УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ГАРМОНИЧЕСКИХ ТОКОВ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно к устройствам подавления высших гармоник тока в электрических сетях и коррекции коэффициента мощности сети и может быть использовано для снижения уровня гармонических составляющих тока в системах электроснабжения с большим количеством нелинейной нагрузки.
Известен активный фильтр высших гармонических составляющих токов с устройством коррекции коэффициента мощности (патент US №5977660, дата приоритета: 08.08.1997), содержащий инвертор, контроллер, накопительные конденсаторы и выходной пассивный сглаживающий фильтр. Контроллер выполняет процедуру прогноза тока в следующий промежуток времени с целью уменьшения создаваемой нагрузкой разницы фаз между током и напряжением сети. Управляющая процедура выполняет интегрирование разницы между реальными токами в линии и их требуемыми значениями в эквивалентные промежутки времени на различных циклах переменного тока основной частоты. Интегральные величины можно комбинировать с пропорционально регулируемыми разностными токами для снижения или полной компенсации гармонических токов. Процедура балансировки токов позволяет активному фильтру выравнивать токи в многофазных силовых линиях. Все эти процедуры можно использовать как по отдельности, так и вместе.
Недостатком данного устройства является невозможность инвертора работать с переменной частотой ШИМ, что снижает быстродействие устройства и качество компенсации гармонических токов.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети (патент RU №2446536, дата приоритета: 30.11.2010), содержащее инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий пассивный фильтр и контроллер системы управления. Контроллер системы управления снабжен датчиком тока фильтра, датчиком тока сети, датчиком напряжения, формирователем импульсов на основе релейных регуляторов с изменяемой шириной гистерезиса, фазовыми преобразователями тока и напряжения, блоком фазовой синхронизации, регулятором напряжения накопительного конденсатора, причем вход датчика тока сети соединен с зажимами питающей сети, вход датчика тока фильтра соединен с зажимами линии, питающей выходной сглаживающий пассивный фильтр и инвертор, вход датчика напряжения соединен с зажимами питающей сети, выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора, вход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединен с зажимами накопительного конденсатора, выход датчика тока сети соединен с входом формирователя импульсов, выход датчика тока фильтра соединен с входом формирователя импульсов, выход датчика тока сети соединен с входом регулятора напряжения накопительного конденсатора, выход датчика напряжения соединен с входом фазового преобразователя напряжения, выход фазового преобразователя напряжения соединен с входом блока фазовой синхронизации, выход блока фазовой синхронизации соединен с входом фазового преобразователя тока, выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединен с входом фазового преобразователя тока, выход фазового преобразователя тока и выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединены с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора.
В данном устройстве, контроллер системы управления осуществляет регулирование напряжения накопительного конденсатора и генерацию импульсов управления силовыми ключами инвертора с помощью релейных регуляторов. Релейные регуляторы формируют управляющие импульсы для силовых ключей инвертора на основе сигналов ошибки, которые являются разницей между заданными токами и фактическими генерируемыми инвертором с учетом сигнала задания по току от регулятора напряжения накопительного конденсатора и измерительного сигнала тока нелинейной нагрузки.
Недостатком данного устройства является сложная система управления активным фильтром, содержащая в себе фазовый преобразователь напряжения, фазовый преобразователь тока и блок фазовой синхронизации, что снижает надежность работы устройства и удорожает его.
Задача изобретения - снижение уровня гармонических составляющих тока и повышение коэффициента мощности в системах электроснабжения за счет совершенствования конструкции активного фильтра электроэнергии.
Технический результат изобретения заключается в снижении коэффициентов искажения синусоидальной формы кривых тока, обусловленных гармониками и фазовым сдвигом тока сети из-за наличия нелинейной нагрузки, режим работы которой связан с динамическим изменением потребляемого несинусоидального тока, и повышении коэффициента мощности сети.
Предлагаемое устройство может быть востребовано в сетях предприятий, где широкое распространение получила нелинейная нагрузка в виде различного типа преобразователей частоты и вентильных выпрямителей систем регулируемого электропривода технологических установок и комплексов.
