Zmniejszenie zawartości harmonicznych – poprawa jakości

      Filtry Aktywne

Filtry aktywne dzielimy na równoległe (filtracja prądów) i szeregowe (filtracja napięcia). Filtry te działają na zasadzie wytwarzania harmonicznych pobieranych przez obciążenie nieliniowe, czyli jeśli odbiornik pobiera trzecią i siódmą harmoniczną to filtr aktywny generuje te harmoniczne. Filtr taki potrzebuje wiec normalnego zasilania.

     Zasada działania filtra połączonego równolegle

Filtr aktywny jest podłączony równolegle do linii zasilającej i nieustannie generuje harmoniczne prądowe, które dokładnie odpowiadają składowym harmonicznym, pobieranym przez obciążenie. Inaczej mówiąc układ energoelektroniczny realizując zasadę aktywnej filtracji generuje przebieg czasowy prądu będącego w przeciwfazie względem niepożądanej składowej w prądzie odbiornika. W rezultacie kształt fali prądu płynącego ze źródła zasilania pozostaje sinusoidalny.

Rysunek 3.4 Filtr aktywny równoległy

 

Całe spektrum harmonicznych o niskiej częstotliwości (w zależności od filtra do 20 – 30 harmonicznej) jest kompensowane.  Filtry te inaczej zwane są filtrami bocznikowymi i są one podłączane równolegle do linii prądu przemiennego.

 

Zasadę działania filtra aktywnego pokazuje animacja - kliknij

 

Rysunek 3.5 Działanie filtru aktywnego

 

Prąd obciążenia w przekładniku prądowym jest analizowany przez procesor, aby wyznaczyć profil harmonicznych. Ta informacja jest wykorzystywana przez generator harmonicznych, do generowania dokładnie takich harmonicznych prądowych, jakie są pobierane od strony zasilania. W praktyce harmoniczna prądowa jest obniżona o około 90 %.

Działanie filtra aktywnego opiera się na pomiarze z przekładnika prądowego szybko wiec dostosowuje się on do zmian harmonicznych obciążenia.

 

     Filtry aktywne szeregowe

W tym przypadku celem działania nie jest redukcja impedancji zastępczej źródła zasilania, lecz wręcz przeciwnie jej wzrost dla wybranych wyższych harmoniczncznych. 

Taki rodzaj filtru koryguje zarówno harmoniczne prądowe pobierane przez obciążenie jak i odkształcenia napięcia już obecne w systemie zasilania.

 

Rysunek 3.6 Filtr aktywny szeregowy.

 

W szeregowym filtrze aktywnym wartość impedancji jest kształtowana za pomocą odpowiedniego układu energoelektronicznego. Jeżeli napięcie źródła zasilania prócz harmonicznej podstawowej zawiera również wyższą harmoniczną, to może być ona eliminowana za pomocą aktywnego filtru szeregowego w układzie jak na rysunku [3.6]. Filtr ten wyważa napięcie będące w przeciwfazie w stosunku do niepożądanej składowej odkształconej. Zastosowanie filtra szeregowego powoduje poprawę skuteczności działania równoległych filtrów pasywnych, przyłączanych do zacisków nieliniowego odbiornika. Impedancja filtru szeregowego powinna mieć wartość:

-        bliską zero dla podstawowej harmonicznej

-        bardzo dużą dla harmonicznej filtrowanej przez pasywny filtr równoległy. Spowoduje to, że prąd tej harmonicznej będzie płynął prawie wyłącznie w obwodzie tego filtru i nie będzie obecny w sieci zasilającej. [2]

 

     Filtr aktywny hybrydowy

Rysunek 3.7 Filtr aktywny hybrydowy.

 

 

            Takie rozwiązanie łączy filtry aktywne z filtrem pasywnym, może być połączone zarówno szeregowo jak i równolegle. W filtrze pasywnym, (czyli elementach L i C) odbywa się filtrowanie podstawowe (na przykład 5-go rzędu), a filtr aktywny koryguje harmoniczne innych rzędów.

     Punkty przyłączania filtrów aktywnych.

Filtry aktywne mogą być instalowane w różnych punktach systemów rozdzielczych:

  • centralnie w punkcie przyłączania z siecią publiczną, aby korygować harmoniczne prądowe w całym systemie (pozycja A)
  • częściowa korekcja prądów harmonicznych (pozycja B)
  • blisko obciążeń generujących harmoniczne, aby zapewnić miejscową filtrację harmonicznych prądowych (pozycja C)

 

Rysunek 3.8 Trójpoziomowy system rozdzielczy z możliwymi punktami przyłączenia filtrów harmonicznych.

 

W każdym z wymienionych punktów filtr działa tylko na określone linie. Na przykład filtr w pozycji B, koryguje tylko harmoniczne wywołane obciążeniami w linii zasilającej S3 i nie reaguje w innych liniach zasilających.

