармонік, активні фільтри гармонік

Ефективний метод покращення якості електроенергії

Повсюдне використання нелінійних навантажень, що включають силове електронне обладнання: вентильні перетворювачі та пристрої частотного регулювання електроприводу, насичені трансформатори та електродвигуни, потужні електричні печі та зварювальне обладнання, призвело до необхідності розробки та впровадження систем корекції форми кривих струму та напруги. Один із перспективних методів вирішення зазначеної задачі – застосування активних фільтрів.

Існують послідовна, паралельна та змішана топології підключення активних фільтрів, принципово ж розрізняють два типи:

послідовний активний
фільтрпаралельний активний фільтр

Послідовний активний фільтр

Послідовний фільтр по суті є керованим генератором напруги і є ефективним рішенням для компенсації провалів, флікера несиметрії та гармонійних складових у напрузі мережі. Однак вони мають деякі недоліки. Розрахований на повний струм навантаження, має високу потужність і, відповідно, вартість. Крім того, не може прямо виправляти струми навантаження, підключеного за ним, впливаючи на них лише за допомогою зміни напруги. Істотною перевагою є виправлення спотвореної форми напруження незалежно від природи виникнення спотворень. Принцип дії та блок-схема послідовного фільтра показано на малюнку 1.

Рис.1. Принцип дії та блок-схема послідовного фільтра.

Паралельний активний фільтр

Параметри паралельних фільтрів повинні бути підібрані тільки для гармонійних величин струмів від нелінійного навантаження. Ще одна перевага -принцип регулювання з корекцією струму (фільтр як джерело струму, що регулюється), і пов'язане з цим поліпшення напруги живлення інших споживачів. У таких мережах джерела збурень — споживані навантаженням струми (THD(I) %>THD(U)%). Сумарні гармонічні спотворення за струмом % завжди вищі, ніж за напругою. Логічно і швидкодіючі виправляти першопричину. Для послідовного фільтра в цьому випадку підходить завдання зменшення впливу від зовнішніх збурень з мережі, перш за все по напрузі. Це твердження можна заперечувати, але вартісний фактор підкаже саме таку логіку дій! Таким чином, місце застосування паралельного фільтра – ближче до нелінійного навантаження. Загальним у побудові фільтрів є принцип регулювання за відхиленням від заданої величини, вони обидва включають датчики виміряних сигналів і блоки формування опорних сигналів за напругою або струмом - за типом фільтра, відповідно. Отже, повинні мати значну швидкодію (0,02-0,5 мс) і часом відгуку 0,2-2 мс для мереж 50-60 Гц. Тому як регулюючий елемент застосовують IGBT_транзистори. Використовується також принцип ШІМ регулювання (регулювання з використанням широтноімпульсної модуляції сигналу). У сучасних умовах спадщини єдиної енергетичної системи РФ, враховуючи статистику нечастих збоїв на центральних генеруючих потужностях, в мережах, що передають, представляється більш цікавою завдання впливу нелінійних споживачів на власну розподільчу мережу. Цьому присвячено подальший опис. Отже, якщо в мережі присутні гармоніки струму через наявність нелінійних навантажень, найкращим та універсальним способом підвищення якості електроживлення є встановлення паралельних активних фільтрів. Розглянемо цей фільтр на прикладісучасної серії APF виробництва іспанської фірми CIRCUTOR випуску 2007—2008 років. Фільтри APF забезпечують компенсацію гармонік, асиметрії та фазового зсуву струму мережі. APF повинен бути підключений паралельно до живильної лінії, як показано на малюнку 2.

Рисунок 2. Схема підключення паралельного активного фільтра APF.

Тоді фільтр компенсує пульсацію, асиметрію та відставання по фазі, викликані роботою нелінійного навантаження, підключеної нижче за напрямом протікання струму. Принцип компенсації гармонік ґрунтується на інжектуванні пульсуючого струму в протифазі, що знищує гармоніки, що генеруються навантаженням (див. рис.3).