Технический результат предлагаемой полезной модели достигается тем, что в устройстве компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети, содержащем инвертор, накопительный конденсатор, входной дроссель и блок формирования сигнала управления, блок формирования сигнала управления состоит из блока датчиков фазных токов активного фильтра, блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя, блока датчиков фазного напряжения сети, датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя, блока сравнения, формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса, блока формирования расчетных фазных токов вентильного выпрямителя, который состоит из блока вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя, блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети и блока умножения, причем силовой вход блока датчиков фазных токов активного фильтра и силовой вход блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя соединены с зажимами сети, питающей входной дроссель и инвертор, силовой вход блока датчиков фазного напряжения сети соединен с зажимами питающей сети, силовой вход датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя соединен с выходом вентильного выпрямителя, силовой вход вентильного выпрямителя соединен с силовым выходом блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя, силовой выход вентильного выпрямителя соединен через датчик тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя с нагрузкой, вход входного дросселя соединен с силовым выходом блока датчиков фазных токов активного фильтра, силовой вход инвертора соединен с выходом входного дросселя, силовой выход инвертора соединен с накопительным конденсатором, сигнальный выход датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя соединен с входом блока вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя, сигнальный выход блока датчиков фазного напряжения сети соединен с входом блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, выход блока вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя соединен со вторым входом блока умножения, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети соединен с первым входом блока умножения, выход блока умножения соединен с первым входом блока сравнения, сигнальный выход блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя соединен со вторым входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с первым входом блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса, сигнальный выход блока датчиков фазных токов активного фильтра соединен со вторым входом блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса, выход блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показана структура устройства компенсации гармонических токов и реактивной мощности, на фиг.2 - график мгновенного значения тока одной из фаз, потребляемого из сети вентильным выпрямителем, на фиг.3 - график мгновенного значения тока одной из фаз параллельного активного фильтра электроэнергии, на фиг.4 - график мгновенного значения тока одной из фаз, потребляемого из сети системой вентильный выпрямитель - параллельный активный фильтр электроэнергии.
Устройство компенсации гармонических токов и реактивной мощности, структурная схема которого представлена на фиг.1 содержит инвертор - 1; накопительный конденсатор - 2; входной дроссель - 3; вентильный выпрямитель - 4; нагрузку - 5; блок формирования сигнала управления силовыми ключами инвертора - 6 в состав, которого входит блок датчиков фазных токов вентильного выпрямителя - 7, блок датчиков фазного напряжения сети - 8, датчик тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя - 9, блок датчиков фазных токов активного фильтра - 10; блок формирования расчетных фазных токов нагрузки вентильного выпрямителя - 11; блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети - 12; блок вычисления амплитудного значения фазных токов нагрузки вентильного выпрямителя - 13; блок умножения - 14; блок сравнения - 15; формирователь управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса - 16. Силовой вход блока датчиков фазных токов активного фильтра 10 и силовой вход блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя 7 соединены с зажимами сети, питающей входной дроссель 3 и инвертор 1, силовой вход блока датчиков фазного напряжения сети 8 соединен с зажимами питающей сети, силовой вход датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя 9 соединен с выходом вентильного выпрямителя 4, силовой вход вентильного выпрямителя 4 соединен с силовым выходом блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя 7, силовой выход вентильного выпрямителя 4 соединен через датчик тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя 9 с нагрузкой 5, вход входного дросселя 3 соединен с силовым выходом блока датчиков фазных токов активного фильтра 10, силовой вход инвертора 1 соединен с выходом входного дросселя 3, силовой выход инвертора 1 соединен с накопительным конденсатором 2, сигнальный выход датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя 9 соединен с входом блока вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя 13, сигнальный выход блока датчиков фазного напряжения сети 8 соединен с входом блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети 12, выход блока вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя 13 соединен со вторым входом блока умножения 14, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети 12 соединен с первым входом блока умножения 14, выход блока умножения 14 соединен с первым входом блока сравнения 15, сигнальный выход блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя 7 соединен со вторым входом блока сравнения 15, выход блока сравнения 15 соединен с первым входом блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16, сигнальный выход блока датчиков фазных токов активного фильтра 10 соединен со вторым входом блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16, выход блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16 соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора 1.
Устройство компенсации гармонических токов и реактивной мощности работает следующим образом. Измерительный сигнал фазного напряжения сети с сигнального выхода блока датчиков фазного напряжения сети 8 поступает на вход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети 12, который вычисляет синусы мгновенных фазовых углов напряжения сети в соответствии со следующими выражениями:
1
1A
1B
1C
где f - частота напряжения сети; t - текущее время; u, u, u - фазные напряжения сети.
Измерительный сигнал тока с сигнального выхода датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя 9 поступает на вход блока вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя 13. Блок вычисления амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя 13 выполняет расчет амплитудного значения фазных токов вентильного выпрямителя и формирует на своем выходе сигнал амплитудного значения фазных токов в соответствии со следующим выражением:
cx
d
где k - коэффициент выпрямления по току трехфазной мостовой схемы; I - ток звена постоянного тока.
Полученные сигналы с выходов блоков 12 и 13 поступают соответственно на первый и второй входы блока умножения 14. Блок умножения 14 производит перемножение сигналов с выходов блоков 12 и 13 и на его выходе формируется значение расчетного тока вентильного выпрямителя, в соответствии со следующими выражениями:
Полученный расчетный ток вентильного выпрямителя является идеальным желаемым синусоидальным током, потребляемым вентильным выпрямителем из сети.
