Пассивный фильтр гармоник: принцип работы, применение и подбор

Преобразователи частоты, выпрямители, источники питания и другое силовое электронное оборудование являются нелинейными нагрузками. Они потребляют ток из сети не в виде идеальной синусоиды, из-за чего появляются высшие гармоники.

При небольшой мощности отдельного преобразователя их влияние на общую сеть может быть незначительным. Но если на предприятии работает несколько мощных ПЧ, гармонические токи способны увеличивать потери, нагружать трансформаторы и кабельные линии и ухудшать качество электроэнергии.

Для снижения таких искажений применяют пассивный фильтр гармоник.

В отличие от обычного сетевого дросселя, он представляет собой специально рассчитанную систему индуктивных и емкостных элементов и позволяет значительно сильнее воздействовать на гармонический состав входного тока.

Разберемся, как работает пассивный фильтр, где он устанавливается и когда вместо него может быть достаточно сетевого дросселя.

Что такое пассивный фильтр гармоник

Пассивный фильтр гармоник — это электротехническое устройство, предназначенное для уменьшения гармонических составляющих тока или напряжения.

Основные элементы такого фильтра:

• дроссели;

• конденсаторы;

• в некоторых схемах — резистивные элементы;

• защитная и коммутационная аппаратура.

В отличие от активного фильтра, здесь нет силового преобразователя, который измеряет гармонический ток и в реальном времени формирует компенсирующий сигнал.

Пассивная система работает за счет заранее рассчитанных частотных свойств индуктивностей и конденсаторов.

Для частотного преобразователя типовая схема выглядит следующим образом:

сеть → пассивный фильтр гармоник → преобразователь частоты → электродвигатель

То есть устройство располагается на входной стороне ПЧ.

Например, ELHAND относит пассивные гармонические фильтры к решениям для электроприводов, шестипульсных выпрямителей и другого оборудования, чувствительного к качеству электроэнергии. Для серии EF3H предусмотрены решения с уровнями THDi менее 10% и менее 5% в расчетных условиях.

Почему преобразователь частоты создает гармоники

В большинстве стандартных промышленных ПЧ используется следующая структура:

сеть переменного тока → диодный выпрямитель → звено постоянного тока → инвертор → двигатель

Диодный мост не потребляет ток из сети равномерно на протяжении всей синусоиды.

Конденсаторы звена постоянного тока заряжаются преимущественно в те моменты, когда мгновенное сетевое напряжение становится достаточно высоким.

В результате ток приобретает импульсную форму.

Если разложить такой ток на гармонические составляющие, кроме основной частоты 50 Гц появляются высшие гармоники.

Для шестипульсного выпрямителя характерны прежде всего:

• 5-я гармоника — 250 Гц;

• 7-я — 350 Гц;

• 11-я — 550 Гц;

• 13-я — 650 Гц;

• гармоники более высокого порядка.

Именно эти составляющие распространяются по питающей сети и складываются с гармониками от других нелинейных потребителей.

Что такое THDi

Для оценки искажения тока используется показатель:

THDi — Total Harmonic Distortion of current

или коэффициент суммарных гармонических искажений тока.

Упрощенно он показывает, насколько велика совокупность высших гармоник относительно основной составляющей тока.

Чем ниже THDi, тем ближе форма входного тока к синусоидальной.

Для идеальной синусоиды значение стремилось бы к:

THDi = 0%.

Но для обычного шестипульсного ПЧ без дополнительных средств ограничения гармоник оно может быть значительно выше.

Именно поэтому при проектировании мощных систем важно определить не просто наличие гармоник, а требуемый допустимый уровень THDi.

Чем опасен высокий уровень гармоник

Высокий THDi не обязательно приводит к моментальной аварии оборудования. Основная проблема — длительное воздействие на электрическую инфраструктуру.

Возможны:

• дополнительный нагрев трансформаторов;

• увеличение потерь в кабельных линиях;

• увеличение действующего значения тока;

• снижение доступной мощности трансформатора;

• дополнительный нагрев шин;

• нежелательное срабатывание защит;

• искажение напряжения;

• повышение нагрузки на конденсаторные установки;

• ухудшение работы чувствительной электроники.

