Антирезонансные фильтрующие дросселя

Общие сведения о дросселях

В наших электросетях с каждым днем возрастает количество нагрузок и потребителей, вызывающих гармонические колебания. К ним принадлежат, например, двигатели с регулированием числа оборотов, выпрямители, тиристорные регуляторы, осветительные устройства на лампах дневного света.

В связи с этим возрастают высшие гармоники и коэффициент нелинейных искажений сети. Это означает, что возрастает также и передающаяся реактивная мощность, что выражается в повышенных потерях передачи электроэнергии и соответственно повышенных расходах на электроэнергию.

Компенсирующие конденсаторы, расположенные у нагрузки, образуют в сочетании с питающим транформатором и сетевой индуктивностью колебательный контур. Благодаря большому числу высших гармоник он может возбудиться и войти в резонанс, что приводит к усилению гармоник или даже к разрушению конденсаторов компенсационного устройства.

Классическая компенсация реактивного тока

Большое число потребителей потребляют из сети омическо-индуктивный ток. Он состоит из активной и реактивной составляющей. Экономически нецелесообразно транспортировать реактивную часть в дальнейшие сети и устройства, поэтому имеет смысл устанавливать компенсационные устройства вблизи потребителя. Расходы на такое устройство амортизируются уже спустя короткое время.

Р - активная мощность
S - полная мощность
QL - индуктивная реактивная мощность нагрузки
QС - реактивная мощность конденсаторов компенсационного устройства
cos φ - коэффициент мощности

Современные сети с выпрямителями и регулируемыми приводами

Из-за применения преобразователей частоты в приводной технике, а также других нелинейных нагрузок возникает дополнительная реактивная мощность. Эта реактивная мощность искажения в виде гармоник объединяется с несомой мощностью. Т.к. она передается на различных частотах, должны быть приняты во внимание соответствующие физические явления и соблюдаться некоторые правила.

D - реактивная мощность искажения (соответствует высшим гармоникам) Sn - общая кажущаяся мощность включая и высшие гармоники λ - общий коэффициент мощности

Резонанс

     Антирезонансные фильтрующие дроссели включаются последовательно с конденсаторами компенсационного устройства. Они образуют, таким образом, последовательный колебательный контур, который поддается расчетам. Частота резонанса настраивается таким образом, чтобы она была меньше самой меньшей ожидаемой гармоники. Для трехфазных сетей общепринятой является 5 гармоника (250Гц).

L - индуктивность дросселя С - емкость конденсатора

р - коэффициент расстройки (дросселирования) [%]

     Коэффициент дросселирования выражает отношение между индуктивным реактивным сопротивлением дросселя и емкостным реактивным сопротивлением компенсационного конденсатора.

коэффициент дросселирования:	резонансная частота:

     Для коэффициента дросселирования были определены константные значения, чтобы, например, не вносить помехи в частотноуправляемые устройства.

коэффициент дросселирования	резонансная частота
5,67%	210Гц
7%	189Гц
14%	134Гц

Пример фильтрового контура при p = 7%

XL - реактанс дросселя

XC - реактанс конденсатора

XG - реактанс последовательного соединения

Т.к. такое включение приобретает индуктивный характер для всех частот выше 189 Гц, опасность возникновения резонансного контура между компенсационным устройством и сетевой индуктивностью полностью устраняется. Для защиты компенсационных устройств рекомендуется все конденсаторы оснащать антирезонансными дросселями. Как правило, для расчета номинальной мощности компенсационного устройства реактивная мощность дросселя не учитывается. Во избежание недоразумений, могут быть приняты 2 различные единицы измерения мощности.

Реактивная мощность конденсаторов	Общая реактивная мощность устройства
QC	Q

Расчет без согласования по мощности

Антирезонансные фильтрующие дроссели для несогласованных по мощности устройств рассчитываются исходя из емкости и номинального напряжения. Этот метод позволяет использовать стандартные конденсаторы, но из-за возрастания напряжения на конденсаторах поставляется больше мощности, чем изначально требуется.

Следует учесть:

В особенности при переоснащении уже существующих компенсационных устройств антирезонансными дросселями должны быть перепроверены допустимые напряжения конденсаторов!

Пример:

Необходимая мощность компенсации: 10kvar Сеть: напряжение / частота 400V / 50Hz Дросселирование: 7% / 189Hz
Необходимая емкость
Емкость при соединении треугольником
Реактанс конденсаторов
Необходимый реактанс дросселей
Индуктивность фильтрующих дросселей
Ток компенсации
Реальная мощность компенсации
Напряжение на конденсаторах

Расчет с согласованием по мощности

Согласованное по мощности устройство имеет смысл рассчитывать при вводе в эксплуатацию новых объектов. При этом номинальная мощность устройства соответствует требуемой реактивной мощности, что достигается путем расчета через фазный ток. Однако при этом также должно быть учтено повышенное напряжение на конденсаторах.

Преимущество:

Устройство обладает необходимой потребителю мощностью, модули и части установки меньше нагружаются.

Недостаток:

Необходимая мощность должна быть реализована за счет совместного включения стандартных конденсаторов, или же должны быть использованы конденсаторы специальных типоразмеров.

Пример:

Необходимая мощность компенсации: 10kvar Сеть: напряжение / частота 400V / 50Hz Дросселирование: 7% / 189Hz
Ток компенсации
Реактанс конденсатора
Необходимая емкость конденсатора
Емкость при включении треугольником
Необходимый реактанс дросселя
Индуктивность антирезонансного дросселя
Ток компенсации
Реальная мощность компенсации
Напряжение на конденсаторах

Ток

Номинальный ток (первой гармоники)
Эффективный ток
Тепловой ток
Максимальный ток (с коэф. линейности)

Линейность антирезонансных фильтрующих дросселей

коэффициент расстройки(дросселирования)	линейность
5,67%	2,2
7%	1,9
14%	1,6

Нами были проведены измерения параметров трехфазных антирезонансных дросселей, подключенных к регулируемому трансформатору. Индуктивность задавалась с помощью установки напряжения при разных токах. Точность составляет в среднем 3% по трем фазам.

Напряжения дросселя

Следующие перенапряжения на высших гармониках являются допустимыми для антирезонансных дросселей. Проверочное напряжение составляет 2,5 kV.

3 гармоника	U3= 0,5%*Un
5 гармоника	U5= 6%*Un
7 гармоника	U7= 5%*Un
11 гармоника	U11= 3,5%*Un
13 гармоника	U13= 3,0%*Un

Частотная зависимость сетевых и коммутационных дросселей

До частоты 5 кГц индуктивность плавно спадает примерно до 90% от номинала, что связано с конструктивными особенностями обмотки. В диапазоне 5-15 кГц отношение остается относительно постоянным. Начиная от частоты 20 кГц индуктивность резко спадает, т.к. процесс перемагничивания пластин сердечника не может происходить настолько быстро.

Динамическая компенсация (активный фильтр)

Динамическая компенсация необходима в тех случаях, когда параметры электросети постоянно изменяются и компенсационные меры с пассивными элементами не приносят желаемого результата или даже ухудшают характеристики.

Особенности при выборе параметров

1. Следует учитывать нагрузку на высших гармониках
2. Возможны всплески напряжения
3. Необходима высокая линейность
4. Малый коэффициент потерь
Вывод: дешевые дроссели могут слишком рано переходить в насыщение, что при нагрузке сдвигает резонансную частоту вверх.
электросеть
Из этого следует: