Пассивный фильтр гармоник: принцип работы и применение с частотным преобразователем

Преобразователи частоты позволяют плавно регулировать скорость электродвигателей, снижать пусковые нагрузки и автоматизировать работу электропривода. Но у стандартной схемы ПЧ есть особенность: входной выпрямитель является нелинейной нагрузкой и потребляет из сети ток несинусоидальной формы.

В результате в питающей сети возникают высшие гармоники. Если преобразователей немного и их мощность невелика относительно мощности трансформатора, проблема может быть практически незаметна. Но при большом количестве частотно-регулируемых приводов гармонические искажения способны привести к дополнительному нагреву оборудования, росту потерь и ухудшению качества электроэнергии.

Одним из способов снижения таких искажений является пассивный фильтр гармоник, устанавливаемый на входной стороне преобразователя частоты.

Разберемся, как он работает, чем отличается от обычного сетевого дросселя и в каких случаях его применение действительно оправдано.

Откуда берутся гармоники при работе преобразователя частоты

В типичном трехфазном преобразователе частоты переменное напряжение сети сначала поступает на диодный выпрямитель.

Упрощенно схема выглядит так:

трехфазная сеть → выпрямитель ПЧ → звено постоянного тока → инвертор → электродвигатель

Наиболее распространенная входная схема промышленного ПЧ — шестипульсный диодный выпрямитель.

Такой выпрямитель потребляет ток не непрерывно в течение всей синусоиды напряжения, а преимущественно в определенные моменты времени, когда происходит заряд конденсаторов звена постоянного тока.

В результате форма сетевого тока отличается от синусоидальной.

В его спектре появляются гармонические составляющие. Для шестипульсных выпрямителей наиболее характерны гармоники порядков:

• 5;

• 7;

• 11;

• 13;

• далее — гармоники более высокого порядка.

ABB также относит диодные и тиристорные мосты к типичным источникам гармонических искажений в электрических сетях.

Что такое гармоники

В идеальной электрической сети напряжение и ток имеют синусоидальную форму с основной частотой 50 Гц.

Гармоники представляют собой составляющие с частотами, кратными основной частоте.

Например, для сети 50 Гц:

• 1-я гармоника — 50 Гц;

• 5-я — 250 Гц;

• 7-я — 350 Гц;

• 11-я — 550 Гц;

• 13-я — 650 Гц.

Чем больше доля высших гармоник, тем сильнее фактическая форма тока отличается от идеальной синусоиды.

Для оценки общего уровня искажений используется показатель THD — Total Harmonic Distortion.

Когда речь идет о токе, применяется обозначение:

THDi — Total Harmonic Distortion of current.

Именно снижение THDi является одной из основных задач фильтрации гармоник на входе преобразователя частоты.

Чем гармоники могут быть опасны

Высшие гармоники сами по себе не обязательно приводят к немедленной аварии. Проблема заключается в их систематическом воздействии на электрическую сеть и подключенное оборудование.

При значительной гармонической нагрузке возможны:

• дополнительный нагрев трансформаторов;

• увеличение потерь в кабельных линиях;

• рост действующего значения тока;

• перегрев элементов распределительной сети;

• нежелательное срабатывание защитной аппаратуры;

• дополнительная нагрузка на генераторы;

• искажение напряжения в общей точке подключения;

• ухудшение работы чувствительного оборудования;

• сокращение ресурса отдельных компонентов системы.

ELHAND, например, указывает среди возможных последствий гармонических искажений перегрев трансформаторов и проводников, а также нежелательное срабатывание автоматических выключателей.

Особенно актуальной проблема становится на объектах, где преобразователи частоты составляют значительную часть общей электрической нагрузки.

Что такое пассивный фильтр гармоник

Пассивный фильтр гармоник — это электротехническое устройство, использующее пассивные компоненты, прежде всего индуктивности и конденсаторы, для снижения гармонических составляющих тока.

Такой фильтр не генерирует компенсирующий ток с помощью силовой электроники, как активный фильтр. Его характеристики задаются параметрами собственных реактивных элементов.

Применительно к частотному преобразователю схема обычно выглядит так:

электрическая сеть → пассивный фильтр гармоник → преобразователь частоты → электродвигатель

То есть это именно входной фильтр, работающий со стороны питающей сети.

