Сетевой дроссель или фильтр гармоник: что эффективнее для снижения THDi

Преобразователи частоты позволяют экономично управлять электродвигателями, но стандартный ПЧ с шестипульсным входным выпрямителем является нелинейной нагрузкой. Потребляемый им ток отличается от синусоиды и содержит высшие гармоники.

Чем больше преобразователей работает на предприятии, тем заметнее их суммарное влияние на питающую сеть. Гармонические токи могут увеличивать нагрузку на трансформаторы и кабели, повышать потери и способствовать искажению сетевого напряжения.

Для решения этой проблемы применяют разные устройства. Два наиболее понятных варианта:

сетевой дроссель

и

пассивный фильтр гармоник.

Оба устанавливаются со стороны сети перед преобразователем частоты, но эффективность и принцип работы у них разные.

Если задача состоит просто в уменьшении гармоник и защите входа ПЧ, часто достаточно сетевого дросселя. Если же проектом установлен конкретный низкий уровень THDi, например около 5–10%, требуется специализированный фильтр гармоник.

Разберемся, где проходит эта граница и какое решение выбрать.

Что такое THDi

THDi — Total Harmonic Distortion of current, то есть коэффициент суммарных гармонических искажений тока.

Упрощенно показатель характеризует отношение совокупности высших гармоник к основной гармонике тока.

Чем меньше THDi, тем ближе ток к синусоидальной форме.

Для идеальной синусоиды:

THDi = 0%.

У реального преобразователя частоты значение выше.

Причина находится прежде всего на входе стандартного ПЧ.

Типовая схема выглядит следующим образом:

сеть → выпрямитель → звено постоянного тока → инвертор → электродвигатель

Шестипульсный диодный выпрямитель потребляет ток импульсами. Поэтому появляются характерные гармонические составляющие, прежде всего:

• 5-я;

• 7-я;

• 11-я;

• 13-я;

• последующие гармоники.

Для сети 50 Гц это соответственно частоты:

• 250 Гц;

• 350 Гц;

• 550 Гц;

• 650 Гц.

Сетевые дроссели СЗСЭМ серии ДТС как раз предназначены в том числе для уменьшения распространения высших гармоник от преобразователя в питающую сеть.

Какой THDi может быть у обычного ПЧ

Значение сильно зависит от схемы преобразователя и сопротивления питающей сети.

Но для понимания масштаба можно использовать ориентировочные показатели, которые приводит ABB.

Для стандартного шестипульсного преобразователя:

• без входной индуктивности — THDi может превышать 100%;

• с достаточно большим входным дросселем — около 40%;

• с пассивным фильтром гармоник — менее 10%.

ABB отдельно приводит для шестипульсного ПЧ с дросселем порядка 3–5% ориентировочный диапазон 35–45% THDi, причем фактическое значение зависит от импеданса питающей сети.

Это хорошо показывает главное различие.

Сетевой дроссель уменьшает гармонические искажения, но обычно не превращает стандартный шестипульсный ПЧ в низкогармонический привод.

Что делает сетевой дроссель

Сетевой дроссель устанавливается непосредственно перед преобразователем:

СЕТЬ → СЕТЕВОЙ ДРОССЕЛЬ → ПЧ → ДВИГАТЕЛЬ

СЗСЭМ выпускает для этих задач трехфазные сетевые дроссели серии ДТС.

Дроссель добавляет в цепь индуктивное сопротивление. Благодаря этому входной ток становится менее импульсным.

ДТС предназначены для:

• уменьшения воздействия высших гармоник от ПЧ на сеть;

• ограничения токовых бросков;

• защиты преобразователя от импульсных всплесков напряжения;

• уменьшения нагрузки на входной выпрямитель;

• увеличения срока службы конденсаторов звена постоянного тока.

Для серии предусмотрены исполнения на 400 и 690 В с падением напряжения 2 и 4% Uном.

Почему дроссель уменьшает THDi

Индуктивное сопротивление определяется выражением:

Xₗ = 2πfL

где:

• Xₗ — индуктивное сопротивление;

• f — частота;

• L — индуктивность.

С увеличением частоты сопротивление дросселя возрастает.

Кроме того, входная индуктивность ограничивает скорость изменения тока и препятствует резкой зарядке конденсаторов звена постоянного тока.

Если без дросселя ток выпрямителя представляет собой выраженные узкие импульсы, то после добавления индуктивности они становятся более широкими и менее высокими.

В результате уменьшается содержание высших гармоник.

ДТС 2% или 4% для снижения гармоник

В линейке сетевых дросселей СЗСЭМ есть исполнения с падением напряжения:

2%

и

4%.