Idealnie byłoby gdyby filtracja harmonicznych miała miejsce w miejscu ich powstawania. Aby zoptymalizować taka filtrację trzeba połączyć kilka filtrów harmonicznych w różnych konfiguracjach w różnych miejscach w systemie rozdzielczym, uzyskując w ten sposób pełną elastyczność i duży wybór sposobów filtracji.

 

     Działanie filtra z obciążeniem nieliniowym, typu sprzęt komputerowy.

Tego typu obciążenia charakteryzują się występowaniem dużej ilości wszystkich nieparzystych harmonicznych niskiego rzędu i bardzo wysokie poziomy trzecich, piątych, siódmych i dziewiątych harmonicznych. Rys [3.9] przedstawia typowe spektrum takich obciążeń.

Rysunek 3.9 Spektrum harmonicznych komputera osobistego.

 

Taki rodzaj napięcia wywołuje wiele problemów, takich jak przeciążenie przewodów neutralnych, przegrzewanie się transformatorów oraz nagrzewanie się z powodu efektu naskórkowości. Zastosowanie filtrów aktywnych przy takim obciążeniu powoduje znaczne poprawienie spektrum prądu zasilania (przedstawione na rys [3.10] )

Rysunek 3.10 Spektrum harmonicznych po zastosowaniu filtra aktywnego.

 

Poprawa jest wyraźnie widoczna – łączne odkształcenie harmoniczne prądowe THDI zmniejsza się niemal 30 krotnie, a rzeczywista wartość skuteczna zmniejsza się o 20 %.

Taka całkowita korekcja wymaga dużo prądu z filtra. W zależności od okoliczności może zaistnieć konieczność wyeliminowania wszystkich prądów harmonicznych. Czasem wystarczy wyeliminować jedynie 3 harmoniczną. Korzyścią z zastosowania takiej metody jest to, że problem jest rozwiązany przy niższym prądzie z filtra aktywnego. Spektrum pokazane jest na rys[3.11]

Rysunek 3.11 Spektrum harmonicznych po wyeliminowaniu jedynie trzeciej harm.

 

Zalety filtra aktywnego:

  • zmniejsza łączne odkształcenie harmonicznych prądowych (THDI) o około 10 razy
  • poprawia współczynnik mocy
  • nie można go przeciążyć
  • jest „elastyczny”
  • możliwe jest takie go zaprogramowanie żeby reagował tylko na określone harmoniczne
  • nie występuje zjawisko rezonansu przy żadnej częstotliwości harmonicznej [2]

 

 

Filtry pasywne

 Zasada działania filtra pasywnego

Impedancja elementów biernych zależy od częstotliwości.

Dla elementów indukcyjnych:

 a dla pojemnościowych:

 

gdzie w - pulsacja [rad/s]

 

Jak widać impedancja cewki rośnie wraz z wzrostem częstotliwości a kondensatora maleje. Dodatkowo na cewce napięcie „wyprzedza” prąd o 90 [0] a na pojemności „opóźnia” się za prądem o 90 [0]. Więc jeśli oba elementy są połączone szeregowo a ich impedancje są sobie równe wtedy napięcie na nich będzie wynosić zero.

Rysunek 3.12 Rezonans napięć dla k-tej harmonicznej

 

Gdy oba elementy połączone są równolegle wtedy prądy w każdej gałęzi „znoszą się” i prąd wpływający równy jest zero.

Rysunek 3.13 Rezonans prądów dla k-tej harmonicznej

 

Znając indukcyjność cewki i pojemność kondensatora możemy obliczyć częstotliwość rezonansową. Dla powyższego przypadku wynosi ona:

 

Do filtrowania harmonicznych stosowane jest zwykle szeregowe połączenie LC (filtr przepustowy). Połączenie równoległe (filtr zaporowy) ma zastosowanie tylko w nielicznych, szczególnych przypadkach.

 

Prąd i napięcie dla elementów połączonych szeregowo można przedstawić na wskazach:

Rysunek 3.14 Wykres wskazowy dla elementów połączonych szeregowo

 

Wzajemne przesunięcie fazowe obu napięć wynosi 180 [0]. Oznacza to, że reaktancje pojemnościowa i indukcyjna w szeregowym filtrze odejmują się od siebie. Dla częstotliwości rezonansowej, kiedy wartości reaktancji są sobie równe, ich różnica wynosi zero. Zatem obwód taki stanowi praktycznie zwarcie dla takiej częstotliwości. Pozostaje tylko niewielka rezystancja uzwojeń cewki.

