Схемы и параметры фильтров

Ограничение уровней гармоник напряжений и токов

Ограничение уровней гармоник напряжений и токов

Фильтры

План лекции:

7.2 Схемы и параметры фильтров

В электрических системах фильтры применяются, прежде всего для того, чтобы уменьшить амплитуду токов или напряжений одной или нескольких фиксированных частот (параллельные фильтры).

Когда же необходимо избежать проникновения токов определенной частоты в отдельные узлы преобразовательной подстанции или части энергетической системы (как, например, в случае пульсации управляющих сигналов), можно использовать последовательный фильтр, состоящий из параллельно включенных конденсатора и катушки индуктивности, создающих большое сопротивление протеканию тока на выбранной частоте. Однако такое решение не может быть применено для ограничения уровня на­пряжений гармоник самого источника, поскольку генерация гармоник нелинейными элементами подстанции (например, трансформаторами и статическими преобразователями) является неотъемлемой чертой их нормальной работы.

Что касается самих статических преобразователей, то обычно в них приняты меры к ограничению проникновения гармоник тока в систему с помощью создания короткозамкнутого пути с малым сопротивлением для гармонических частот. В принципе возможно создание комбинированных последовательных и параллельных фильтров для минимизации тока и напряжения гармоник, однако для этого необходимы большие затраты.

Параллельный фильтр настроен на определенную частоту, если на этой частоте его индуктивное и емкостное сопротивления равны.

Добротность фильтра Q определяет точность его настройки. Фильтр с высокой добротностью (от 30 до 60) настраивается строго на одну из гармонических частот (например, пятую). Фильтр же с низкой добротностью имеет малое сопротивление в широком диапазоне частот, особенно в случае, если его уровень добротности не превышает 5.

Если такой фильтр используется для подавления гармоник высоких порядков (например, свыше 17-й), то его можно рассматривать и как фильтр верхних частот. На рисунке 7.3 и 7.4 представлены основные схемы фильтров и соответствующие зависимости со­противления от частоты.

Для настроенного фильтра Q определяется как отношение индуктивного (или емкостного) сопротивления при резонансе к активному сопротивлению:

Как показано на рисунке 7.1, б полоса пропускания частот фильтра Р ограничена частотой, на которой реактивное сопротивление фильтра равно его активному сопротивлению (т.е. угол полного сопротивления равен 45^º)и частотой, на которой модуль полного сопротивления равен .

Рисунок 7.1 - Схема параллельного фильтра, настроенного на одну

частоту (а) и зависимость его полного сопротивления Z от частоты (б)

Рисунок 7.2 - Схема параллельного фильтра второго порядка подавления

частот (а) и зависимость его полного сопротивления R от частоты (б)

Добротность фильтра связана с шириной его полосы пропускания следующим соотношением:

, (7.4)

где настроенная угловая частота, рад/с.

Точность настройки фильтра подавления высоких частот обратна добротности настроенных фильтров.

Степень несоответствия настройки фильтра номинальной настроенной частоте характеризуется коэффициентом d, учитывающим изменения основной (питающей) частоты, изменения емкости и индуктивности фильтра, вызываемые старением деталей фильтра и колебаниями температуры, а также собственную расстройку фильтра, связанную с промышленными допусками при его изготовлении и конечностью шагов настройки.

Общая расстройка фильтра на единицу номинальной настроенной частоты

(7.5)

Кроме того, изменение L или С, скажем, на 2 % вызывает такую же расстройку фильтра, как и изменение частоты системы на 1%. Следовательно, можно представить и в виде

(7.6)

Мощность фильтра определяется по реактивной мощности, генерируемой фильтром на основной частоте. Эта мощность почти в точности равна реактивной мощности основной частоты, генерируемой конденсаторами. Суммарная же мощность ветвей фильтра определяется требованиями по реактивной мощности, предъявляемыми к источнику гармоник, и тем, в какой степени эти требования могут быть удовлетворены за счет сети переменного тока.

Идеальным критерием разработки фильтра является подавление всех искажений формы напряжения, в том числе и телефонных помех, являющихся самыми сложными для подавления. С экономической стороны уменьшение телефонных помех может быть получено с меньшими затратами, если принять некоторые предварительные меры в телефонных систе­мах и в энергетической системе в целом.

