Допустимі значення коефіцієнта спотворення синусоїдності

кривої напруги (у відсотках)

Нормально допустимі значення коефіцієнта n-ї гармонічної складової напруги в точках загального приєднання до електричних мереж з різними номінальними напругами U_ном наведені в табл.2.

Таблиця 2

Нормально допустимі значення коефіцієнта n–ї гармонічної складової напруги

*n – номер гармонічної складової напруги

** Нормально допустимі значення, приведені для n, що дорівнюють 3 та 9, належать до однофазних електричних мереж. В трифазній трипровідній електричній мережі ці значення приймають вдвічі меншими від наведених у таблиці.

Граничне значення коефіцієнта n-ї гармонічної складової напруги розраховують за формулою

K_U(n)гран=1,5 K_{U(n)норм,} (5)

де K_U(n)норм – нормально допустиме значення коефіцієнта n-ї гармонічної складової, яке визначене з табл.2.

ОБМЕЖЕННЯ РІВНЯ ГАРМОНІК

Цілі фільтрації гармонік

Пониження рівня вищих гармонік в електричних мережах є частиною загального завдання зменшення впливу нелінійних навантажень на мережу живлення та покращання якості електроенергії в системах електропостачання промислових підприємств.

Комплексне розв’язання цього завдання грунтується на:

- зменшенні генерування вищих гармонік від таких їх джерел, на які можна вплинути тим чи іншим способом;

- зменшенні впливу вищих гармонік на решту мережі за рахунок застосування схемних вирішень;

- комплексному застосуванні пристроїв, які крім зниження рівнів вищих гармонік забезпечують компенсацію реактивної потужності та симетрування напруг.

Зменшення генерування вищих гармонік від перетворювачів можна досягти збільшенням кількості фазності схеми перетворення для великої кількості фаз перетворення є досить складними, дорогими і недостатньо надійними. Тому зазвичай застосовують не більше, ніж 12-фазні перетворювачі.

Схемним заходом щодо зменшення впливу вищих гармонік є нарізне живлення електроприймачів з нелінійною вольт-амперною характеристикою та загальнопромислових електроприймачів, яке здійснюють від різних секцій шин головних понижувальних підстанцій або розподільних пунктів, чи від різних віток здвоєного реактора або взагалі від різних трансформаторів.

Необхідність встановлення фільтрів викликана тим, що в сучасних вузлах навантаження на виробництві широко застосовується перетворювальна техніка( частотні регулятори, зварювальні установки і т.д. Дане навантаження (мал.1) є нелінійним в порівнянні з мережею.

Вузол навантаження підприємства.

При підключенні компенсаційного пристрою до мережі виникає ситуація представлена схемою заміщення (мал.2).

Мал.2 Схема заміщення

На ній видно, що в цьому випадку нелінійні споживачі поводяться як джерела струму. При певній частоті може виникнути резонанс. Для даних параметрів резонансна частота дорівнює:

– потужність к. з. трансформатора;

– потужність компенсаційного пристрою.

А це одна з таких частот, що генерує нелінійний споживач

Опір конденсатора при збільшенні частоти зменшується й наш незахищений компенсаційний пристрій стає бажаним об'єктом для струмів, що підсилилися на резонансній частоті.

Протистояти виникненню резонансу дуже просто: треба додати компонент, що змінить опір коливального контуру й цим - резонансну частоту, зробивши її нижче чим частота першої небезпечної вищої гармоніки. При частоті, що не збігається із частотою вишої гармоніки, резонанс не утвориться.

З'єднавши додаткову індуктивність послідовно з конденсаторами ,ми захистимо їх від можливого резонансу. Необхідний для компенсації струм при частоті f=50Гц "бачить" пристрій ємнісним. Струм на частоті вище резонансної, не підсилюється, тому що на цих частотах пристрій індукційний.

Прикладом багатофункціональних пристроїв є силові резонансні фільтри (СРФ) вищих гармонік, які інакше називають фільтрокомпенсувальними установками (ФКУ). За певних умов ФКУ можуна використовувати також для симетрування системи лінійних напруг. ФКУ можуть використовуватись і як фільтри-загороджувачі для розділення лінійних та нелінійних навантажень або як шунтові фільтри для поглинання (шунтування) струмів вищих гармонік.

Фільтри-загороджувачі – це паралельно з’єднані ємність та індуктивність, значення опорів яких на відповідній частоті мають бути однаковими за абсолютною величиною, а фільтри-шунти складаються з тих самих елементів, з’єднаних послідовно.

Рис 3.1. Електричні частотні фільтри:

а) – фільтр-загороджувач; б) – фільтр-шунт.

У першому випадку результуючий опір наближається до нескінченності, а у другому – до нуля залежно від точності підбору складових елементів та активної складової їх опору.