При большом количестве преобразователей на одной секции проблема становится особенно заметной.

Пассивный фильтр гармоник позволяет уменьшить ток высших гармоник и тем самым снизить их воздействие на общую питающую сеть.

Как работает пассивный фильтр

Принцип работы основан на том, что сопротивление реактивных элементов зависит от частоты.

Для дросселя:

XL = 2πfL

где:

• XL — индуктивное сопротивление;

• f — частота;

• L — индуктивность.

Чем выше частота, тем выше сопротивление индуктивности.

Для конденсатора:

XC = 1 / (2πfC)

где:

• XC — емкостное сопротивление;

• C — емкость.

У конденсатора, наоборот, сопротивление с ростом частоты уменьшается.

Если правильно подобрать L и C, можно получить цепь с необходимой частотной характеристикой.

Она будет по-разному воздействовать:

• на основную составляющую 50 Гц;

• на 5-ю гармонику;

• на 7-ю;

• на более высокие гармонические составляющие.

Именно этим специализированный фильтр отличается от одного дросселя.

Почему фильтр называется пассивным

Потому что для компенсации используются пассивные электротехнические элементы.

Фильтр не измеряет каждую гармонику и не создает собственный компенсирующий ток.

После проектирования характеристики определяются:

индуктивностью + емкостью + сопротивлением сети + характеристиками нагрузки.

В этом есть и преимущество, и ограничение.

Пассивное устройство относительно просто и надежно, но его эффективность сильнее зависит от того, насколько реальные условия эксплуатации соответствуют расчетным.

Пассивный фильтр гармоник и сетевой дроссель — в чем разница

Оба устройства устанавливаются на входе преобразователя:

сеть → устройство → ПЧ

и оба способны уменьшать гармонические составляющие.

Но глубина воздействия отличается.

Сетевой дроссель

Содержит прежде всего трехфазную индуктивность.

Он:

• увеличивает сопротивление перед ПЧ;

• ограничивает броски входного тока;

• уменьшает амплитуду токовых импульсов;

• частично снижает высшие гармоники;

• защищает вход ПЧ от сетевых перенапряжений.

СЗСЭМ выпускает для этих задач трехфазные сетевые дроссели ДТС на 400 и 690 В с вариантами напряжения короткого замыкания 2 и 4%.

Пассивный фильтр гармоник

Это уже полноценная фильтрующая схема.

Его основная задача — не просто немного улучшить форму входного тока, а обеспечить значительно более глубокое снижение гармонических составляющих.

Условно можно представить так:

ПЧ без входного дросселя → высокий THDi

↓

ПЧ + сетевой дроссель → THDi заметно ниже

↓

ПЧ + пассивный фильтр гармоник → возможно снижение THDi примерно до 5–10%

Последний результат возможен только при выполнении расчетных условий конкретного фильтра.

Когда достаточно сетевого дросселя ДТС

Не для каждой установки требуется сложная LC-система.

Обычный сетевой дроссель может быть рациональным вариантом, если:

• мощность ПЧ сравнительно невелика;

• преобразователей на общей шине немного;

• нет жесткого требования по THDi;

• задача заключается прежде всего в защите преобразователя;

• необходимо ограничить токовые импульсы;

• требуется умеренно снизить влияние гармоник;

• установка пассивного фильтра экономически не оправданна.

СЗСЭМ указывает, что ДТС препятствуют распространению в сеть высших гармоник от преобразователя и одновременно защищают сам ПЧ от скачков напряжения и токовых бросков.

Поэтому для многих стандартных приводов использование ДТС является рациональным первым уровнем входной защиты.