При одинаковом токе дроссель 4% имеет более высокое индуктивное сопротивление и, как правило, оказывает более выраженное влияние на форму входного тока.

Условно:

Параметр	ДТС 2%	ДТС 4%
Индуктивность	меньше	больше
Падение напряжения	меньше	больше
Ограничение бросков тока	умеренное	более выраженное
Воздействие на гармоники	меньше	больше
Габариты при сопоставимых условиях	обычно меньше	обычно больше

Но принцип:

«чем выше индуктивность, тем всегда лучше»

не работает.

Больший дроссель одновременно создает большее падение напряжения и дополнительные потери.

Поэтому ДТС выбирают не только с позиции минимального THDi, а с учетом нормальной работы всей системы.

Что такое пассивный фильтр гармоник

Пассивный фильтр гармоник — более сложное устройство, специально рассчитанное на снижение гармонических токов нелинейной нагрузки.

Упрощенная схема:

СЕТЬ → ПАССИВНЫЙ ФИЛЬТР ГАРМОНИК → ПЧ → ДВИГАТЕЛЬ

В отличие от обычного сетевого дросселя, фильтр содержит систему реактивных элементов — как правило, дроссели и конденсаторы.

Их параметры подобраны так, чтобы получить требуемую частотную характеристику и значительно сильнее воздействовать на характерные гармоники шестипульсного выпрямителя.

Именно поэтому специализированный фильтр способен обеспечить гораздо более низкий THDi, чем один сетевой реактор.

Для современных пассивных решений типичным целевым диапазоном является 5–10% THDi при соблюдении расчетных условий. ABB приводит для шестипульсного ПЧ с пассивным фильтром типовой уровень менее 10%.

Сетевой дроссель и фильтр гармоник: сравнение

Главную разницу удобно представить в таблице.

Критерий	Сетевой дроссель	Пассивный фильтр гармоник
Место установки	Перед ПЧ	Перед ПЧ
Сложность	Низкая	Выше
Основные элементы	Индуктивность	Комплекс L/C элементов
Ограничение бросков тока	Да	Да
Защита входа ПЧ	Да	В зависимости от конструкции
Снижение гармоник	Умеренное	Значительное
Типичный THDi для 6-пульсного ПЧ	порядка 35–45% с 3–5% реактором	порядка 5–10%
Зависимость от сети	Есть	Существенная
Зависимость от загрузки	Есть	Особенно важна
Цена	Ниже	Выше
Габариты	Обычно меньше	Обычно больше
Необходимость точного расчета	Желательна	Обязательна

Значения THDi приведены как ориентиры для типовых шестипульсных систем и не являются гарантированными характеристиками любого конкретного оборудования.

Что эффективнее для снижения THDi

Если рассматривать только глубину снижения гармоник, ответ однозначен:

пассивный фильтр гармоник эффективнее обычного сетевого дросселя.

Но это не означает, что фильтр нужно устанавливать на каждый преобразователь.

Есть существенная разница между задачами:

«уменьшить гармоники»

и

«обеспечить THDi ниже заданного значения».

В первом случае рациональным решением может оказаться обычный ДТС.

Во втором — специализированный фильтр.

Когда достаточно сетевого дросселя

Сетевой дроссель имеет смысл выбирать, если:

• отсутствуют жесткие требования к THDi;

• мощность ПЧ невелика относительно мощности трансформатора;

• преобразователей на объекте немного;

• доля нелинейной нагрузки невысока;

• требуется прежде всего защитить ПЧ;

• необходимо ограничить броски входного тока;

• нужно умеренно снизить гармонические составляющие;

• более сложная фильтрация экономически неоправданна.

Danfoss также отмечает, что применение специальных средств подавления гармоник необходимо выбирать по результатам расчета: при относительно небольшой доле приводной нагрузки стандартные шестипульсные ПЧ с дросселями могут оказаться достаточным решением.

В такой ситуации установка дорогостоящего пассивного фильтра только ради максимально низкого THDi может не дать экономического эффекта.

Когда нужен пассивный фильтр гармоник

Специализированный фильтр гармоник следует рассматривать, если:

• проектом задан низкий допустимый уровень THDi;

• на одном трансформаторе работает много ПЧ;

• преобразователи составляют большую часть нагрузки предприятия;

• требуется уменьшить нагрузку на трансформатор;

• существующая сеть уже имеет значительный гармонический фон;

• наблюдается нагрев кабелей или трансформаторов;

• требуется увеличить доступную мощность существующей системы;

• есть жесткие требования к качеству электроэнергии;

• одного сетевого дросселя по расчету недостаточно.

