Пассивные резонансные фильтры низковольтных сетей электроснабжения

Характер современного электропотребления во многом определяет интенсивное внедрение электротехнологического оборудования, преобразующего электрическую энергию с помощью дискретного управления коммутации ключевых вентильных элементов ( различного типа преобразователей ). Обусловленное переключением вентильной группы входного ( сетевого ) выпрямителя скачкообразное изменение тока нагрузки и падение напряжения на сопротивлении сети в интервале коммутации нарушают синусоидальность формы напряжения питания преобразователя, а циркуляция токов высших, кратных по отношению к промышленной частоте (50 Гц ), гармоник вызывает появление в распределительной сети, наряду с активной и реактивной, еще одной составляющей полной мощности [1], - мощности искажения ( distortion power ). В результате снижаются энергетические показатели электропривода производственных механизмов, увеличиваются потери силовых трансформаторов, вынуждающие повышать их запас по установленной мощности [2], возникают сбои в работе устройств автоматики, погрешности показаний счетчиков электроэнергии, ложные срабатывания защиты, т . е . обостряется проблема электромагнитной совместимости - обеспечение нормального функционирования электроприемников, подключенных к общей с преобразователями сети .

При симметричном входном напряжении, потребляемый ток I, наиболее час то встречающихся шестипульсных ( р -6) мостовых схем выпрямителя, будет содержать гармоники, числовой ряд которых определяют согласно соотношения : п=кхр+1, (1) где п - номер гармоники; к - натуральное число; р - число пульсаций выпрямленного напряжения, т.е. как минимум 5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю гармонику.

Увеличение относительно тока I основной гармоники I до среднеквадратичного значения из частот гармонического спектра резонансного или близкого к нему режима между емкостным характером сопротивления установки компенсации и индуктивным импедансом сети, существенно увеличивающим коэффициент искажения II (3) и соразмерные ему I потери электроэнергии [2] в элементах сети (проводниках, магнитных системах трансформаторов и реакторов). Экстремум частотной характеристики возникшего контура "КБ - распределительная сеть" обычно находится в области низких, наиболее мощных гармоник [2], генерируемых преобразователем.

Среди устройств, обеспечивающих нормативные требования по I электромагнитной совместимости нелинейной нагрузки преобразователей электроприводов, наиболее широко распространены сетевые дроссели [3], сглаживающие импульсные броски di/dt потребляемого тока (crest factor [1]). Устанавливаемые на входе мощных (десятки киловатт) частотно-регулируемых асинхронных приводов дроссели с высокой линейностью нагрузочной характеристики и индуктивностью в десятые доли миллигенри, позволяют снизить коэффициент искажения синусоидальности потребляемого тока до 45% [3,4]. Однако, как правило, этого недостаточно для нормальной работы чувствительных к высшим гармоникам электроприемников [3].

Несмотря на появление эффективных, но технически сложных и дорогостоящих систем активной фильтрации (active restoring system) - управляемые источники тока, в противофазе генерирующие гармоники, эквивалентные по частоте и мощности, присутствующим в сети, на сегодняшний день, для снижения одного из показателей норм качества электроэнергии (коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения - Ки [5]) в большинстве случаев применяют пассивные резонансные LC-цепи (passive tuned filter circuits), представляющие на фиксированных частотах настройки наименьшие сопротивления для тока соответствующей гармоники. Отметим, что поскольку наибольшее число электроприемников, в том числе нелинейных, подключено к низковольтной (до 1 кВ) сети электроснабжения, фильтрация гармоник именно на данном уровне напряжения во многих случаях наиболее целесообразна, так как предотвращает их распространение на распределительную сеть более высокого уровня напряжения. В качестве примера, рассмотрим построение, рекомендуемых для установки в сетях переменного тока при доле нелинейной нагрузки, превышающей 50% суммарной присоединенной мощности [6, 7], или в качестве блока входных (сетевых) фильтров систем "преобразователь-двигатель", пассивных резонансных LC-фильтров 4RF14 избирательного действия, собранных на базе однотипных, взаимозаменяемых компонентов компании Siemens [6]. Основные технические данные пассивных резонансных фильтров 4RF14, стандарты EN 60439-1, EN 60831-1, IEC 439-1 приведены в табл.1.

Табл.1

Так как подобные LC-фильтры обеспечивают неуправляемую, независящую от коэффициента мощности сети подключения - coscp] (4), коррекцию индуктивной составляющей IRms нагрузки, в случае необходимости одновременной фильтрации и точной (фиксированной) компенсации реактивной мощности сети, совместно с фильтрами 4RF14 можно использовать рассогласованные (detuned systems) звенья "антирезонансный дроссель - КБ" [7], синтезируя подобным образом характеристики системы фильтрокомпенсации. Стандартные модули фильтрационных цепей (табя.2), обеспечивающих степень подавления (затухания) напряжения 5-й, 7-й, 11/13-й гармоники до 90% [6], размещают в принудительно вентилируемых напольных шкафах унифицированного габарита, со степенью защиты IP20. На рис.1 показан передний (слева) и задний вид шкафов установки фильтров 4RF14 (2x175 квар, ток гармоник 504 А), размеры 2275х(2х600)х625 мм, степень защиты IP20.