Когда нужен именно пассивный фильтр гармоник

Специализированный фильтр становится актуальнее, если:

• проект устанавливает определенный предел THDi;

• ПЧ составляют значительную часть мощности предприятия;

• на одном трансформаторе работает большое количество приводов;

• наблюдается повышенный нагрев трансформатора;

• гармоники ограничивают доступную мощность сети;

• требуется снизить потери;

• имеются жесткие требования к качеству электроэнергии;

• сетевой дроссель не обеспечивает требуемого результата.

Например, ELHAND выпускает пассивные гармонические фильтры для шестипульсных выпрямителей с расчетными решениями классов THDi менее 10% и менее 5%.

То есть вопрос при выборе оборудования должен звучать не:

«Что лучше — фильтр или дроссель?»

а:

«Какой уровень гармонических искажений необходимо получить?»

Что такое EF3H

Один из примеров промышленного пассивного фильтра гармоник — серия ELHAND EF3H.

Она применяется с:

• электроприводами;

• шестипульсными выпрямителями;

• зарядными системами;

• другим силовым оборудованием.

Для мощной линейки EF3H ELHAND указывает диапазон 132–2600 кВт, напряжение 380–415 В и номинальную частоту 50 Гц. Также предусмотрена длительная перегрузка до 110% номинальной мощности и кратковременная до 160% в течение 1 минуты в час.

EF3H полезно рассматривать именно как пример специализированного входного пассивного фильтра гармоник.

EF3H нельзя путать с EF3LC

У одного производителя существуют похожие обозначения, но оборудование имеет совершенно разное назначение.

EF3H

Фильтр гармоник.

Схема:

сеть → EF3H → ПЧ

Основная задача:

снижение THDi.

EF3LC

Синус-фильтр.

Схема:

ПЧ → EF3LC → двигатель

Основная задача:

сглаживание выходного ШИМ-напряжения.

ELHAND прямо относит EF3LC к sine-wave filters — выходным LC-фильтрам, предназначенным для защиты двигателя от высоковольтных импульсов, подшипниковых токов, нагрева и других последствий ШИМ.

Таким образом:

EF3H защищает сеть от гармоник ПЧ;

EF3LC защищает двигатель от выходного ШИМ.

Это два разных типа фильтров.

Пассивный фильтр и EMC/EMI-фильтр — тоже разные устройства

Еще одна распространенная ошибка — объединять все фильтры на входе ПЧ в одну категорию.

Пассивный фильтр гармоник

Работает прежде всего с относительно низкочастотными гармониками:

• 250 Гц;

• 350 Гц;

• 550 Гц;

• 650 Гц и т. д.

EMC/EMI-фильтр

Предназначен для высокочастотных кондуктивных помех.

СЗСЭМ указывает, что для защиты сети от кондуктивных помех ШИМ-инвертора в диапазоне ориентировочно от 150 кГц до 30 МГц совместно с сетевыми дросселями следует применять трехфазные EMC/EMI-фильтры.

Поэтому:

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

Каждое устройство решает свою задачу.

Антирезонансный дроссель ДТА — это не пассивный фильтр ПЧ

На сайте СЗСЭМ представлены также трехфазные антирезонансные дроссели серии ДТА.

Они работают совместно с конденсаторами УКРМ и предназначены для предотвращения усиления гармоник в загрязненной сети и защиты конденсаторных батарей.

ДТА последовательно включается с конденсатором и образует колебательный контур, частота которого выбирается ниже минимальной ожидаемой гармоники. Для трехфазных сетей СЗСЭМ приводит в качестве характерной первой проблемной составляющей 5-ю гармонику — 250 Гц.

Несмотря на наличие L и C, такое решение нельзя автоматически считать аналогом входного фильтра гармоник для частотного преобразователя.

Назначение ДТА:

защита и корректная работа УКРМ в сети с гармониками.

Назначение входного пассивного фильтра ПЧ:

уменьшение гармонического тока, создаваемого самим преобразователем.

Как подобрать пассивный фильтр гармоник

Подбирать оборудование только по мощности двигателя нельзя.

Для расчета потребуется больше исходных данных.

1. Напряжение сети

Например:

• 380 В;

• 400 В;

• 415 В;

• 480 В;

• 690 В.