 

 

     Projektowanie filtrów pasywnych

Filtry bierne są tak samo jak aktywne podzielone na szeregowe i równoległe. Różnica pomiędzy filtrem pasywnym szeregowym a równoległym jest taka, że filtry szeregowe charakteryzują się dużą impedancją zastępczą dla blokowanej harmonicznej a równoległe małą. Filtry są w zasadzie tak projektowane, aby każda z filtrowanych częstotliwości miała swój własny obwód filtracyjny dostrojony przez odpowiedni dobór indukcyjności i pojemności. Znając wartości wyższych harmonicznych prądu występujących w miejscu przewidywanego zainstalowania filtrów, zakłada się ich eliminację zaczynając od najmniejszej występującej harmonicznej, sprawdzając następnie współczynnik odkształcenia napięcia, aż do uzyskania pożądanego ograniczenia jego wartości.

 

Zastosowanie znalazły także filtry szerokopasmowe. Są to filtry, które posiadają małą impedancję w szerokim przedziale częstotliwości. W praktycznych zastosowaniach najczęściej stosuje się filtry dla pojedynczej harmonicznej oraz filtr szerokopasmowy.

 

Do współpracy z układem przekształtnikowym 6 pulsowym stosuje się najczęściej filtry 5 harmonicznej a rzadziej (głównie przy dużych mocach układów tyrystorowych) filtry 5 i 7 harmonicznej. Rysunek [3.15] przedstawia przykładową instalacje filtrów do napędu przekształtnikowego prądu stałego.

 

Rysunek 3.15 Przykładowa instalacja filtrów dla napędu przekształtnikowego

Jak widać tylko niewielka ilość nie przefiltrowanych harmonicznych przedostaje się w takim przypadku do systemu. Dla składowych harmonicznych 5-tej i 7-dmej są osobne filtry. Dla wyższych harmonicznych zastosowano filtr szerokopasmowy. Na rysunku [3.16] przedstawiono charakterystykę impedancyjną po zastosowaniu filtrów w punkcie wspólnego przyłączania.

 

Rysunek 3.16 Charakterystyka impedancyjna w punkcie wspólnego przyłączania.

 

     Wady filtrów pasywnych
  • System elektroenergetyczny wraz z filtrami pasywnymi stanowi słabo tłumiony układ RLC wymagający na etapie projektowania uważnej analizy charakterystyk częstotliwościowych w celu wykluczenia zjawisk rezonansowych.
  • Skuteczność działania filtru zależy bardzo silnie od impedancji systemu zasilającego w punkcie jego przyłączania. Jeśli chcemy zmniejszyć harmoniczną napięcia danego rzędu o więcej niż połowę za pomocą takiego filtra, to musi on mieć dla tej częstotliwości impedancje niższą niż impedancja zwarciowa sieci zasilającej.
  • Filtry ulegają rozstrojeniu na skutek zmian częstotliwości zasilania oraz zmian wartości elementów składowych LC (na przykład w skutek procesu starzenia kondensatorów). Negatywny tego skutek można zredukować między innymi poprzez odpowiednie dostrojenie filtru lub zmieszenie jego dobroci. Ten drugi sposób daje jednak wzrost strat mocy czynnej oraz wzrost nie filtrowanej harmonicznej w napięciu.
  • Filtrowaniu podlegają tylko wybrane harmoniczne o dominujących wartościach. Nie są filtrowane harmoniczne uznane za niecharakterystyczne dla odbiornika, które mogą jednakże wystąpić w prądzie zasilającym.
  • Filtry pasywne stanowią duży i kosztowny element systemów. W przypadku filtrów pojedynczych harmonicznych ich liczba odpowiada wartości filtrowanych harmonicznych
  • Filtry powodują zakłócenia transmisyjne
  • Z powodu strat mocy, pewna część energii tracona jest w postaci ciepła. Utrzymanie strat na niskim poziomie wymaga lepszych materiałów, większych przekrojów przewodów, co wiąże się z większymi kosztami.
     Równoczesna kompensacja i filtracja

Ponieważ impedancja kondensatorów maleje wraz ze wzrostem częstotliwości, może być ona bardzo mała dla harmonicznych wyższych rzędów. Dlatego stosuje się tak zwane „odstrojenie”.  Oznacza to włączenie szeregowo z kondensatorem do poprawy współczynnika mocy takiego dławika, żeby obwód dławik – kondensator dla częstotliwości podstawowej zasilania zachowywał się jak kondensator, natomiast dla wyższych harmonicznych wykazywał większą impedancję żeby nie dochodziło do dużych prądów mogących uszkodzić elementy.

 

Funkcje kompensacji mocy biernej i eliminacji prądów harmonicznych są często łączone. Częstotliwość rezonansową obwodu LC ustawia się zazwyczaj na częstotliwość nieharmoniczną, ponieważ kompensator może łatwo zostać przeciążony.

