Типы и характеристики пассивных фильтров

Традиционно для обеспечения синусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения используются пассивные фильтры, выпол;

ионные на основе индуктивных и емкостных элементов. Принцип фильтрации основан на зависимости сопротивлений элементов фильтров от частоты протекающих в них токов и обычно на использовании явлений резонанса в последовательных и параллельных цепях, содержащих конденсаторы и дроссели. Пассивные фильтры различаются по схемотехническому исполнению и, соответственно, по частотными характеристикам. Среди фильтров, применяемых в электроэнергетике, принято различать расстроенные и подстроенные пассивные фильтры. Расстроенные фильтры имеют резонанс на частоте ниже частоты фильтруемой гармоники. Коэффициент, характеризующий степень расстройки, определяется из соотношения.

где со, и (о_п — угловые частоты основной (первой) и фильтруемой (п-й) гармоник тока или напряжения.

Обычно значения 5 составляют 5—15% в зависимости от степени искажения фильтруемых параметров. Расстроенные фильтры рассчитаны не только на фильтрацию высших гармоник, но и компенсацию реактивной мощности на частоте основной гармоники. Поскольку частота фильтруемой гармоники расстроенного фильтра выше частоты настройки, возникновение резонанса в системе «сеть — фильтр» практически исключается. Обычно основной функцией расстроенного фильтра является компенсация реактивной мощности основной гармоники, что и определяет критерий выбора емкости его конденсатора. Дроссель фильтра в этом случае может рассматриваться как ограничитель тока конденсатора, выполняющий функции его защиты в переходных процессах, связанных с изменением напряжения сети.

Настроенные фильтры используются для фильтрации гармоник с частотой, соответствующей резонансной частоте фильтра. В этом случае также имеет место эффект компенсации реактивной мощности на основной частоте, но он не является определяющим для выбора параметров фильтра. Критерием выбора параметров обычно является минимизация удельных массогабаритных или стоимостных показателей фильтра. Емкость конденсатора в этом случае бывает значительно меньше емкости конденсатора, используемого в расстроенном фильтре, рассчитанном на компенсацию реактивной мощности. Настроенные фильтры широко применяются для обеспечения синусоидальности напряжений и токов и уменьшения пульсации в преобразователях электрической энергии. Пассивные фильтры являются простыми и надежными устройствами повышения качества электроэнергии. Однако они имеют принципиальный недостаток — неуправляемость параметров в процессе функционирования. Это приводит к невозможности разрешения противоречивых требований, предъявляемых к фильтрам в различных режимах работы. Рассмотрим негативные качества пассивных фильтров более подробно.

Одним из основных параметров пассивного LC-фильтра является его добротность, определяемая как отношение максимальной энергии, накапливаемой в реактивных элементах (конденсаторе или дросселе), к энергии, рассеиваемой в активных элементах фильтра. Из приведенного определения следует, что добротность может быть выражена посредством различных аналитических соотношении и, в частности, для последовательного резонансного контура (рис. 5.21, а) в виде

где р = ^/1ф/С_ф — характеристическое сопротивление цепи; — эквивалентное активное сопротивление фильтра.

Рис. 5.21. Одночастотный пассивный фильтр:

а — схема замещения; б — частотные характеристики при разных значениях добротности Добротность определяет повышение напряжения па конденсаторе Сф и дросселе 1ф относительно напряжения, приложенного к цепи фильтра. С ростом добротности крутизна зависимости полного сопротивления от частоты возрастает, а полоса пропускания относительно резонансной частоты сор становится более узкой (рис. 5.21, б). Следствием этого является возникновение противоречий в требованиях к фильтру, прежде всего в статических, установившихся режимах работы. С одной стороны, рост добротности повышает эффективность фильтрации высших гармоник на частоте настройки сор, с другой стороны, возрастает отрицательное влияние на сопротивление фильтра отклонений от частоты настройки. Такие отклонения возникают в результате старения элементов фильтра или их нагрева. Возможно также отклонение частоты фильтруемой гармоники от значения сор и др. Более того, может происходить не только снижение эффективности, но и возникновение явления «антирезонанса», при котором происходит возрастание сопротивления фильтра па частоте «антирезонанса» и увеличение соответствующей гармоники напряжения на шинах системы электроснабжения. Это явление связано с возникновением резонанса токов в параллельной цепи, включающей в себя индуктивность сети 1с, к которой подключен фильтр в соответствии с эквивалентной схемой, представленной на рис. 5.22, а. Согласно этой схеме частота соар, на которой возникает «антирезонанс», при пренебрежении активным сопротивлением /?ф может быть определена из соотношения.

Из соотношения (5.20) видно, что при включении фильтра в сеть с источником большой мощности, т. е. малым значением Lc, частота «антирезонанса» приближается к резонансной частоте сор. В результате возникает возможность резкого возрастания соответствующих гармоник напряжения или токов в сети и фильтре (рис. 5.22,6). Это может приводить к аварийным ситуациям, в частности к выходу из строя конденсатора фильтра, пробою изоляции и др. При этом высокое значение добротности будет усугублять возможность возникновения «антирезонанса».

Рис. 5.22. Система электроснабжения с резонансным пассивным фильтром:

а — эквивалентная схема; б — частотная характеристика.