Параметры реактивных элементов зависят от напряжения.

2. Частота сети

Для российских промышленных объектов наиболее распространено:

50 Гц.

Но это значение необходимо задавать явно.

3. Модель преобразователя частоты

Желательно знать:

• производителя;

• серию;

• точную модель;

• входную схему.

Особенно важно определить, используется ли стандартный шестипульсный диодный выпрямитель.

4. Номинальный входной ток

Фильтр должен быть рассчитан на фактический ток ПЧ.

Значение в кВт используется как предварительный ориентир, но электрический расчет выполняется по току.

5. Наличие встроенной индуктивности

Современный ПЧ может иметь:

• встроенный DC-дроссель;

• AC-дроссель;

• другое средство коррекции входного тока.

Это изменяет исходный THDi и влияет на подбор внешнего фильтра.

6. Мощность питающего трансформатора

Один и тот же преобразователь будет по-разному воздействовать на:

трансформатор 400 кВА

и

трансформатор 2500 кВА.

Жесткость источника существенно влияет на гармонические процессы.

7. Фактическая загрузка

Пассивный фильтр желательно подбирать не только по максимальной мощности, но и с учетом того, как работает установка большую часть времени.

Например:

ПЧ 200 кВт может эксплуатироваться:

• постоянно на 180–200 кВт;

• большую часть времени на 50–70 кВт.

Для пассивной LC-системы это разные условия.

Почему нельзя сильно завышать мощность фильтра

Для обычного силового оборудования часто действует логика:

«возьмем устройство с большим запасом — будет надежнее».

С пассивным фильтром это не всегда так.

Его конденсаторная часть остается подключенной и при сниженной нагрузке.

При значительном завышении номинала возможно:

• увеличение емкостного тока;

• изменение коэффициента мощности;

• ухудшение эффективности подавления гармоник в режиме малой нагрузки;

• дополнительные потери.

Поэтому лучше выбирать фильтр под реальный диапазон нагрузки, а не просто следующий максимально большой номинал.

Что необходимо измерить на действующем объекте

Если оборудование уже работает, перед модернизацией полезно провести измерения качества электроэнергии.

Желательно определить:

• THDi;

• THDv;

• действующее значение тока;

• 5-ю гармонику;

• 7-ю гармонику;

• 11-ю;

• 13-ю;

• коэффициент мощности;

• напряжение по фазам;

• загрузку трансформатора.

Причем измерения лучше выполнять не только в один момент.

Полезно посмотреть:

минимальную нагрузку → типовую нагрузку → максимальную нагрузку.

Это дает гораздо более точную картину, чем расчет только по паспортной мощности всех ПЧ.

Что такое THDv и почему он тоже важен

THDi характеризует искажение тока.

THDv — искажение напряжения.

Преобразователь непосредственно создает гармонический ток. Но проходя через сопротивление питающей сети, этот ток вызывает гармоническое падение напряжения.

В результате искажается уже напряжение общей шины.

Чем выше сопротивление сети и гармонические токи, тем заметнее может быть THDv.

Поэтому цель фильтрации заключается не только в получении красивого значения THDi на одном ПЧ, но и в поддержании приемлемого качества напряжения для всего оборудования объекта.

Пассивный или активный фильтр гармоник

Оба варианта применяются для борьбы с гармониками, но принцип работы различается.

Параметр	Пассивный фильтр	Активный фильтр
Основа	Дроссели и конденсаторы	Силовая электроника
Принцип	Частотная фильтрация	Формирование компенсирующего тока
Адаптация к изменению нагрузки	Ограниченная	Высокая
Конструкция	Сравнительно простая	Более сложная
Подбор под конкретную сеть	Очень важен	Также необходим
Использование с одним крупным ПЧ	Часто удобно	Возможно
Большое количество изменяющихся нагрузок	Требует анализа	Часто является удобным вариантом

Пассивное решение особенно интересно, когда состав нагрузки хорошо известен и режим работы относительно прогнозируем.