Более реальный критерий предполагает уменьшение искажений до допустимого уровня в точке общего соединения нескольких потребителей и использует или гармонический ток, или гармоническое напряжение, или то и другое. Критерий, основанный на гармониках напряжения, более удобен для разработки фильтров, так как сопротивление сети переменного тока постоянно меняется и проще гарантировать работу фильтра в определенном диапазоне напряжений, чем значение рабочего тока.

Для того чтобы учесть требуемые гармонические ограничения, при разработке фильтров необходимо следовать следующей схеме:

- в цепь, состоящую из фильтров, параллельно соединенных с электрической системой переменного тока (рисунок 7.5) вводится спектр гармоник тока, генерируемого нелинейной нагрузкой на соответствующих частотах, и рассчитываются гармоники напряжения;

- результаты, полученные после выполнения предыдущего пункта, используются для определения других характеристик, таких, как искажение напряжения, коэффициенты влияния на линии связи и другие;

- рассчитываются напряжения на элементах фильтра (конденсаторах, катушках индуктивности, резисторах) и их параметры и потери энергии в них.

Рисунок 7.5 - Схема определения коэффициента искажения напряжения

Особое внимание при разработке фильтров требуется уделить трем элементам: источнику тока, проводимостям фильтра и системы.

В зависимости от нагрузки, а для случая статического преобразователя и от углов зажигания, будет меняться характеристика источника тока. После того как будут изучены проводимости фильтра и системы, потребуется рассчитать для каждой частоты минимальное значение общей эквивалентной проводимости, дающей максимальное искажение напряжения.

Определив схему соединения конкретного фильтра, можно построить геометрическое место точек, соответствующее сопротивлению (проводимости) фильтра. Гораздо труднее построить кривую, соответствующую сопротивлению источника тока даже с малой точностью.

Разработанный фильтр представляет собой однополюсную схему, способную гасить весь спектр пропускаемых гармоник (пример, для случая шестипульсного преобразователя гармоник начиная с пятой). Однако требуемая для осуществления этой цели емкость фильтра очень велика, и гораздо экономичнее подавлю гармоники малых порядков с помощью одноплечевого настроенного фильтра.

Настроенные фильтры. Фильтр одной частоты представляет собой последовательную -цепочку (рисунок 7.3, а), настроенную на частоту одной гармоники (обычно канонической гармоники малого порядка). Полное сопротивление такого фильтра

(7.7)

на резонансной частоте уменьшается до чисто активно сопротивления R.

Фильтры двойной настройки. При соответствующем выборе параметров вместо двух одночастотных фильтров (рисунок 7.6, а) применяется фильтр двойной настройки. В районе резонансных частот сопротивления двух одночастотных фильтров практически равны сопротивлениям схемы фильтра, настроенного на две частоты (рисунок 7.6, б).

Эта схема имеет преимущество по сравнению с одночастотными фильтровыми схемами, так как по­зволяет существенно снизить потери энергии на основной частоте. Основным же достоинством фильтра, настроенного на две частоты, является большее рабочее напряжение. Это связано с тем, что можно уменьшить число катушек индуктивностей, находя­щихся под полным линейным напряжением.

В качестве примера на рисунке 7.6, в приведены эквивалентные сопротивления фильтров с двойной настройкой, используемых на подстанции Эчинген передачи энергии через Ла-Манш.

В принципе возможно создание фильтров, настроенных на три и четыре частоты, но в этом редко бывает необходимость, так как подобные фильтры требуют сложной настройки.

Рисунок 7.6 - Одночастотный фильтр (а), фильтр двойной настройки (б) и расчетная зависимость сопротивления от частоты фильтра пятой и седьмой гармоник на подстанции Эчинген (в)

Фильтры с автоматической настройкой. При разработке на­строенных фильтров желательно уменьшить максимальное отклонение частоты. Этого можно добиться применяя настройку фильтра с помощью автоматического регулирования емкости или изменения индуктивности. Обычно считается приемлемой регулировка ±5%. В преобразователях постоянного тока использовалась система управления, измеряющая реактивную мощность гармонической частоты в фильтре и изменяющая значение L или С в зависимости от ее знака и значения.

По сравнению с фильтрами с фиксированной настройкой автоматически настраиваемые фильтры имеют ряд преимуществ:

- имеют меньшую емкость конденсаторов;

- применяемые конденсаторы могут иметь одновременно и большой температурный коэффициент емкости, и большую реактивную мощность в расчете на единицу массы и единицу стоимости;

- из-за большой добротности потери мощности меньше. Первые два преимущества позволяют снизить стоимость конденсаторов - наиболее дорогих элементов фильтра. Второе преимущество снижает стоимость резисторов и стоимость потерянной энергии.