Например, современные пассивные фильтры выпускаются в исполнениях, рассчитанных на уровень THDi около 10% и около 5%.

Danfoss для своих пассивных AHF 010 и AHF 005 указывает соответственно уровни менее 10 и 5% при номинальной нагрузке и заданных условиях применения.

Почему нельзя гарантировать THDi только по названию фильтра

Допустим, в паспорте написано:

THDi < 5%.

Это не означает, что после монтажа на любом предприятии анализатор обязательно покажет 4,9% или меньше.

На результат влияют:

• мощность питающего трансформатора;

• короткое замыкание сети;

• сопротивление кабелей;

• фоновые гармоники напряжения;

• перекос фаз;

• нагрузка преобразователя;

• схема его выпрямителя;

• наличие DC-дросселя;

• параллельная работа других ПЧ.

Например, Schaffner оговаривает достижение 5% THDi для пассивного фильтра при определенных условиях, включая ограничения по исходному THDv и несимметрии напряжения. Производитель также не рекомендует чрезмерно завышать мощность пассивного фильтра, поскольку при частичной нагрузке эффективность подавления гармоник может ухудшаться.

Поэтому фильтр выбирают под конкретную систему.

Почему частичная нагрузка особенно важна

Представим ПЧ мощностью 110 кВт, который большую часть времени управляет насосом на уровне 25–30 кВт.

Если фильтр был просто выбран «на 110 кВт» без анализа рабочего режима, он значительную часть времени будет работать при небольшой загрузке.

Для пассивной LC-системы это важно.

При снижении нагрузки меняются:

• ток основной гармоники;

• отношение гармонических токов к основному;

• режим конденсаторной части;

• коэффициент мощности;

• фактический THDi.

Именно поэтому чрезмерное увеличение номинала пассивного фильтра «с запасом» может дать результат хуже ожидаемого.

Для сетевого дросселя проблема частичной загрузки обычно менее критична с точки зрения самой конструкции, хотя измеряемый THDi также изменяется с нагрузкой.

Что такое EF3H

Отдельно стоит рассмотреть запрос EF3H.

EF3H — обозначение серии пассивных фильтров гармоник компании ELHAND.

Они предназначены для снижения гармонических искажений, создаваемых нелинейными нагрузками, в том числе:

• шестипульсными выпрямителями;

• частотными электроприводами;

• зарядными устройствами;

• другой силовой электроникой.

ELHAND относит EF3H именно к категории Harmonic Filters, то есть фильтров гармоник. Производитель предлагает решения с целевыми уровнями гармонических искажений, в том числе классы THDi <10% и THDi <5%, в зависимости от исполнения и условий применения.

Для части линейки EF3H указано применение в сетях 380–415 В, 50 Гц, а более мощные исполнения охватывают диапазон от 132 до 2600 кВт.

EF3H и EF3LC — это не одно и то же

Эти обозначения легко перепутать, особенно если оборудование одного производителя.

Но назначение принципиально разное.

EF3H

Пассивный фильтр гармоник.

Устанавливается:

СЕТЬ → EF3H → ПЧ

Основная задача:

снижение THDi на входной стороне.

EF3LC

Синус-фильтр.

Устанавливается:

ПЧ → EF3LC → ДВИГАТЕЛЬ

Основная задача:

сглаживание выходного ШИМ-напряжения и защита двигателя.

ELHAND относит EF3LC к sine-wave filters; для этой категории указывается THDu выходного напряжения до 5%, а не задача снижения входного THDi сети.

Получаются две совершенно разные схемы:

EF3H:

сеть → EF3H → частотный преобразователь → двигатель

EF3LC:

сеть → частотный преобразователь → EF3LC → двигатель

Поэтому использовать EF3LC вместо фильтра гармоник нельзя.

А сетевой ДТС и EF3H — конкурирующие устройства?

В определенном смысле да, поскольку оба находятся на входной стороне преобразователя и оба способны уменьшать гармонический ток.

Но правильнее считать их устройствами разного уровня фильтрации.

Условно:

ПЧ без дросселя

↓

высокий THDi

ПЧ + сетевой ДТС

↓

гармонические токи существенно уменьшены, вход ПЧ защищен

ПЧ + специализированный пассивный фильтр гармоник

↓

значительно более глубокое уменьшение THDi

Поэтому при модернизации существующей установки вопрос должен звучать не:

«Что лучше — дроссель или EF3H?»

а:

«Какой уровень THDi требуется получить?»

Пример выбора

Предположим:

• трехфазная сеть — 400 В;

• ПЧ — 90 кВт;

• стандартный шестипульсный выпрямитель;

• двигатель работает большую часть времени близко к номинальной нагрузке.