Найбільшого поширення набули шунтові фільтри вищих гармонік – cилові резонансні фільтри (СРФ), які на промисловій частоті являють собою до того ж компенсувальний пристрій реактивної потужності. Їх виконують з увімкнених послідовно реактивних елементів (ємність, індуктивність), сумарний опір яких на певній частоті є мінімальний, тобто кажуть, що фільтр налаштований на частоту . За основною гармонікою такі фільтри є джерелами реактивної потужності. Вони можуть бути вузькосмуговими та широкосмуговими. Фільтри з вузькою смугою мають мінімальний активний опір котушки індуктивності й призначені для пропускання струму однієї гармоніки, а широкосмугові – мають підвищений активний опір (іноді за рахунок додаткового резистора) і можуть пропускати струми двох чи трьох частот. СРФ налаштовують на частоти однієї чи декількох гармонік, які переважають в амплітудному спектрі напруги мережі залежно від виду нелінійності навантаження та значення коефіцієнта K_p, який визначають за формулою K_p=Q_кб/S_кз, де Q_кб – потужність конденсаторної батареї фільтра; S_кз – потужність короткого замикання на шинах, до яких приєднано фільтр.

Якщо K_p 1,5 , то можна обмежитись одним широкосмуговим фільтром і необхідності встановлювати декілька фільтрів немає.

У мережах з шестифазними вентильними перетворювачами, для яких K_р 2 , встановлюють СРФ сьомої гармоніки. Якщо при цьому не забезпечується зниження рівня гармонік до 5% і нижче, рекомендується додатково встановити фільтр 11-ї гармоніки. Якщо K_p 2 достатньо встановити тільки СРФ п'ятої гармоніки.

У мережах з 12-фазними вентильними перетворювачами встановлюють СРФ 11-ї гармоніки. У цьому разі можна використати також широкосмуговий СРФ, налаштований на 7–9- гармоніки, якщо буде забезпечено зниження рівня гармонік до такого, який вимагають норми чинного стандарту.

В мережах з ДСП, зварювальними агрегатами, газорозрядними лампами встановлюють СРФ третьої, п'ятої та 7сьомої гармонік.

В електричних системах фільтри застосовуються перш за все для того, щоб зменшити амплітуду струмів або напруги однієї або декількох фіксованих частот (паралельні фільтри).

Коли ж необхідно уникнути проникнення струмів певної частоти в окремі вузли перетворюючої підстанції або частини енергетичної системи (як, наприклад, у випадку пульсації сигналів керування), можна використовувати послідовний фільтр, що складається з паралельно включеного конденсатора і котушки індуктивності, які створюють великий опір протіканню струму на вибраній частоті. Проте таке рішення не може бути застосоване для обмеження рівня гармонік самого джерела, оскільки генерація гармонік нелінійними елементами підстанції (наприклад, трансформаторами і статичними перетворювачами) є невід'ємною частиною їх нормальної роботи.

Що стосується самих статичних перетворювачів, то зазвичай в них прийняті заходи до обмеження проникнення гармонік струму в систему за допомогою створення короткозамкненого шляху з малим опором для гармонійних частот. В принципі можливе створення комбінованих послідовних і паралельних фільтрів для мінімізації гармонік струму і напруги, проте для цього необхідні великі витрати.

Визначення фільтрів

Паралельний фільтр налаштований на певну частоту, якщо на цій частоті його індуктивний і ємнісний опори рівні.

Добротність фільтру Q визначає точність його настройки. Фільтр з високим рівнем добротності (від 30 до 60) настроюється строго на одну з низьких гармонічних частот (наприклад, п'яту). Фільтр же з низьким рівнем добротності має малий опір в широкому діапазоні частот, особливо у випадку, якщо його рівень добротності не перевищує 5.

Якщо такий фільтр використовується для гашення гармонік високих порядків (наприклад, вище 17-ої), то його можна розглядати і як фільтр вищих частот.

Для настроєного фільтра Q визначається як відношення індуктивності (або ємності) при резонансі до активного опору:

Смуга пропускання частот фільтра Р обмежена частотою, на якій реактивний опір фільтра рівний його активному опору (тобто кут повного опору рівний 45°), і частотою, на якій модуль повного опору рівний Добротність фільтра пов'язана з шириною його смуги пропускання наступним співвідношенням:

де - налаштована кутова частота, рад/с.

Точність налаштування фільтра гашення вищих частот зворотня добротності настроєних фільтрів, тобто .

Ступінь невідповідності настройки фільтру номінальній настроєній частоті характеризується коефіцієнтом що враховує зміни основної (що живить) частоти, зміни ємності і індуктивності фільтра, що викликаються старінням деталей фільтра і коливаннями температури, а також власний розлад фільтра, пов'язаний з промисловими допусками при його виготовленні.

Загальний розлад фільтру на одиницю номінальної настроєної частоти

Крім того, зміна L або C, скажімо на 2%, викликає такий же розлад фільтру, як і зміну частоти системи на 1%. Отже, можна представити і у вигляді