Главная задача устройства — уменьшить количество гармонических токов, которые нелинейная нагрузка возвращает в электрическую сеть.

Пассивные гармонические фильтры применяются, в частности, совместно с шестипульсными преобразователями. ELHAND прямо указывает, что входной passive harmonic filter устанавливается между питающей сетью и шестипульсным преобразователем для снижения гармоник сетевого тока.

Как работает пассивный фильтр гармоник

В основе работы лежит частотная зависимость сопротивления катушек индуктивности и конденсаторов.

Индуктивное сопротивление увеличивается с ростом частоты:

Xₗ = 2πfL

где:

• Xₗ — индуктивное сопротивление;

• f — частота;

• L — индуктивность.

Для конденсатора ситуация обратная: его реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты:

Xc = 1 / (2πfC)

Благодаря сочетанию индуктивных и емкостных элементов можно сформировать электрическую цепь, которая по-разному воздействует на основную частоту 50 Гц и на высшие гармоники.

Параметры фильтра рассчитываются таким образом, чтобы максимально ослабить характерные гармонические составляющие нагрузки и при этом обеспечить нормальную передачу основной составляющей мощности.

Danfoss описывает пассивные гармонические фильтры как системы на основе катушек и конденсаторов, параметры которых подбираются с учетом гармоник, создаваемых нагрузкой.

Почему фильтр называется пассивным

Фильтры гармоник делятся на два больших типа:

пассивные и активные.

Пассивный фильтр содержит традиционные электротехнические компоненты:

• дроссели;

• конденсаторы;

• иногда дополнительные резистивные элементы;

• коммутационную и защитную аппаратуру.

Он не анализирует ток сети в реальном времени и не формирует искусственный противофазный ток.

Активный фильтр работает иначе. С помощью силовой электроники он измеряет гармонический состав нагрузки и генерирует компенсирующий ток.

Поэтому пассивное решение обычно проще по структуре, но сильнее зависит от параметров конкретной сети и нагрузки.

Где устанавливается фильтр гармоник относительно ПЧ

Это важный момент, потому что сетевые и выходные фильтры часто путают.

Пассивный фильтр гармоник

Устанавливается:

сеть → фильтр → ПЧ

Он работает преимущественно с током на входе преобразователя.

Синус-фильтр

Устанавливается:

ПЧ → синус-фильтр → двигатель

Он работает с выходным ШИМ-напряжением преобразователя.

Это принципиально разные устройства.

Синус-фильтры ФС, выпускаемые СЗСЭМ, например, устанавливаются именно на выходе ПЧ и предназначены для улучшения формы выходного напряжения, ограничения du/dt и перенапряжений на двигателе.

Следовательно, синус-фильтр нельзя использовать вместо входного фильтра гармоник и наоборот.

Пассивный фильтр гармоник и сетевой дроссель: в чем разница

Сетевой дроссель также способен уменьшать гармонические составляющие входного тока ПЧ.

Но между ним и полноценным пассивным фильтром есть существенная разница.

Сетевой дроссель

Представляет собой преимущественно индуктивный элемент.

Схема:

сеть → сетевой дроссель → ПЧ

Дроссель:

• увеличивает входное сопротивление;

• ограничивает броски тока;

• сглаживает форму входного тока;

• частично уменьшает гармонические составляющие;

• защищает ПЧ от некоторых сетевых импульсов.

Сетевые дроссели СЗСЭМ серии ДТС именно для этого устанавливаются между сетью и преобразователем частоты. Производитель отмечает их способность препятствовать распространению высших гармоник от ПЧ в питающую сеть и одновременно защищать преобразователь от скачков напряжения и токовых бросков.

Пассивный фильтр гармоник

Представляет собой более сложную фильтрующую цепь.

Он специально рассчитывается для более значительного уменьшения гармонических токов.

Если условно представить уровни воздействия:

ПЧ без дросселя → высокий уровень гармоник

ПЧ + сетевой дроссель → гармоник заметно меньше

ПЧ + специализированный пассивный фильтр → возможно существенно более глубокое снижение THDi

В техническом руководстве ABB для типового шестипульсного привода приводится ориентировочное сравнение: применение достаточно крупной индуктивности может дать THDi порядка 40%, тогда как специализированный пассивный фильтр при соответствующих условиях способен обеспечить уровень менее 10%. Конкретные результаты зависят от параметров сети и оборудования.