Рассмотрим три сценария.

Вариант 1. Требуется просто улучшить условия работы ПЧ

Нет требования получить THDi 5 или 10%.

Основная задача:

• снизить броски тока;

• уменьшить гармонические составляющие;

• защитить преобразователь;

• увеличить входное сопротивление.

Рационально рассмотреть:

трехфазный сетевой дроссель ДТС.

Вариант 2. По расчету требуется THDi менее 10%

Обычного сетевого дросселя может быть недостаточно.

Тогда рассматривается:

пассивный фильтр гармоник класса THDi <10%.

Вариант 3. Необходимо около 5% THDi

Здесь переход от дросселя к специализированному решению становится еще более очевидным.

Необходим:

• пассивный фильтр высокого уровня подавления гармоник;

• активный фильтр;

• low-harmonic привод;

• либо другое рассчитанное решение.

Какой вариант оптимален, зависит уже от всей электрической системы.

Почему нельзя выбрать по мощности ПЧ

Формулировка:

«ПЧ 75 кВт — нужен фильтр 75 кВт»

слишком упрощена.

Для подбора пассивного фильтра требуется знать:

1. напряжение сети;

2. частоту;

3. производителя и модель ПЧ;

4. тип входного выпрямителя;

5. входной ток;

6. наличие встроенного AC- или DC-дросселя;

7. фактическую загрузку;

8. мощность трансформатора;

9. сопротивление питающей сети;

10. существующий THDv;

11. требуемый уровень гармоник.

Для обычного сетевого ДТС набор данных несколько проще, но также необходимо ориентироваться прежде всего на ток преобразователя, а не только на мощность двигателя.

Почему встроенный дроссель ПЧ имеет значение

Некоторые преобразователи уже оснащены:

• DC-дросселем;

• AC-дросселем;

• значительной индуктивностью звена постоянного тока.

В этом случае их исходный гармонический спектр отличается от ПЧ без реактора.

Например, если стандартный преобразователь уже имеет эффективный DC-дроссель, установка дополнительного внешнего сетевого реактора может дать меньший эффект, чем в системе без какой-либо входной индуктивности.

Поэтому перед тем как искать по запросу «частотный преобразователь дроссель», стоит открыть документацию ПЧ и проверить его внутреннюю схему.

Можно ли последовательно установить ДТС и фильтр гармоник

Технически некоторые фильтрующие решения сами содержат необходимые входные индуктивности.

Поэтому автоматически добавлять перед специализированным пассивным фильтром еще один сетевой дроссель нельзя.

Схема:

сеть → ДТС → пассивный фильтр → ПЧ

должна применяться только тогда, когда она предусмотрена расчетом или производителем.

Дополнительная индуктивность меняет параметры всей LC-системы и может повлиять на:

• частотную характеристику;

• падение напряжения;

• резонанс;

• эффективность фильтра;

• напряжение звена постоянного тока.

Если используется готовый пассивный фильтр, правильнее соблюдать рекомендованную производителем схему подключения.

Сетевой дроссель не является EMC-фильтром

Есть еще один важный момент.

Снижение THDi связано прежде всего с низкочастотными гармониками тока.

Но преобразователь создает и высокочастотные кондуктивные помехи.

СЗСЭМ отдельно рекомендует для подавления помех ШИМ-инвертора в диапазоне примерно 150 кГц–30 МГц применять совместно с ДТС трехфазные EMC/EMI-фильтры.

Следовательно:

сетевой дроссель — входные токи и гармоники;

пассивный фильтр гармоник — глубокое подавление гармонических токов;

EMC/EMI-фильтр — высокочастотные кондуктивные помехи.

Это три разных задачи.

Что измерять до выбора оборудования

На существующем промышленном объекте наиболее надежный подход — сначала получить данные.

Желательно измерить:

• ток по фазам;

• THDi;

• THDv;

• спектр отдельных гармоник;

• напряжение;

• коэффициент мощности;

• загрузку трансформатора;

• нагрузку ПЧ в различных рабочих режимах.

Особенно полезно посмотреть значения:

• на номинальной нагрузке;

• при средней загрузке;

• при минимальном технологическом режиме.

После этого станет понятно, существует ли проблема, которую необходимо решать.

Иногда оказывается, что обычный ДТС полностью достаточен.

В другой системе измерения показывают, что даже после установки входного дросселя требования проекта не выполняются — тогда нужен специализированный фильтр.

Что выбрать для нового проекта

Если объект только проектируется и измерения выполнить невозможно, желательно выполнить расчет гармоник.