Если нагрузки постоянно включаются и отключаются, спектр гармоник существенно меняется или необходимо одновременно компенсировать несколько типов искажений, активное решение может быть более гибким.

Можно ли использовать один фильтр на несколько ПЧ

Теоретически существуют групповые решения, но их нельзя выбирать простым сложением мощности двигателей.

Например:

ПЧ №1 — 75 кВт

ПЧ №2 — 55 кВт

ПЧ №3 — 45 кВт

не означают автоматически, что нужен:

фильтр 175 кВт.

Необходимо учитывать:

• работают ли все ПЧ одновременно;

• их фактическую загрузку;

• входной ток;

• тип выпрямителей;

• взаимодействие гармоник;

• режимы включения и отключения;

• параметры общей питающей сети.

Поэтому индивидуальный фильтр непосредственно перед одним преобразователем обычно проще прогнозировать с точки зрения характеристик.

Как выглядит процесс выбора оборудования

Практический алгоритм можно представить следующим образом.

Шаг 1. Определить задачу

Например:

необходимо снизить THDi до 10%.

или:

нужно просто уменьшить гармоники и защитить вход ПЧ.

Это разные задачи.

Шаг 2. Проверить ПЧ

Определяются:

• мощность;

• напряжение;

• входной ток;

• тип выпрямителя;

• наличие встроенного дросселя.

Шаг 3. Проанализировать питающую сеть

Нужны:

• мощность трансформатора;

• Uk трансформатора;

• длина питающей линии;

• другие нагрузки.

Шаг 4. Определить исходный THDi

Для существующего объекта — измерением.

Для нового — расчетом или моделированием.

Шаг 5. Проверить, достаточно ли сетевого дросселя

Если жестких требований нет, простое решение может быть экономически оптимальным.

СЗСЭМ выпускает трехфазные ДТС на 400 и 690 В с исполнениями 2 и 4%.

Шаг 6. Если результата недостаточно — рассмотреть фильтр

При необходимости получить низкий THDi применяется специализированный пассивный фильтр гармоник либо другое low-harmonic решение.

Шаг 7. Проверить работу на частичной нагрузке

Фильтр должен эффективно работать не только в одной расчетной точке.

Пример

Предположим, имеется:

• сеть 400 В;

• ПЧ 160 кВт;

• шестипульсный входной выпрямитель;

• двигатель большую часть времени работает на 80–100% нагрузки;

• измеренный THDi без дополнительной фильтрации слишком высок.

Вариант 1 — установить сетевой дроссель

Получаем:

• ограничение импульсов тока;

• снижение гармоник;

• защиту выпрямителя ПЧ;

• относительно простую конструкцию.

Если требования проекта после этого выполняются — дополнительный фильтр может быть не нужен.

Вариант 2 — нужен THDi менее 10%

Если обычного дросселя недостаточно, рассматривается полноценный пассивный фильтр.

Например, серия ELHAND EF3H предназначена именно для работы с шестипульсными выпрямителями и имеет исполнения классов THDi <10% и <5%.

Но конкретный фильтр выбирается уже по параметрам реальной сети и привода.

Основные преимущества пассивных фильтров гармоник

При правильном подборе пассивная система позволяет:

• значительно уменьшить THDi;

• уменьшить действующий входной ток;

• сократить электрические потери;

• снизить нагрузку на трансформатор;

• увеличить доступную мощность существующей сети;

• повысить качество электроэнергии;

• уменьшить нагрев оборудования;

• снизить влияние одного ПЧ на другие потребители.

ELHAND также указывает среди преимуществ своих пассивных фильтров снижение RMS-тока, уменьшение потерь и повышение качества электроэнергии.

Какие есть ограничения

У пассивного фильтра есть и особенности, которые необходимо учитывать.

Он:

• крупнее обычного сетевого дросселя;

• обычно дороже;

• содержит конденсаторы;

• чувствительнее к параметрам питающей сети;

• требует расчета резонансных режимов;

• может менять характеристики при частичной нагрузке;

• должен быть согласован с конкретной схемой ПЧ.