Значение расчетного фазного тока вентильного выпрямителя с выхода блока умножения 14 поступает на первый вход блока сравнения 15. На второй вход блока сравнения 15 поступает измерительный сигнал реального тока вентильного выпрямителя с сигнального выхода блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя 7. В результате работы блока сравнения 15 происходит сравнение расчетных фазных токов вентильного выпрямителя и реальных фазных токов вентильного выпрямителя и на выходе блока 15 формируется значение разницы между расчетным и реальным фазными токами вентильного выпрямителя в соответствии со следующими выражениями:
Ан
Вн
Сн
где i; i; i - реальные фазные токи вентильного выпрямителя.
Значения разницы токов с выхода блока сравнения 15 поступают на первый вход блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16. На второй вход блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16, поступают измерительные сигналы токов активного фильтра с сигнального выхода блока датчиков фазных токов активного фильтра 10. С выхода блока формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16 сигналы управления поступают на вход драйверов управления силовыми ключами инвертора. Релейные регуляторы формируют управляющие импульсы для силовых ключей инвертора 1 на основе сигналов ошибки. Сигналы ошибки представляют собой разницу между током активного фильтра, поступающим с сигнального выхода блока датчиков тока активного фильтра 10 и сигналом с выхода блока сравнения 15 являющегося разницей между расчетным током, полученным в соответствии с выражениями (1…4) и реальным током вентильного выпрямителя поступающего с сигнального выхода блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя 7. Когда сигнал ошибки достигает верхнего предела (iз+Δi), первый транзистор k1 рассматриваемой ветви (см. фиг.1) инвертора 1 отключается, а второй транзистор k2 той же ветви включается, таким образом, происходит форсированное снижение тока. Когда сигнал ошибки достигает нижнего предела (iз-Δi) транзистор k1 рассматриваемой ветви инвертора 1 включается, а транзистор k2 той же ветви отключается, таким образом, происходит форсированное увеличение тока. Гистерезисные пределы сигнала ошибки (iз+Δi) и (iз-Δi) релейных регуляторов непосредственно определяют число пульсаций управляющих сигналов для ключей инвертора 1 при изменении заданного тока в зависимости от режима работы вентильного выпрямителя 4. Режим работы инвертора 1 с переменной частотой ШИМ реализуется путем изменения ширины гистерезиса Δi релейных регуляторов формирователя импульсов 16 в зависимости от характера изменения сигналов ошибки, поступающих на вход релейного регулятора тока с изменяемой шириной гистерезиса 16. С увеличением частоты гистерезиса релейных регуляторов растет точность отработки задания по компенсационному току инвертора 1.
Для отслеживания непрерывного изменения спектра генерируемого компенсационного тока необходимо обеспечить режим работы инвертора 1 с переменной частотой ШИМ. Изменение ширины и частоты гистерезиса релейных регуляторов позволяет задать пределы, внутри которых формируются импульсы управления, соответствующие режиму работы инвертора 1 с переменной частотой ШИМ и, как следствие, переменным частотным спектром генерируемого компенсационного тока. Заданные пределы регулирования гистерезиса релейных регуляторов должны соответствовать частотному диапазону изменения спектра подавляемых высших гармоник и настраиваются при установке устройства для компенсации нелинейной нагрузки 1 с известным генерируемым гармоническим спектром. Помимо этого, соответствующая настройка и регулирование ширины и частоты гистерезиса релейных регуляторов формирователя импульсов 16 позволяет обеспечить требуемую точность отработки задания по компенсационному току при сохранении уровня быстродействия, достаточного для отслеживания динамических изменений режима работы большинства типов нелинейной нагрузки, и режим работы инвертора 1 с переменной частотой ШИМ. Таким образом, предлагаемое устройство на основе совокупного использования инвертора 1, накопительного конденсатора 2, входного дросселя 3, блока формирования сигнала управления силовыми ключами инвертора 6, состоящего из блока датчиков фазных токов вентильного выпрямителя 7, блока датчиков фазного напряжения сети 8, датчика тока звена постоянного тока вентильного выпрямителя,9, блока датчиков фазных токов активного фильтра 10, блока формирования расчетных фазных токов нагрузки вентильного выпрямителя 11, состоящего из блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети 12, блока вычисления амплитудного значения фазных токов нагрузки вентильного выпрямителя 13 и блока умножения 14, блока сравнения 15, формирователя управляющих импульсов на основе релейных регуляторов тока с изменяемой шириной гистерезиса 16 и режима работы инвертора 1 с переменной частотой ШИМ позволяет повысить уровень качества электрической энергии, привести его в соответствие с нормами ГОСТ 13109-97 по искажению синусоидальности формы кривых тока и напряжения, повысить коэффициент мощности сети с более высоким быстродействием по сравнению с рассмотренными аналогами и прототипом.
Аппаратная реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров.
По сравнению с известным решением предлагаемое устройство позволяет повысить качество компенсации гармонических составляющих тока и реактивной мощности за счет системы управления активным фильтром основанной на балансе мощностей между звеном постоянного и переменного тока вентильного выпрямителя. Кроме того предлагаемое устройство имеет более простую и надежную конструкцию, что позволяет получить экономический эффект в виде снижения себестоимости активного фильтра.