 

Rysunek 3.17 Równoczesna filtracja i kompensacja.

 

Dławiki są zwykle wymiarowane w procentach mocy znamionowej kondensatorów przy 50 [Hz]. Na przykład stopień odstrojenia 5 % oznacza, że 1/20 napięcia (przy 50 [Hz]) przypada na indukcyjność a 21/20 na kondensator (co odejmując daje 100 % napięcia). Odwrotny stosunek będzie, gdy częstotliwość wzrośnie do 1050 [Hz] (wtedy na dławiku będzie 21/20 napięcia a na kondensatorze 1/20).

 

Częstotliwość rezonansową możemy, więc policzyć ze wzoru:

gdzie st – stopień odstrojenia

 

Czyli dla 5 % mamy:

 

Dla innej często stosowanej wartości 7 %, częstotliwość rezonansowa wyniesie 189 [Hz]

 

Układ LC jest włączony do sieci równolegle. Mogą przez niego przepływać także harmoniczne pochodzące od innych źródeł niż tych, dla których został zaprojektowany a w pobliżu niema innych filtrów, konieczne może być przewymiarowanie filtra.

Przewymiarowanie filtra pozwala nie tylko uniknąć przeciążeń, ale poprawia także jakość filtrowania.

 

Filtr bierny projektowany jest dla określonych harmonicznych. Dostrojony on jest do częstotliwości rezonansowych, np. 150 [Hz] (wtedy reaktancja dławika 11%) lub 250 [Hz] (reaktancja dławika 4 %). Taki filtr przejmuje prądy trzeciej i piątej harmonicznej o dowolnej amplitudzie, również w stanie przeciążenia. Z tego powodu filtry te powinny być wymiarowane z dużym zapasem.

 

Dla każdej częstotliwości istnieje wiele par LC o tej samej częstotliwości rezonansowej. Wartość pojemności kondensatora wyznacza możliwy zakres kompensacji mocy biernej. Pozostaje wtedy do wyznaczenia wartość indukcyjności, która określa zachowanie układu dla częstotliwości harmonicznych.

Filtry, które jednocześnie służą do kompensacji mocy biernej mogą być zainstalowane jak pokazano na rysunku [3.18].

Rysunek 3.18 Zestaw filtrów szeregowych

 

W takim układzie, kiedy zachodzi potrzeba kompensacji mniejszej mocy biernej, możemy odłączyć część filtrów. Rozwiązanie takie nie jest doskonałe, ale bardzo oszczędne. Przy zmniejszonym obciążeniu nie potrzeba nam aż tak dużej kompensacji a prądy harmoniczne również maleją, więc możemy odłączyć filtry większej częstotliwości. Należy pamiętać, aby odłączanie następowało od wartości wyższych do niższych. [2]

 

Wspólne eliminowanie dominujących harmonicznych i kompensacja mocy biernej składowej podstawowej pociąga za sobą niewiele dodatkowych starań i kosztów, ponieważ kompensacja i tak jest realizowana, a w większości współczesnych kompensatorów stosowane są dławiki odstrajające. Przy dobieraniu dławika (do takiego kompensatora) celowo unika się dostrajania częstotliwości rezonansowych takich układów do częstotliwości harmonicznych które mogą wystąpić w systemie elektroenergetycznym.  Dużo większe korzyści uzyskuje się jednak projektując filtr, który właśnie rezonuje z odpowiednią częstotliwością harmoniczną prądu. Prądy harmoniczne są wtedy eliminowane skuteczniej. Oczywiście filtry takie powinny być trochę przewymiarowane, co nie powinno stwarzać problemu. Dodatkowo poprawia to jakość energii i większą sprawność energetyczną, przy małych dodatkowych kosztach.

 

      Inne sposoby

     Rozdzielenie obwodów zasilających

Jednym z rozwiązań zmniejszenia zawartości harmonicznych może być rozdzielenie obwodów zasilających odbiorniki generujące harmoniczne, od tych obwodów, które zasilają urządzenia czułe na dodatkowe harmoniczne. Wtedy obciążenia liniowe i nieliniowe zasilają oddzielne obwody. Odkształcenie napięcia spowodowane przez obciążenia nieliniowe nie wpływa na obciążenia liniowe.

 

Rysunek 3.19 Rozdzielenie obciążeń liniowych i nieliniowych.

 

     Redukcja harmonicznych w przekształtnikach

W wielu przypadkach zastosowanie dławików wejściowych w obwodzie prądu przemiennego lub w obwodzie prądu stałego zmniejsza w zasadniczy sposób poziom odkształcenia prądu przekształtnika. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem dla zmniejszenia współczynnika odkształcenia prądu i wyeliminowania negatywnych skutków obecności wyższych harmonicznych jest zwiększenie liczby pulsów w przekształtnikach.