Устройство подавления высших гармоник тока

Полезная модель относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к активным фильтрам высших гармоник тока в электрических сетях и коррекции коэффициента мощности. Устройство может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий с оборудованием, генерирующим высшие гармоники тока, приводящие к искажениям формы питающего напряжения.
Известно устройство, реализующее способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети (патент RU №2354025, дата начала отсчета срока действия патента: 04.05.2008, H02J3/18), принятое за аналог [1], содержащий датчики тока, преобразователи фаз, блок релейных регуляторов, регулятор напряжения накопительного конденсатора. Данное устройство выбрано аналогом.
Недостатком аналога является применение большого количества датчиков токов: токов нелинейной нагрузки; заданного и фактического токов инвертора, а также наличие устройства  сравнивания тока нелинейной нагрузки с заданными и фактическими токами инвертора, что приводит к усложнению системы контроля и управления, а, следовательно, к снижению быстродействия.
Известно устройство для адаптивного подавления гармоник тока в силовой линии (патент RU №2512886, дата начала отсчета срока действия патента: 10.04.2014, H02J3/00, H02J3/02, H02J3/16), принятое за прототип [2], содержащее фазовый преобразователь напряжения, фазовый преобразователь тока, датчик тока сети, регулятор напряжения накопительного конденсатора, фазовый преобразователь сетевых токов, фазовый преобразователь опорных токов. Данное устройство выбрано прототипом.
Недостатками прототипа являются: непостоянство ширины и частоты гистерезиса релейных регуляторов формирователя импульсов обеспечивающих работу инвертора с переменной частотой ШИМ; необходимость осуществления непрерывного контроля изменения спектра генерируемого компенсационного тока, что приводит к усложнению системы контроля и управления, а, следовательно, к снижению быстродействия.
Недостатки устройства устраняются предлагаемым решением.
Технический результат полезной модели заключается в снижении коэффициентов искажения синусоидальности формы кривых тока и напряжения питающей сети, упрощении системы управления, повышении быстродействия.
Предлагаемое устройство может быть востребовано как активный фильтр высших гармонический составляющих тока в сетях предприятий, использующих силовое преобразовательное оборудование.
Технический результат изобретения достигается тем, что в состав известного устройства, содержащего инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий пассивный фильтр и контроллер системы управления, при этом контроллер системы управления снабжен датчиком напряжения сети, формирователем импульсов, регулятором напряжения накопительного конденсатора, причем 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 формирователя импульсов соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора, выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединены с входом формирователя импульсов, включены: сетевой дроссель; фильтр выделения первой гармонической составляющей напряжения сети; датчик выходного напряжения инвертора.
Предлагаемое устройство подавления высших гармоник тока поясняется на фиг.1, где показана структура устройства: 1 - нелинейная нагрузка; 2 - инвертор; 3 - накопительный конденсатор; 4 - выходной пассивный фильтр; 5 – сетевой дроссель; 6 - контроллер системы управления; 7 датчик напряжения сети; 8 – фильтр выделения первой гармонической составляющей напряжения питающей сети; 9 – датчик выходного напряжения инвертора; 10 - формирователь импульсов; 11 - регулятор напряжения накопительного конденсатора.
С
K
И
Др
С
И
K
Др
С
И
Др,
Др
С
И
В отличие от прототипа, в устройстве подавления высших гармоник тока сети исключены датчики токов и элементы определения гармонического состава токов питающей сети, а шунтирование гармоник тока осуществляется по цепи сетевого дросселя при соблюдении условий соотношений напряжений: питающей сети u= A sin(щt) + У(Bsin(kщt)), где второе слагаемое является суммой высших  гармонических составляющих, в которой k – порядковый номер высшей гармонической составляющей; на выходе инвертора u= A sin(щt); напряжение на введённом сетевом дросселе u = u- u = У(Bsin(kщt), т.е. сетевой дроссель осуществляет шунтирование высших гармоник тока сети i=(u- u)/Zгде Z– полное сопротивление сетевого дросселя. В таком случае не требуется измерение токов сети и выделение их высших гармонических составляющих, а следует выделить только первую гармоническую составляющую напряжения сети u= A sin(щt) и определить её как задание выходного напряжения инвертора u= A sin(щt). Чем меньше полное сопротивление сетевого дросселя по отношению к полному сопротивлению питающей сети, тем эффективнее подавление высших гармоник тока в электрической сети.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства подавления высших гармоник тока.