Исходными данными являются:

• мощность трансформатора;

• напряжение КЗ трансформатора;

• длина и сечение питающих кабелей;

• мощность всех ПЧ;

• типы выпрямителей;

• коэффициенты одновременности;

• ожидаемая загрузка;

• другие нелинейные нагрузки.

После моделирования можно сравнить несколько сценариев:

без дросселей;

ДТС 2%;

ДТС 4%;

пассивные фильтры;

низкогармонические ПЧ.

И выбрать решение не по принципу максимального подавления гармоник, а по оптимальному сочетанию:

THDi + стоимость + потери + габариты + надежность.

Сетевой дроссель или фильтр: короткая таблица выбора

Ситуация	Что рассматривать
Нужно защитить вход ПЧ	Сетевой ДТС
Нужно ограничить токовые броски	Сетевой ДТС
Нужно умеренно снизить гармоники	Сетевой ДТС
Нет жесткой нормы по THDi	Обычно ДТС
Требуется THDi около 10%	Пассивный фильтр гармоник
Требуется THDi около 5%	Специализированный пассивный/активный фильтр или low-harmonic решение
На объекте много мощных ПЧ	Расчет гармоник + фильтрация
Есть только один небольшой ПЧ на мощном объекте	Возможно, достаточно дросселя или дополнительная фильтрация вообще не нужна
Нужно заменить ELHAND EF3H	Подбирать специализированный фильтр гармоник, а не обычный моторный или синус-фильтр
Нужно заменить ELHAND EF3LC	Подбирать синус-фильтр на выход ПЧ, например соответствующее решение класса ФС

Какие данные нужны для выбора

Если рассматривается сетевой дроссель ДТС, необходимо знать:

• напряжение;

• частоту сети;

• мощность ПЧ;

• номинальный входной ток;

• требуемое падение напряжения;

• наличие встроенного дросселя.

Если требуется пассивный фильтр гармоник, дополнительно нужны:

• модель преобразователя;

• тип его выпрямителя;

• мощность питающего трансформатора;

• импеданс сети;

• существующий THDv;

• фактическая загрузка;

• требуемый THDi;

• характеристики других нелинейных нагрузок.

Для существующего объекта желательно дополнить эти данные результатами измерения качества электроэнергии.

Основные ошибки

Ошибка 1. Ждать от сетевого дросселя THDi менее 5%

Обычный реактор способен существенно улучшить форму входного тока, но это не специализированный низкогармонический фильтр.

Ошибка 2. Устанавливать дорогой фильтр без расчета

Если доля ПЧ в общей нагрузке мала, фильтр может оказаться экономически неоправданным.

Ошибка 3. Выбирать пассивный фильтр с большим запасом

Завышение мощности может ухудшить характеристики при частичной нагрузке.

Ошибка 4. Путать EF3H и EF3LC

EF3H — входной фильтр гармоник.

EF3LC — выходной синус-фильтр.

Ошибка 5. Оценивать систему только по THDi одного ПЧ

Для объекта важно, как все нагрузки совместно воздействуют на общую питающую сеть.

Ошибка 6. Не учитывать встроенную индуктивность ПЧ

Она существенно влияет на исходный спектр гармонического тока.

Что в итоге эффективнее

Если сравнивать устройства только по способности уменьшить THDi, специализированный пассивный фильтр гармоник эффективнее сетевого дросселя.

Для типового шестипульсного привода ориентировочная картина выглядит так:

без дросселя → THDi может быть выше 100%;

с входным дросселем 3–5% → примерно 35–45%;

с правильно подобранным пассивным фильтром → примерно 5–10%.

Это именно ориентировочные значения: фактический результат зависит от параметров питающей сети, типа преобразователя и загрузки.

Но с точки зрения рациональности выбора ситуация выглядит немного иначе.

Сетевой дроссель ДТС — простое и надежное решение для защиты ПЧ, ограничения бросков тока и умеренного снижения гармонических составляющих.

Пассивный фильтр гармоник необходим тогда, когда требуется значительно более глубокое снижение THDi и выполнение конкретных требований к качеству электроэнергии.

Поэтому выбирать оборудование лучше от требуемого результата:

нужно просто уменьшить гармоники и защитить ПЧ → сетевой дроссель;

нужно получить заданный низкий THDi → специализированный фильтр гармоник.

А если речь идет о замене ELHAND EF3H, необходимо учитывать, что EF3H относится именно к пассивным входным фильтрам гармоник. Его не следует путать с EF3LC, который является синус-фильтром и устанавливается уже после преобразователя для защиты электродвигателя.