Zmniejszenie
zawartości harmonicznych – poprawa jakości
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.
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.
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]
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.
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.
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]
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.
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.
-
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.
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.
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.
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.