Поэтому обычный сетевой дроссель и пассивный фильтр гармоник нельзя считать полностью взаимозаменяемыми.

Чем фильтр гармоник отличается от EMC/EMI-фильтра

Еще одна распространенная ошибка — считать любой сетевой фильтр преобразователя частоты фильтром гармоник.

На практике необходимо различать диапазоны частот и решаемые задачи.

Фильтр гармоник

Работает прежде всего с низкочастотными гармоническими составляющими, связанными с работой выпрямителя ПЧ.

Для сети 50 Гц это, например:

• 250 Гц;

• 350 Гц;

• 550 Гц;

• 650 Гц.

EMC/EMI-фильтр

Предназначен прежде всего для борьбы с высокочастотными электромагнитными помехами.

На странице сетевых дросселей СЗСЭМ отдельно указано, что для защиты сети от кондуктивных помех, создаваемых ШИМ-инвертором в диапазоне примерно от 150 кГц до 30 МГц, совместно с сетевым дросселем следует использовать трехфазные EMC/EMI-фильтры.

Получается:

сетевой дроссель ≠ пассивный фильтр гармоник ≠ EMC/EMI-фильтр.

Хотя все три устройства устанавливаются на сетевой стороне или связаны с защитой питающей сети, задачи у них различаются.

Когда одного сетевого дросселя достаточно

Не каждой установке нужен сложный фильтр гармоник.

В ряде случаев сетевого дросселя оказывается достаточно.

Например, когда:

• мощность ПЧ невелика относительно мощности питающего трансформатора;

• на объекте немного нелинейных нагрузок;

• уровень гармонических искажений не превышает допустимых значений;

• нет жестких требований к THDi;

• необходимо прежде всего ограничить токовые броски и защитить вход ПЧ;

• преобразователь уже оснащен эффективным DC-дросселем.

Сетевой дроссель — относительно простое решение, позволяющее значительно улучшить условия работы стандартного шестипульсного преобразователя.

СЗСЭМ выпускает трехфазные сетевые дроссели серии ДТС с вариантами падения напряжения 2% и 4% для комплектации преобразователей частоты разных производителей.

Когда стоит рассматривать пассивный фильтр гармоник

Более глубокая фильтрация может понадобиться, если:

• на одном трансформаторе работает большое количество ПЧ;

• преобразователи составляют значительную часть общей мощности нагрузки;

• измеренный THDi оказывается высоким;

• наблюдается заметное искажение напряжения;

• возникают перегрев трансформаторов и кабелей;

• оборудование чувствительно к качеству питающей сети;

• существуют ограничения по допустимому уровню гармоник;

• требуется выполнить требования проекта по качеству электроэнергии;

• простой сетевой дроссель не обеспечивает необходимого результата.

В таком случае пассивный фильтр гармоник может оказаться эффективнее одного входного дросселя.

ELHAND, например, выпускает пассивные фильтры серии EF3H для шестипульсных выпрямителей с вариантами, рассчитанными на снижение THDi до уровней менее 10% или 5% в предусмотренных производителем условиях.

Как выглядит типичная схема

Для отдельного частотно-регулируемого привода схема может выглядеть следующим образом:

трансформатор → распределительное устройство → пассивный фильтр гармоник → преобразователь частоты → электродвигатель

Фильтр располагается со стороны сети до входного выпрямителя ПЧ.

При этом конкретная схема зависит от конструкции фильтра. В его состав могут входить:

• трехфазные дроссели;

• конденсаторные элементы;

• демпфирующие цепи;

• контакторы;

• предохранители;

• температурная защита;

• другие элементы.

Поэтому подключение должно выполняться строго по схеме производителя конкретного устройства.

Как подобрать пассивный фильтр гармоник для ПЧ

Универсального фильтра, который одинаково работает с любым преобразователем и в любой электрической сети, не существует.

При подборе необходимо учитывать сразу несколько характеристик.

1. Мощность преобразователя частоты

Первый ориентир — номинальная мощность ПЧ.

Например:

15 кВт, 55 кВт, 160 кВт или 315 кВт.