Устройство подавления высших гармоник тока подключено к входу нелинейной нагрузки 1 и содержит инвертор 2, по цепи постоянного тока которого подключен  накопительный конденсатор 3; а по цепи переменного тока выход инвертора подключен к входу выходного пассивного фильтра 4, выходными цепями подключенного к входу сетевого дросселя 5, который выходными цепями подключен к сети питающего напряжения,  6 - контроллер системы управления транзисторами инвертора, включающий в себя 7- датчик напряжения сети, подключенный своими входами к питающей сети, а выходами к входам  фильтра  8 выделения первой гармонической составляющей напряжения питающей сети; 9 – датчик выходного напряжения инвертора, обеспечивающий обратную связь по напряжения; 10 - формирователь импульсов управления транзисторами инвертора, причём его входы соединены с выходами фильтра  выделения первой гармонической составляющей напряжения питающей сети, датчика  выходного напряжения инвертора и регулятора 11 напряжения  накопительного конденсатора, входы которого соединены с накопительным конденсатором 3.
И
Устройство подавления высших гармоник тока работает следующим образом. Контроллер системы управления 6 формирует импульсы управления транзисторами инвертора 2. При этом  датчик напряжения питающей сети 7 согласует величины мгновенных трёхфазных напряжений питающей сети с входными напряжениями фильтра 8 выделения первой гармонической составляющей сети питающего напряжения, первая гармоническая составляющая сети питающего напряжения подаётся на вход формирователя импульсов управления транзисторами инвертора 2, работающими с постоянной частотой ШИМ по синусоидальному закону формирования выходного напряжения инвертора 2, работающего в режиме активного выпрямителя, выходы которого подключены к входам пассивного фильтра 4, осуществляющего подавление высших гармонических составляющих на частоте ШИМ и выделение первой гармонической составляющей выходного напряжения инвертора 2  (u= A sin(щt)), которое посредством датчика 9 выходного напряжения инвертора передаётся на вход формирователя импульсов управления 10 транзисторами инвертора 2, создавая обратную связь контроллера системы управления по напряжению. Сформированные импульсы управления подаются на драйверы транзисторов инвертора 2, обеспечивая ШИМ. Питание инвертора 2 осуществляется от накопительного конденсатора 3, предзаряд которого осуществляется от питающей сети по первой гармонической составляющей потребляемого тока, а непосредственно заряд накопительного конденсатора 3 обеспечивается за счёт энергии подавляемых токов высших гармоник, потребляемых от питающей сети. При отклонении допустимых максимальной или минимальной величин напряжения на накопительном конденсаторе регулятора 11 напряжения  накопительного конденсатора пропорционально изменяет длительности импульсов формирователя 11 импульсов управления транзисторами инвертора, что приводит к стабилизации напряжения накопительного конденсатора в заданном диапазоне.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить подавление высших гармоник тока питающей сети и коррекцию коэффициента мощности, уменьшить потери в питающей сети, а, следовательно, увеличить её пропускную способность.
Сравнение заявленного изобретения с прототипом позволило установить, что оно отличается от прототипа дополнительным сетевым дросселем, упрощением функциональной схемы контроллера системы управления инвертором, следовательно, соответствует критерию “новизна”.
Источники информации
1. Способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети. Патент России RU №2354025, H02J3/18, 27.04.2009,. Бюл. №12.
2. Устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети. Патент России RU  № 2512886, H02J 3/00, H02J 3/02, H02J 3/16, 10.04.2014, Бюл. № 10.