Рис.1

При необходимости в шкафу возможна установка комбинаций различных модулей, а в зависимости от требуемой мощности подавления гармоники фильтрационные ступени могут состоять из одной или нескольких симметричных трехфазных параллельных ветвей. Выборочные технические данные серийно выпускаемых модулей вследствие и скажения синусои дальности ( total harmonic distortion-THDj [ J, 2 JI, характеризуется соответствующим коэффициентом искажения снижает, кр атно присутствующему суммар ному гармоническому спектру ( 1), коэффициент мощности п реобразователя :

Таким образом, повышение фактора мощности - coscp (4) - в сети, содержащей нелинейные электроприемники, не может быть выполнено без коррекции величины А, (3), т.е. только путем компенсации реактивной мощности (повышения коэффициента мощности на частоте основной гармоники - coscpi), например, с помощью конденсаторных батарей (КБ) статических компенсаторов реактивной мощности нельзя увеличить cos.

Кроме того, при наличии в системе электроснабжения КБ компенсации реактивной мощности, возможно образование на одной фильтров 4RF14 5-ой, 7-ой, 11/13 гармоник [6] приведены в табл.2. В модулях 4RF14 напряжение цепей управления 230 В/50 Гц; габаритные размеры модулей 2275x600x625 мм. Табл.2

Каждая ветвь включает в себя следующие элементы : 1. Контактор и выключатель-размыкатель с контролем состояния плавких предохранителей, создающий видимый разрыв цепи (например, типа 3NP42/43, в котором контроль целостности предохранителей достигается посредством заводского монтажа в едином блоке размыкателя и автоматического выключателя серии SIRIUS). 2. Плавкие предохранители ножевого (NH) типа, категории gL/gG (защита общего назначения во всем диапазоне нагрузок линий с небольшими расчетными токами КЗ - gL или защита общего применения во всем диапазоне нагрузки - gG), обладающие высокой отключающей способностью (HRS). 3. Трехфазные дроссели, имеющие небольшую погрешность номинального значения индуктивности. Воздушные охлаждающие каналы магнитопровода улучшают отвод тепла, а температурный датчик, расположенный внутри средней обмотки Ш-образного сердечника, отключает дроссель в случае перегрева. 4. Металлопленочные косинусные конденсаторы MKK/MKV, имеющие повышенное, относительно регламентируемого стандартом IEC831 (ГОСТом 1282-88) как 30% от номинального тока 1ном, значение максимально допустимой токовой перегрузки 1макс.доп. Например, для МКК-конденсаторов типа PhaseCap, выполненных по запатентованной Siemens Matsushita Components технологии укладки секций, предусматривающей одновременное упрочение и расширение их контактной поверхности за счет ровного и волнового среза кромок пленки, 1макс.доп=1,5х1ном, а для серии MKV, электродов из двухсторонне металлизированной конденсаторной бумаги, пропитанной минеральным маслом и диэлектрической прокладкой из полипропиленовой пленки, 1макс.доп=1,8х1ном [7]. Этим обеспечивается существенное увеличение допустимой тепловой нагрузки КБ. Фильтрационные LC-цепи и их отдельные ветви коммутируются вручную или по команде контроллера. Первоначально включаются цепи гармоник более низких частот. Выбор конфигурации фильтра индивидуален и производится в соответствии с присутствующими в сети значениями токов наибольших гармоник. В случае замера гармоник в относительных единицах (процентах от основной гармоники) относительное значение гармоники умножается на номинальный расчетный ток сети фильтрации. Также должен быть известен (при необходимости предварительно измерен) гармонический спектр в сети более высокого уровня напряжения (со стороны обмотки высшего напряжения силового трансформатора сети подключения фильтров). Если требуется фильтрация токов гармоник, больших по величине, чем указаны в стандартные модули фильтров 4RF14 соединяют параллельно. По запросу в конструкции фильтра может быть предусмотрено ступенчатое переключение LC-цепочек 5-й, 7-й и 11/13-й гармоник.

Как показал опыт эксплуатации низковольтных распределительных сетей с большой долей нелинейной нагрузки, даже при условии соблюдения допустимых значений коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения [5], нормируемая энергосистемой величина средневзвешенного коэффициента мощности - соэсрсв (tgcp ев) - не может быть достигнута только с помощью емкостных компенсационных элементов [4], в том числе при их компоновке расстраивающими дросселями [7], предназначенными, в первую очередь, для защиты КБ и предотвращения резонансных явлений. Практически, степень подавления подобными рассогласованными звеньями мощности гармонического искажения не превышает 1 ...2 дБ, в то время как, учитывая непрерывное изменение параметров распределительной сети, эффективной фильтрацией можно считать возможность ее снижения в 10 и более раз. Установка резонансных фильтров, помимо подавления гармоник, во многих случаях [3, 4] позволяет увеличить cos ев (tgcp ев) до приемлемого значения без дополнительной установки КБ поперечной статической компенсации.