Однако выбирать фильтр только по мощности неправильно.

Два преобразователя одинаковой мощности могут иметь различный входной ток и различную структуру звена постоянного тока.

2. Напряжение сети

Необходимо учитывать номинальное напряжение:

• 380 В;

• 400 В;

• 480 В;

• 690 В;

• другое исполнение.

Параметры LC-цепи напрямую связаны с напряжением и частотой питающей сети.

3. Номинальный входной ток ПЧ

Это один из ключевых параметров.

Фильтр должен быть рассчитан на фактический ток преобразователя в требуемом режиме эксплуатации.

Поэтому лучше брать входной ток непосредственно из технической документации применяемого ПЧ.

4. Частота сети

Для российских промышленных сетей стандартным значением чаще всего является 50 Гц.

Но при проектировании фильтра частота должна быть задана явно, поскольку сопротивление реактивных элементов зависит от нее.

5. Тип выпрямителя

Пассивные гармонические фильтры часто применяются с классическими шестипульсными диодными выпрямителями.

Если преобразователь использует:

• 12-пульсную схему;

• 18-пульсную схему;

• активный выпрямитель AFE;

• специальную low-harmonic topology,

расчет фильтра будет другим или отдельный пассивный фильтр вообще может оказаться ненужным.

6. Фактическая загрузка привода

Пассивный фильтр рассчитывается под определенный диапазон нагрузки.

Если ПЧ большую часть времени работает на очень небольшой мощности, характеристики системы отличаются от режима номинальной нагрузки.

Danfoss отмечает, что эффективность пассивных решений особенно связана с уровнем нагрузки, а при снижении нагрузки необходимо учитывать емкостный характер фильтра.

Поэтому желательно знать не только номинальную мощность двигателя, но и реальный профиль его эксплуатации.

7. Требуемый уровень THDi

До выбора оборудования необходимо определить задачу.

Например:

• просто уменьшить гармоники;

• получить THDi менее 10%;

• добиться уровня около 5%;

• выполнить конкретные требования проекта или стандарта.

Чем жестче требования, тем важнее предварительный расчет всей электрической системы.

Почему нельзя выбирать фильтр только по THDi

Число вроде:

THDi < 5%

выглядит как готовый ответ.

Но реальный результат зависит не только от самого фильтра.

На него влияют:

• сопротивление питающей сети;

• мощность трансформатора;

• длина кабелей;

• исходное искажение напряжения;

• фактическая загрузка ПЧ;

• наличие других нелинейных нагрузок;

• параметры звена постоянного тока преобразователя;

• параллельная работа нескольких ПЧ.

Поэтому заявленное производителем значение THDi достигается при определенных расчетных условиях.

Например, Schaffner указывает уровень не более 5% THDi для своих пассивных фильтров при соблюдении опубликованных системных требований и работе с соответствующей нагрузкой.

Это хороший пример того, почему один показатель нельзя рассматривать отдельно от всей системы.

Фильтр на один ПЧ или на группу преобразователей

Возможны разные архитектуры.

Индивидуальная фильтрация

Каждый преобразователь имеет собственный фильтр:

сеть → фильтр → ПЧ №1

сеть → фильтр → ПЧ №2

Преимущество — фильтр точно привязан к характеристикам конкретного привода.

Групповое решение

Один фильтр работает с несколькими нагрузками.

Такое решение возможно только после расчета, поскольку необходимо учитывать:

• одновременность работы приводов;

• суммарный ток;

• различную загрузку ПЧ;

• взаимодействие гармоник;

• режимы включения и отключения оборудования.

Нельзя просто сложить мощности всех двигателей и выбрать ближайший фильтр по сумме киловатт.

Пассивный или активный фильтр гармоник

Оба решения предназначены для повышения качества электроэнергии, но работают принципиально по-разному.

Параметр	Пассивный фильтр	Активный фильтр
Основные элементы	Дроссели и конденсаторы	Силовая электроника
Принцип	Частотная фильтрация	Генерация компенсирующего тока
Сложность	Ниже	Выше
Адаптация к изменениям нагрузки	Ограниченная	Высокая
Требования к расчету сети	Высокие	Также необходим расчет
Работа с несколькими изменяющимися нагрузками	Зависит от проекта	Часто удобнее
Стоимость	Часто ниже	Обычно выше

Для одного или нескольких прогнозируемых приводов с достаточно стабильной нагрузкой пассивное решение может быть экономически привлекательным.

