ВЫПРЯМИТЕЛЬ С АКТИВНЫМ ФИЛЬТРОМ
RECTIFIER WITH ACTIVE FILTER

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнических комплексах с частотно-регулируемыми электроприводами различной мощности, работающих от общей сети постоянного напряжения.
Известна система частотно-регулируемых электроприводов, в составе которой содержатся трехфазный выпрямитель и мостовой транзисторный коммутатор. Выпрямитель предназначен для питания шин постоянного напряжения с подключенными к ним частотно-регулируемыми электроприводами различной мощности, а мостовой транзисторный коммутатор, работая в режиме инвертора напряжения, ведомого сетью, возвращает в питающую сеть излишки энергии, генерируемые асинхронными двигателями электроприводов в режиме торможения [Патент 142676 Российская Федерация, МПК В66С 13/22 (2006.01). Система частотно-регулируемых электроприводов для комплекса грузоподъемных кранов / Климаш B.C. Соколовский М.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Комсомольский на Амуре государственный технический университет". - №2013145059; заявл. 08.10.2013; Опубл. 27.06.2014, Бюл. №18]. Недостатком этого аналога является высокий уровень искажений тока, вносимых выпрямителем в питающую сеть, и необходимость использования дополнительных устройств для снижения искажений.
Также известна система частотно-регулируемых электроприводов на основе автономного инвертора напряжения, работающих от общей сети постоянного напряжения [Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. - 3-е изд., испр. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 (п.2.2.1)] используемой как прототип. Прототип содержит частотно-регулируемые электроприводы различной мощности, выполненные на основе асинхронного двигателя и автономного инвертора напряжения, которые подключены к общим шинам постоянного напряжения. Питание шин осуществляется от общего выпрямителя, подключенного к питающей сети трехфазного переменного напряжения. При помощи LC-фильтра на выходе выпрямителя обеспечивается низкий уровень пульсаций напряжения на шинах, а трехфазный L-фильтр на входе снижает уровень пульсаций тока, потребляемого выпрямителем из питающей сети. Также прототип содержит мостовой транзисторный коммутатор, у которого зажимы переменного напряжения через трехфазную индуктивность подключены к питающей сети, а зажимы постоянного напряжения подключены к шинам постоянного напряжения. Асинхронные двигатели электроприводов могут работать в генераторном и двигательном режимах. Питание электроприводов, работающих в двигательном режиме, осуществляется от общего выпрямителя, а когда электропривод переходит в генераторный режим то энергия, генерируемая асинхронным двигателем, поступает на шины постоянного напряжения и потребляется другими электроприводами, работающими в двигательном режиме, при этом потребление энергии из питающей сети снижается. Когда генерируемой электроприводами энергии становится больше, чем потребляется, то избыточная энергия возвращается в питающую сеть при помощи мостового транзисторного коммутатора, функционирующего в режиме инвертора напряжения, ведомого сетью.
Недостатки прототипа заключаются в высоком уровне нелинейных искажений тока, вносимых выпрямителем в питающую сеть, и необходимость использования дополнительных устройств для снижения искажений.
Задачей изобретения является создание выпрямителя с активным фильтром.
Технический результат от решения поставленных задач заключается в двухстороннем обмене энергией между шинами постоянного напряжения и питающей сетью трехфазного переменного напряжения с низкой эмиссией гармонических искажений тока в питающую сеть, при помощи одного устройства на основе мостового транзисторного коммутатора и трехфазного выпрямителя.
Решение поставленных задач достигается тем, что выход трехфазного L-фильтра подключен к датчику напряжения питающей сети через соединенные последовательно дополнительный трехфазный L-фильтр и датчик тока транзисторного коммутатора, при этом параллельно дополнительному трехфазному L-фильтру подключен трехфазный коммутатор, также вход трехфазного L-фильтра выпрямителя подключен к датчику напряжения питающей сети через датчик тока выпрямителя, кроме этого, положительная шина постоянного напряжения подключена через коммутатор шин к положительному зажиму мостового транзисторного коммутатора и положительному зажиму конденсатора транзисторного коммутатора, отрицательный зажим которого подключен к отрицательной шине постоянного напряжения, также положительный и отрицательный измерительные входы датчика напряжения шин подключены к соответствующим шинам постоянного напряжения, кроме этого к системе управления подключены измерительные выходы датчика напряжения питающей сети, датчика тока транзисторного коммутатора, датчика тока выпрямителя и датчика напряжения шин, также к системе управления подключены управляющие входы трехфазного коммутатора, мостового транзисторного коммутатора и коммутатора шин.
Устройство выпрямителя с активным фильтром представлено на фиг. 1.
Он состоит из следующих элементов: 1 - датчик напряжения питающей сети; 2 - датчик тока транзисторного коммутатора; 3 - дополнительный трехфазный L-фильтр; 4 - трехфазный коммутатор; 5 - трехфазный L-фильтр; 6 - мостовой транзисторный коммутатор; 7 - конденсатор транзисторного коммутатора; 8 - датчик тока выпрямителя; 9 - система управления; 10 - коммутатор шин; 11 - трехфазный L-фильтр выпрямителя; 12 - трехфазный выпрямитель; 13 - L-фильтр шин; 14 - С-фильтр выпрямителя; 15 - датчик напряжения шин; 16 - отрицательная шина постоянного напряжения; 17 - положительная шина постоянного напряжения.