Широкополосные фильтры. Широкополосный фильтр имеет следующие достоинства:

- меньшая чувствительность к изменениям температуры, отклонениям частоты, промышленным допускам при изготовлении элементов, потерям в емкостных элементах и т.п.;

- малое сопротивление широкому спектру гармоник, отсутствие необходимости разбивки фильтра на параллельные ветви, вызывающей затруднения при переключениях и обслуживании;

- удобство применения в случае, если использование настроенных фильтров вызывает появление резонанса токов между проводимостями фильтра и системы на частотах гармоник, меньших нижней частоты настроенного фильтра, или на частотах гармоник, лежащих между настроенными частотами.

Основными недостатками широкополосных фильтров являются:

- для получения одинакового уровня фильтрации широкополосные фильтры должны быть рассчитаны на более высокую мощность, хотя в большинстве случаев хорошая работа фильтра осуществляется в диапазоне, требующемся для регулировки коэффи­циента мощности;

- потери энергии в резисторе и в катушке индуктивности гораздо выше.

Типы широкополосных фильтров. Нарисунке 7.7 показаны четыре типа гасящих фильтров: первого, второго, третьего порядков и С- типа.

Фильтр первого порядка применяется редко, так как для него требуется конденсатор большой мощности, а потери на основной частоте велики.

Фильтр второго порядка удобен в эксплуатации, но потери на основной частоте по сравнению с фильтром третьего порядка велики.

Основным достоинством фильтра третьего порядка являются его малые потери энергии на основной частоте (по сравнению с фильтром второго порядка), связанные с увеличением полного сопротивления на этой частоте, вызванным наличием конденсатора С₂. Емкость С₂ много меньше емкости С₁. По своей работе фильтр С-типа занимает положение между фильтрами второго и третьего порядка.

Рисунок 7.7 - Широкополосные высокочастотные фильтры:

а) первого порядка; 6) второго порядка; в) третьего порядка; г) С-типа

Основным его преимуществом является существенно меньшие потери на основной частоте из-за того, что на этой частоте С₂ и L последовательно настроены. Такие фильтры наиболее чувствительны к изменениям основной частоты и отклонениям параметров элементов.

Схемы фильтров. Обычно мощные статические преобразователи проектируются на работу по крайней мере с 12-пульсным циклом. Однако очень часто по условиям эксплуатации или из-за временных сбоев в работе допускается 6-пульсная работа преобразователя. В этих условиях преобразователь генерирует дополнительно к каноническим гармоникам 12-пульсного режима гармоники пятого и седьмого порядка. Эти гармоники от­фильтровываются с помощью специальной схемы, состоящей из настроенных фильтров для гармоник малых порядков (5, 7, 11 и 13-го) и высокочастотного гасящего фильтра для гармоник 17-го и более высоких порядков, рисунок 7.8.

Рисунок 7.8 - Фильтр переменного тока

Полосовая фильтрация для 12-пульсных преобразователей. Установка на преобразовательной подстанции настроенных фильтров резонанса напряжений для 11- и 13-й гармоник и высокочастотных фильтров для гармоник более высоких порядков обычно приводит к более сильному, чем это требуется, подавлению гармоник.

Рисунок 7.9 - Смешанный фильтр второго порядка и С-типа

Это связано с тем, что минимальная мощность фильтра обычно определяется наименьшей емкостью конденсаторов, допустимой с точки зрения экономики, и минимальной реактивной мощностью, генерируемой преобразователем.

Таким образом, схема фильтрации может быть упрощена либо заменой настроенных фильтров 11-й и 13-й гармоник на один гасящий фильтр, либо заменой на такой фильтр всех фильтров схемы.

В создаваемых в настоящее время мощных преобразовательных схемах высокого напряжения велика вероятность резонанса гармоник малых порядков между полным сопротивлением системы и емкостным сопротивлением фильтра.

В зависимости от того, что является источником гармоник малых порядков - система переменного тока или преобразователь, могут наблюдаться резонанс напряжений и резонанс токов.

Для исключения появления резонанса на малых частотах была предложена другая схема фильтрации, состоящая из фильтра С- типа и фильтра второго порядка (рисунок 7.9).

Дата добавления: 2014-01-13