Если же состав оборудования постоянно меняется и гармонический спектр сильно зависит от режима работы, может потребоваться другое решение.

ABB отмечает, что выбор метода снижения гармоник должен учитывать общую нагрузку объекта, характеристики питающей сети и существующий уровень искажений.

Что нужно знать перед установкой фильтра гармоник

Перед выбором оборудования желательно не начинать с поиска конкретной модели, а собрать данные об объекте.

Минимальный набор:

1. напряжение питающей сети;

2. частота сети;

3. мощность трансформатора;

4. сопротивление или мощность короткого замыкания сети;

5. производитель и модель ПЧ;

6. мощность преобразователя;

7. номинальный входной ток;

8. тип выпрямителя;

9. мощность электродвигателя;

10. фактическая загрузка двигателя;

11. количество ПЧ на общей шине;

12. уровень существующих гармоник;

13. требуемый THDi.

На действующем промышленном объекте полезным исходным этапом могут быть измерения анализатором качества электроэнергии.

Они позволяют увидеть реальную картину, а не оценивать гармоники только по установленной мощности оборудования.

Типичные ошибки

Считать сетевой дроссель полноценным фильтром гармоник

Дроссель способен заметно снизить гармонические токи, но глубина фильтрации обычно меньше, чем у специально рассчитанного пассивного фильтра.

Путать фильтр гармоник с синус-фильтром

Первый устанавливается до ПЧ и работает с сетевым током.

Второй — после ПЧ и работает преимущественно с выходным напряжением.

Путать фильтр гармоник с EMC-фильтром

Это устройства для разных частотных диапазонов и разных типов помех.

Выбирать фильтр только по мощности двигателя

Для расчета требуются параметры ПЧ и питающей сети.

Не учитывать режим частичной нагрузки

Для пассивной LC-системы режим работы имеет значение, особенно из-за присутствия конденсаторных элементов.

Устанавливать фильтр без анализа существующей сети

Пассивные элементы взаимодействуют с индуктивностью сети, трансформаторами и другими конденсаторными установками. Поэтому при сложной промышленной сети необходим технический расчет.

Когда начать с обычного сетевого дросселя

Если задача заключается не в достижении конкретного низкого значения THDi, а прежде всего в защите преобразователя и умеренном снижении гармонических составляющих, рациональным первым шагом может стать установка сетевого дросселя.

СЗСЭМ выпускает трехфазные сетевые дроссели ДТС для установки на входе преобразователей частоты различных производителей.

Они позволяют:

• увеличить сопротивление питающей цепи;

• уменьшить броски входного тока;

• снизить воздействие гармоник;

• защитить выпрямительную часть ПЧ от сетевых переходных процессов;

• повысить стабильность работы электропривода.

Для более жестких требований к гармоническому составу необходим расчет эффективности специализированного фильтра или применение других методов коррекции.

Итог

Пассивный фильтр гармоник применяется на входе преобразователя частоты и предназначен для уменьшения искажений тока, создаваемых нелинейной входной схемой ПЧ.

Для стандартных шестипульсных преобразователей наиболее характерны 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники. При высокой доле частотно-регулируемых приводов такие составляющие могут создавать дополнительную нагрузку на трансформаторы, кабели и другую электроаппаратуру.

При этом важно различать три типа устройств:

сетевой дроссель — ограничивает броски тока и частично уменьшает гармоники;

пассивный фильтр гармоник — предназначен для более глубокого снижения гармонического состава входного тока;

EMC/EMI-фильтр — работает преимущественно с высокочастотными кондуктивными помехами.

Поэтому универсального входного фильтра, который решал бы все задачи одновременно, нет.

Выбор решения следует начинать с анализа характеристик преобразователя частоты и питающей сети. Для умеренного снижения гармоник и защиты входной части ПЧ может быть достаточно трехфазного сетевого дросселя. Если же проект устанавливает жесткие требования к THDi, необходимо рассчитывать специализированный сетевой фильтр преобразователя частоты с учетом мощности, входного тока, параметров сети, типа выпрямителя и реального режима нагрузки.