Ключевые слова: несинусоидальность напряжения, специальные фильтрокомпенсирующие устройства, пассивные фильтры гармоник, активные фильтры гармоник
Несинусоидальность напряжения возникает в результате работы электроприемников с нелинейными сопротивлениями — тиристорные преобразователи, дуговые печи, магнитные усилители, сварочные установки, газоразрядные лампы, силовые трансформаторы, генерирующие в основном нечетные гармоники канонических порядков (соответствующие числу пульсаций выпрямленного тока) [1,2]. Высокий уровень высших гармоник оказывает вредное воздействие на качество и надежность работы электроприемников и сетей электроснабжения:
– возрастает потребление реактивной мощности за счет мощности искажения;
– увеличиваются потери в сети и в электроприемниках, например, в двигателях;
– происходит ускоренное старение изоляции электрических машин и аппаратов;
– ограничивается применение батарей косинусных конденсаторов вследствие возможных резонансных явлений на высоких частотах или перегрузки батарей по току;
– снижается эффективность устройств компенсации емкостных токов замыкания на землю, так как большие остаточные токи высших гармоник способствуют переходу однофазных замыканий в междуфазные;
– увеличиваются погрешности измерений счетчиков электроэнергии.
Поэтому поддержание необходимого качества электроэнергии имеет большое значение для всех систем электроснабжения.
Одним из наиболее существенных параметров, определяющих качество электрической энергии, является искажение синусоидальной формы кривой напряжения.
Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:
– коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, являющимся количественной оценкой отклонения напряжения от формы синусоиды. Он характеризуется формулой [3]:
,
где 
- действующее значение n-й гармонической составляющей, 
— действующее значение 1-й гармонической составляющей;
– коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения
. Он характеризуетсяформулой [3]:
,
где - действующее значение n-й гармонической составляющей, — действующее значение 1-й гармонической составляющей.
Для обеспечения допустимого уровня несинусоидальности напряжения возможно принятие следующих мер:
– выделение нелинейных нагрузок на отдельную секцию шин, подключенную к одной из обмоток многообмоточного трансформатора или реактора. В этом случае на шинах нелинейной нагрузки допустимое значение 
определяется только условиями надежной работы автоматических систем управления и самих нагрузок;
– объединение вентильных преобразователей в группы по схеме умножения фаз;
– использование оборудования, с пониженным уровнем генерации высших гармоник, например «ненасыщающихся» трансформаторов и многофазных вентильных преобразователей;
– использование фильтрокомпенсирующихустройств (ФКУ).
В данной статье рассмотрено применение специальных фильтрокомпенсирующих устройств, также известных как силовые фильтры гармоник (пассивные и активные фильтры гармоник), для повышения качества электрической энергии путем снижения несинусоидальности напряжения.
ФКУ, также известные как силовые фильтры гармоник, помимо ослабления высших гармоник токов и напряжений выполняют функции компенсации реактивной мощности, изменения напряжения в месте подключения.
В простейшем случае ФКУ представляет собой последовательно соединенные реактор и батареи статических конденсаторов (БСК).Параметры реактора и БСК выбирают так, чтобы их суммарное сопротивление равнялось нулю. Обычно на каждую гармонику необходим свой фильтр.
Рис.1. Простейший силовой фильтр гармоник
Суммарное сопротивление фильтра на v-й гармонике 
будет равно нулю при условии, что
,так как 
, aXCv=XС /v, где 
и
— сопротивления реактора и БСК на основной частоте. Следовательно, сопротивление фильтра на основной частоте носит емкостный характер:
.
Мощность такой конденсаторной установки несколько меньше мощности используемых в ней конденсаторов:
,
однако вместе с генерацией реактивной мощности происходит снижение уровней высших гармоник. Напряжение на реакторе UL(рисунок 1) составляет
,а на БСК — 
.
Напряжение 
в процентах 
для фильтров 5, 7, 11 и 13-й гармоник составляют соответственно 4,2; 2,08; 0,83 и 0,59 %. Напряжение 
на такие же величины превышает 100 %.
ФКУ по виду используемых элементов делятся на пассивные и активные фильтры.
Пассивные фильтры гармоник (ПФГ) одновременно выполняют функции ослабления высших гармоник и коррекции коэффициента мощности. Они имеют небольшую стоимость, также не требуют регулярного технического обслуживания. Однако ПФГ являются статическими устройствами, и при изменении параметров сети и гармонического состава токов и напряжений, их эффективность уменьшается. Также их недостатком является возможность появления резонанса в параллельном колебательном контуре, который образуется фильтром и индуктивностью питающей сети, на частотах, близких к частотам высших гармоник.
Активные фильтры гармоник (АФГ) — это коммутируемые устройства, характеристики которых формируются с помощью закона управления. Они представляют собой адаптивные устройства, с параметрами, которые изменяются в зависимости от характеристик нагрузки и режима работы сети. АФГ выполняют следующие функции: они подавляют высшие гармоники, корректируют коэффициент мощности, уменьшают фликер-эффект и т. д. АФГ используются крупными коммерческими и офисными потребителями, на электротранспорте.
Рассмотрим снижение несинусоидальности напряжения на примере АФГ более подробно.
Принцип действия АФГоснован на переключении индуктивности в зависимости от мгновенного напряжения на нагрузке. Схема подключения устройства показана на рисунке 2. Здесь устройство представлено в виде элементов L и С, соединённых параллельно.
Рис. 2. Упрощенная однофазная схема замещения для составления математической модели
Перед тем, как устройство начинает функционировать, индуктивность подключается к источнику постоянного тока. При возникновении на зажимах нагрузки несинусоидального напряжения индуктивность отключается от источника постоянного тока и в зависимости от мгновенного значения напряжения первой гармоники 
включается в сеть. Если мгновенное значение напряжения сети uP превышает значение первой гармоники 
>
, то индуктивность включается в сеть так, чтобы происходило накопление энергии в индуктивности. Если мгновенное значение напряжения меньше 
, то индуктивность подключается таким образом, чтобы энергия, запасенная в индуктивности, выдавалась в сеть.
Мгновенное значение напряжения первой гармоники вычисляется в блоке СУ. Там же происходит и сравнение мгновенных величин напряжений.
При переключении индуктивности напряжение на нагрузке становится пилообразным. Это следует из законов коммутации: ток в индуктивности не может измениться мгновенно, но напряжение на индуктивности при этом может значительно изменяться. Поэтому для сглаживания скачков напряжения на нагрузке параллельно индуктивности в данном устройстве подключается ёмкость. Из 2-го закона коммутации следует: напряжение на ёмкости не может измениться мгновенно. Следовательно, емкость обеспечивает более плавное протекание переходных процессов, возникающих при переключении индуктивности. Тем самым снижается несинусоидальность напряжения.
Система уравнений, являющаяся математической моделью данного устройства и описывающая любые режимы работы активного фильтра, изображенной на рисунке 2:
.
Параметры устройства (L и C) могут изменяться в зависимости от входных параметров системы и нагрузки.
Вывод. Одной из основных причин несинусоидальности напряжения является широкое распространение устройств с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Как один из способов снижения этого показателя является использование специальных фильтрокомпенсирующих устройств, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности, подавление высших гармоник тока и напряжения, а также регулирование других показателей качества электроэнергии.
Литература:
- И. В. Жежеленко. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. — М.: Энергия, 1974. — 184 с.
- Ю. С. Железко. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 176 с.
- ГОСТ 32144–2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.– М.: Стандартинформ, 2014–17 с.
