Активные фильтры гармоник: что это, зачем нужны и как работают

Гармонические искажения в электросети – это нежелательные составляющие тока или напряжения, кратные основной частоте (50 Гц) сети. Они возникают при работе нелинейных нагрузок (частотно-регулируемые приводы, импульсные источники питания, светодиодное освещение, ИБП и др.) Такие гармоники искажают синусоиду сети и приводят к проблемам (перегрев оборудования, сбоям, снижению КПД, превышению нормативов по качеству питания) Активный фильтр гармоник – это устройство для подавления этих искажений. Согласно официальному определению по ГОСТ Р 59031-2020, активный фильтр – это электрический частотный фильтр, реакция на гармоники которого полностью или частично обеспечивается управляемым преобразователем напряжения в режиме реального времени. Проще говоря, фильтр измеряет присутствующие гармоники и генерирует в сеть компенсационные токи такой же частоты, но в противофазе. В результате наложение «противотока» практически полностью нейтрализует исходные искажения. Такая динамическая компенсация позволяет быстро адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, в отличие от традиционных пассивных фильтров.

Почему необходимы активные фильтры

Рост доли электроники и систем с нелинейными характеристиками (преобразователи частоты, тиристорные регуляторы и др.) привёл к увеличению уровня гармоник. Эти искажения разрушают качество питания: согласно ГОСТ 32144-2013, гармонические составляющие напряжения обусловлены нелинейными нагрузками сети и вызывают падения напряжения на импедансе сети, искажение синусоиды, ухудшение коэффициента мощности и т. д. ГОСТ 32144 устанавливает пределы допустимых коэффициентов гармонических составляющих (до 40-го порядка) – их превышение требует мероприятий по коррекции. Активные фильтры позволяют удовлетворить эти стандарты: по данным производителей, при корректном подборе мощности АФГ «гармоническое искажение снижается до уровня менее 5 %». Кроме того, фильтры снижают реактивную нагрузку и дисбаланс в сети, что дополнительно улучшает энергоэффективность. Иными словами, активный фильтр гармоник – это инструмент для обеспечения «здоровой» синусоиды (чистоты формы тока и напряжения) и соблюдения нормативов качества электроэнергии.

Принцип работы активного фильтра

Активный фильтр гармоник представляет собой сложную электронную систему. Условно его можно разбить на несколько этапов:

Измерение гармоник: специализированные датчики непрерывно мониторят ток и напряжение сети, определяя амплитуды и частоты присутствующих гармоник.
Анализ: контроллер системы в реальном времени вычисляет, какие именно гармоники нужно компенсировать и какова их фаза.
Генерация противотока: на основе вычислений мощный инвертор формирует компенсационный ток с точно такой же частотой и амплитудой, но «выплескивающийся» в сеть в противофазе по отношению к исходной гармонике.
Введение в сеть: компенсирующий ток вводится обратно в сеть в место подключения фильтра. При наложении двух волн гармоника практически исчезает (складываются противоположно направленные компоненты).
Дополнительные функции: многие активные фильтры (иногда их называют АФКУ – фильтрокомпенсирующее устройство) одновременно компенсируют реактивную мощность и дисбаланс фаз. Это достигается тем же инвертором при работе на основной частоте, что повышает универсальность прибора.

Таким образом, активный фильтр работает по принципу «создания обратного гармонического тока» и адаптируется к широкому диапазону частот (часто до 25–50-го порядка). Он динамично реагирует на изменение нагрузки, что делает его эффективным даже при переменных искажениях. Для пользователя это выглядит просто: устройство «подключается» параллельно нагрузке и автоматически гасит вредные составляющие, поддерживая чистоту синусоиды.

Области применения

Активные фильтры гармоник применяются в самых разных сферах, где важно сохранить качество питания при наличии ёмких или электронных нагрузок. Типичные примеры:

Промышленные электроприводы: частотно-регулируемые преобразователи, тиристорные регуляторы и приводы различной мощности. Активные фильтры снижают гармоники, генерируемые выпрямителями и инверторами на приводах.
Центры обработки данных и ИТ-оборудование: большие серверные и дата-центры часто оснащены ИБП и мощными источниками питания, генерирующими гармоники. АФГ сглаживают их воздействие и разгружают системы бесперебойного питания.
Освещение и бытовая электроника: энергосберегающие и светодиодные светильники, а также бытовые компьютеры – всё это источники импульсных помех. Фильтры гармоник «очищают» сеть от помех, предотвращая мерцание, шум и сбои.
Возобновляемые источники: инверторы солнечных станций и ветроустановок также могут вызывать искажения. Активные фильтры компенсируют их влияние на общую сеть, обеспечивая совместимость с электросистемой.

Кроме того, АФГ устанавливают рядом с крупными нагрузками (локально на вводах щитов или распределительных сетей). Это позволяет «глушить» гармоники прямо у источника их возникновения, снижая требуемую мощность фильтра и защищая всю сеть выше точки подключения. Как отмечает производитель, использование активного фильтра в современных установках «является обязательным», поскольку он делает форму волны тока чистой и синусоидальной. Например, на сайте производителя VEDA (vedadrive.ru) представлены активные фильтры для разнообразных применений, а частотники VEDADRIVE этой же компании отличаются низким уровнем гармоник.

Нормативы и стандарты

Важно отметить, что необходимость применения активных фильтров регламентируется стандартами по качеству электроэнергии. Так, межгосударственный ГОСТ 32144-2013 (аналог EN 50160) детально описывает показатели качества, включая гармоники. Этот стандарт констатирует, что гармонические составляющие напряжения обусловлены нелинейными нагрузками и устанавливает максимальные допустимые коэффициенты гармонического искажения для различных уровней сети. Превышение этих норм недопустимо и может привести к штрафам или сбоям на оборудовании. Поэтому предприятиям часто требуется внедрение решений по коррекции, и АФГ является одним из самых передовых средств для соблюдения этих требований.

Вывод

Активные фильтры гармоник – это современный и эффективный способ поддержания качества электроэнергии при наличии нелинейных нагрузок. Они автоматически измеряют и компенсируют гармоники, «выпрямляя» волну тока. Использование таких фильтров помогает предотвратить проблемы с оборудованием, снизить энергопотери и соответствовать техническим регламентам. Лидеры рынка (например, компания VEDA) предлагают решения для различных задач – от промышленного привода до ИТ-инфраструктуры. Подробнее о фильтрах гармоник и приводной технике можно узнать на сайте vedadrive.ru.