Типи паралельних фільтрів AF_APF

Залежно від конфігурації поділяють кілька типів паралельних активних фільтрів:

Однофазні (AF 2) - для усунення гармонік, генерованих однофазним навантаженням (2_провідні лінії), у тому числі комп'ютерні лінії. Трифазні 3-провідні (AF3_W) – фільтри такого типу призначені для усунення гармонік трифазної симетричної системи без нейтрального провідника – у тому числі перешкод від ДБЖ (UPS) джерел безперебійного живлення. Трифазні 4-провідні багатофункціональні паралельні активні: фільтри APF-4W виробництва Circutor належать саме до універсального типу.

Фільтри можуть вирішити одночасно чотири завдання:

симетрування напруг (опосередковано через симетрування струмів) мережі (Network balansing);
пов'язане із цим зниження практично до 0 струму нейтралі;
придушення струмових (і отже поліпшення THD(I) та THD(U)) гармонік; PF_коригування або компенсація реактивної потужності (підвищення cosφ).

Пріоритет цих функцій програмується. Конструкція містить інвертор з 4-ївисновками, що діє за принципом генерації зустрічного протифазного струму «дзеркальної» форми по відношенню до спотворень струму навантаження. Важливою особливістю конструкції APF є блоковий принцип організації потужностей, що дозволяє легко нарощувати потрібну встановлену потужність. Основною перевагою 4-провідних фільтрів є можливість компенсації всіх типів гармонік, включаючи струми нульової послідовності та, у разі несиметричних навантажень, вони також здатні балансувати струми між різними фазами для мінімізації струму нейтралі.

Поведінка APF фільтра в умовах обмеження струму

APF фільтри працюють як джерела струму та їх ефективність обмежена власним номінальним струмом. Такий обмежуючий струм позначається як Ilimit і використовується для усунення гармонік, асиметрії та запізнення фаз. За нормальних умов роботи, якщо необхідний струм не досягає Ilimit, APF компенсує всі реактивні складові: гармоніки, асиметрію та запізнення фаз. Якщо навантаження потрібна компенсація з номіналом струму вище Ilimit, тоді компенсування запізнення фаз (залежно від уставки) може бути автоматично відключено, а весь номінальний струм буде пущений на компенсацію гармонік та запізнення фаз. Якщо все-таки навантаженню потрібно компенсуючий струм вище Ilimit, тоді компенсування асиметрії або гармонік (залежно від уставок) буде автоматично відключено, і вся потужність фільтра буде надана на виконання функції з найвищим пріоритетом. У випадку, якщо активовано лише функцію компенсації гармонік, а навантаженню потрібно струм вище Ilimit, компенсування гармонік буде лише частковим. Функція set-up при пуску дозволяє виконати програмування пріоритетів між функціями компенсації (гармонік,асиметрії або запізнення фаз), крім того, можливий вибір пріоритету для компенсації окремої гармонійної складової. При правильному налаштуванні фільтр не може перевантажитися, він може лише недовиконати в % компенсацію збурень, навіть якщо його потужність була підібрана, наприклад, неправильно.

Особливості застосування паралельних активних фільтрів APF

Фільтри APF розроблені спеціально для усунення гармонік, асиметрії та запізнення фаз у низьковольтних розподільчих системах – до 1000 В з кількома однофазними навантаженнями (або міжфазними), що генерують такі реактивні складові. Струм нейтралі фільтра APF в 1,5 рази більше фазного струму. Це означає, що у збалансованій системі APF може компенсувати до 40% третьої гармоніки по фазі без досягнення Ilimit (максимально можливого) струму на нейтралі. Для вищих гармонік залишковий струм залишається на нейтралі. APF може бути встановлений паралельно з іншими налаштованими фільтрами або з конденсаторними установками, але лише за умови наявності фільтрів. Компенсація cosφ повинна забезпечуватися засмученими фільтрами з налаштуванням на p=7%, p=14% або p=5,6%. З вбудованим у шафу аналізатором якості та кількості електроенергії CVMk2 фільтр APF є системою моніторингу та регулювання якості електричної енергії.

Автор: Жигарьов Сергій Вікторович, технічний директор ТОВ 'ТРІУМФ'