Поэтому устанавливать такое устройство «на всякий случай» не всегда рационально.

Сначала необходимо определить, есть ли реальная проблема с гармониками и насколько глубоко их требуется снизить.

Типичные ошибки при выборе

Ошибка 1. Считать пассивным фильтром любой сетевой дроссель

Дроссель снижает гармоники, но полноценный фильтр имеет более сложную частотную характеристику.

Ошибка 2. Подбирать только по кВт

Потребуются входной ток и характеристики сети.

Ошибка 3. Путать фильтр гармоник и синус-фильтр

Первый устанавливается до ПЧ, второй — после ПЧ.

Ошибка 4. Путать фильтр гармоник и EMC-фильтр

Они работают с разными частотными диапазонами.

Ошибка 5. Путать пассивный фильтр с ДТА

Антирезонансные ДТА СЗСЭМ работают с конденсаторами УКРМ и решают другую задачу.

Ошибка 6. Завышать мощность с большим запасом

Для пассивной системы это может ухудшить работу при небольшой нагрузке.

Ошибка 7. Ожидать одинаковый THDi в любых условиях

Фактический результат зависит от сети, нагрузки и самого преобразователя.

Какие данные нужны для расчета

Перед подбором желательно подготовить:

1. Мощность питающего трансформатора.

2. Напряжение сети.

3. Частоту сети.

4. Uk трансформатора.

5. Модель преобразователя частоты.

6. Тип входного выпрямителя.

7. Мощность ПЧ.

8. Номинальный входной ток.

9. Наличие встроенного AC- или DC-дросселя.

10. Мощность двигателя.

11. Фактический диапазон нагрузки.

12. Количество ПЧ на общей шине.

13. Исходный THDi.

14. THDv.

15. Требуемое значение THDi после фильтрации.

Для действующей установки желательно дополнить этот набор протоколом измерения качества электроэнергии.

Пассивный фильтр гармоник или ДТС: что выбрать

Можно использовать простой ориентир.

Выбираем сетевой ДТС, если:

• нужна защита входа ПЧ;

• требуется ограничение бросков тока;

• необходимо умеренное снижение гармоник;

• жесткой нормы по THDi нет;

• требуется простое и надежное решение.

Рассматриваем пассивный фильтр гармоник, если:

• требуется конкретное низкое значение THDi;

• ПЧ составляет значительную часть нагрузки;

• сеть сильно нагружена силовой электроникой;

• одного дросселя недостаточно;

• гармоники ограничивают нормальную работу системы.

То есть это не два полностью взаимозаменяемых устройства.

Сетевой дроссель — первый уровень воздействия на входной ток.

Пассивный фильтр — специализированное решение для более глубокой гармонической фильтрации.

Итог

Пассивный фильтр гармоник предназначен для снижения гармонических токов, создаваемых преобразователями частоты, выпрямителями и другими нелинейными нагрузками.

Он устанавливается на входной стороне:

сеть → пассивный фильтр → ПЧ → двигатель

и за счет рассчитанной системы индуктивностей и конденсаторов обеспечивает значительно более глубокое воздействие на гармонический спектр, чем один сетевой дроссель.

При этом не для каждого преобразователя требуется полноценный фильтр.

Если задача заключается в защите входной части ПЧ, ограничении токовых бросков и умеренном снижении гармоник, рациональным решением могут быть трехфазные сетевые дроссели СЗСЭМ серии ДТС, выпускаемые для сетей 400 и 690 В.

Если необходимо добиться низкого THDi, например уровня порядка 5–10%, требуется уже специализированный пассивный фильтр гармоник или другое рассчитанное low-harmonic решение.

Поэтому правильный выбор начинается не с мощности двигателя, а с анализа всей системы:

питающая сеть → трансформатор → ПЧ → фактическая нагрузка → исходный THDi → требуемый THDi.

Именно такой подход позволяет понять, достаточно ли простого сетевого дросселя или необходим полноценный фильтр гармоник.