Элементы устройства соединены следующим образом. Зажимы переменного напряжения мостового транзисторного коммутатора 6 подключены к входу трехфазного L-фильтра 5, выход которого подключен к датчику напряжения питающей сети 1 через соединенные последовательно дополнительный трехфазный L-фильтр 3 и датчик тока транзисторного коммутатора 2, причем параллельно дополнительному трехфазному L-фильтру подключен трехфазный коммутатор 4. Зажимы переменного напряжения трехфазного выпрямителя 12 подключены к выходу трехфазного L-фильтра выпрямителя 11, вход которого через датчик тока выпрямителя 8 подключен к датчику напряжения питающей сети. Положительный зажим конденсатора транзисторного коммутатора 7 подключен к положительному зажиму коммутатора 6 и выходу коммутатора шин 10. Отрицательный зажим коммутатора 6 подключен к отрицательному зажиму конденсатора транзисторного коммутатора и отрицательной шине постоянного напряжения 16. Вход коммутатора 10 подключен к положительной шине постоянного напряжения 17. Положительный зажим трехфазного выпрямителя подключен к положительной шине постоянного напряжения, через L-фильтр шин 13. Отрицательный зажим трехфазного выпрямителя подключен к шине 16. Положительный зажим С-фильтра выпрямителя 14 и положительный измерительный вход датчика напряжения шин 15 подключены к шине 17. Отрицательный зажим С-фильтра выпрямителя и отрицательный измерительный вход датчика напряжения шин подключены к шине 16. Измерительные выходы датчиков 1, 2, 8 и 15 подключены к системе управления 9. Управляющие входы коммутаторов 4, 6 и 10 подключены к системе управления.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Выпрямитель с активным фильтром подключается к источнику трехфазного синусоидального напряжения, которое через датчик напряжения питающей сети 1, поступает на элементы устройства. К отрицательной шине постоянного напряжения 16 и положительной шине постоянного напряжения 17 подключаются асинхронные частотно-регулируемые электроприводы на базе автономного инвертора напряжения. Различаются два режима работы устройства -выпрямительный и инверторный. В выпрямительном режиме осуществляется электроснабжение электроприводов, подключенных к шинам постоянного напряжения. При этом напряжение питающей сети через датчик 1, датчик тока выпрямителя 8 и трехфазный L-фильтр выпрямителя 11 поступает на зажимы переменного напряжения трехфазного выпрямителя 12. Трехфазный выпрямитель выполняет преобразование трехфазного синусоидального напряжения на входе в постоянное напряжение на выходе, которое поступает на шины постоянного напряжения через LC-фильтр, образованный L-фильтром шин 13 и С-фильтром выпрямителя 14, при этом, трехфазный L-фильтр выпрямителя обеспечивает низкий уровень пульсаций тока на входе трехфазного выпрямителя, а LC-фильтр обеспечивает низкий уровень пульсаций напряжения и тока на шинах постоянного напряжения. Для снижения величины нелинейных искажений тока в "питающей сети, вносимых трехфазным выпрямителем, используются трехфазный L-фильтр 5, мостовой транзисторный коммутатор 6 и конденсатор транзисторного коммутатора 7, которые работают совместно как активный фильтр тока. При этом система управления 9 оставляет коммутатор шин 10 в отключенном состоянии, а трехфазный коммутатор 4 включает, тем самым переводит его в проводящее состояние. На основании величин, измеренных при помощи датчика напряжения питающей сети, датчика тока транзисторного коммутатора 2 и датчика тока выпрямителя, системой управления выполняется расчет необходимого тока компенсации и формирование соответствующего сигнала управления для мостового транзисторного коммутатора. Ток компенсации от коммутатора 6 через трехфазный L-фильтр, трехфазный коммутатор, датчик тока транзисторного коммутатора поступает на участок электрической цепи между датчиками 1, 2 и 8, где суммируется с током трехфазного выпрямителя. В результате ток, потребляемый устройством, становится близким к синусоидальному, и величина нелинейных искажений тока снижается. Когда электроприводы, подключенные к шинам постоянного напряжения, переходят в генераторный режим, то на шины поступает электрическая энергия, которая вызывает рост величины постоянного напряжения на шинах. Система управления контролирует величину напряжения при помощи датчика напряжения шин 15 и при достижении заданного значения переводит выпрямитель с активным фильтром в инверторный режим работы. В инверторном режиме, система управления переключает трехфазный коммутатор в непроводящее состояние, а коммутатор шин переключает в проводящее состояние, тогда, напряжение с шин постоянного напряжения через коммутатор 10 поступает на мостовой транзисторный коммутатор, который совместно с трехфазным L-фильтром и дополнительным трехфазным L-фильтром 3 работает как инвертор напряжения, синхронный с питающей сетью, и излишки энергии с шин постоянного напряжения возвращаются в питающую сеть. При этом системой управления формируется соответствующий сигнал управления для мостового транзисторного коммутатора, а конденсатор транзисторного коммутатора выполняет дополнительное снижение пульсаций напряжения на шинах. При возрастании потребляемого тока трехфазного выпрямителя из питающей сети и снижении напряжения на шинах постоянного напряжения до заданного значения, система управления включает коммутатор 4 и отключает коммутатор 10, а элементы 5, 6 и 7 снова работают как активный фильтр тока.
Наиболее целесообразной областью применения выпрямителя с активным фильтром являются электротехнические комплексы, где частотно-регулируемые электроприводы подключены к общим шинам постоянного напряжения, а асинхронные двигатели электроприводов осуществляют регулярные переходы из двигательного режима в генераторный.