АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ТОКА

Предполагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться в системах электропитания и распределения электрической энергии для компенсации искажений тока, создаваемых нелинейными нагрузками с бестрансформаторным входом на основе однофазного мостового выпрямителя с емкостным фильтром.
Известен параллельный активный фильтр гармоник [1], предназначенный для компенсации гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными нагрузками.
Параллельный активный фильтр гармоник (ПАФГ) подключают параллельно нелинейной нагрузке. Принцип действия ПАФГ основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. В результате этого высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения ПАФГ и не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть. Источник (сеть) обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а ПАФГ покрывает определенный спектр высших гармоник.
Данное устройство содержит силовую часть и устройство контроля и управления.
Силовая часть состоит из преобразователя постоянного тока в переменный, выполненного на основе IGBT-инвертора, с накопителем энергии (два конденсатора), включенного на стороне постоянного тока преобразователя, и интегрирующего фильтра (линейный дроссель), соединенного с выводами переменного тока преобразователя и включенного через блок защиты и мягкого пуска (БЗМП) в сеть. БЗМП содержит быстродействующие предохранители, контактор и балластное сопротивление, что определенным образом обеспечивает плавный заряд накопителей энергии (двух конденсаторов) в момент включения ПАФГ.
Устройство контроля и управления содержит первый и второй датчики тока, аналоговый блок фильтрации гармоник (блок анализа гармоник тока), состоящий из аналоговых узкополосных фильтров, настроенных на частоты, кратные основной частоте сети, и выделяющих гармоники со второй по двадцать пятую включительно, блок установки номеров компенсируемых гармоник, блок управления преобразователем и мониторинга, включающим блок регулирования и мониторинга и широтно-импульсной модулятор (ШИМ).
Устройство работает следующим образом: сигнал со второго датчика тока, включенного в фазу сети, поступает на блок фильтрации гармоник, где происходит выделение токов гармонических составляющих в заданном диапазоне и их суммирование. С блока фильтрации гармоник суммарный сигнал поступает в блок регулирования и мониторинга, где корректируется по выходу преобразователя - сигналу первого датчика тока, и посредством широтно- импульсной модуляции формируется сигнал управления, который усиливается в преобразователе и через интегрирующий фильтр, блок защиты и мягкого пуска вводится в сеть.
Недостатками известного параллельного активного фильтра гармоник являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью компенсации реактивной мощности по основной гармонике тока, которая поступая в сеть, ведет к росту энергопотребления систем электропитания, а также ограниченный спектр компенсации, определяемый количеством и качеством используемых в блоке фильтрации аналоговых гармонических фильтров и преобразователем на IGBT-транзисторах, коммутируемых с тактовой частотой 16 кГц. ПАФГ практически не обеспечивает компенсацию гармоник выше 25-й и может быть настроен на компенсацию гармоник только ниже указанного порядка, тогда как в составе тока нагрузки могут присутствовать гармоники более высокого порядка.
Данный ПАФГ выбран за прототип.
Целью заявляемого активного фильтра тока (АФТ) является расширение его функциональных возможностей за счет компенсации реактивной мощности по основной гармонике тока, а также расширение спектра компенсации гармонических составляющих тока.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом АФТ, содержащем силовую часть и систему контроля и управления (СКУ), при этом в силовую часть входит преобразователь постоянного тока в переменный, выполненный на основе IGBT-инвертора с накопителем энергии в виде конденсатора, включенного на стороне постоянного тока преобразователя, и интегрирующий фильтр в виде дросселя, соединенного с выводами переменного тока преобразователя и включенного через БЗМП в сеть, а СКУ включает в себя датчик тока, причем датчик тока включен на входе нелинейной нагрузки, блок управления преобразователем, включающим ШИМ (широтно-импульсный модулятор), в силовую часть АФТ введены активный корректор коэффициента мощности (АККМ) на основе однотактного повышающего преобразователя [2] и развязывающий дроссель, а в СКУ введены датчик напряжения, блок управления АККМ, включающий ШИМ, блок сумматора, преобразователь сигнала тока, блок умножителя, при этом АККМ входом подключен к источнику электроэнергии, а выходом - к накопителю энергии (конденсатору), развязывающий дроссель включен между источником электроэнергии (сетью) и нелинейной нагрузкой, датчик напряжения входом включен на выходе источника электроэнергии, а выходом - к первому входу блока умножителя и к первому входу блока сумматора, выход датчика тока подключен ко второму входу сумматора и ко входу преобразователя сигнала тока, выход которого подключен ко второму входу умножителя, выход которого подключен ко входу блока управления АККМ, выход которого подключен ко входу АККМ, выход сумматора подключен к входу блока управления преобразователем, выход которого подключен ко входу преобразователя постоянного тока в переменный, выполненного на основе IGBT-инвертора с накопителем энергии в виде конденсатора.
Введение в предлагаемый АФТ АККМ на основе однотактного повышающего преобразователя позволяет посредством блока управления АККМ, включающего ШИМ, накапливать энергию на конденсаторе в определенные интервалы, а развязывающий дроссель улучшает эффективность коррекции на интервале работы преобразователя постоянного тока в переменный, выполненный на основе IGBT-инвертора.
Наличие датчика напряжения позволяет выделить напряжение на выходе источника электроэнергии и сформировать эталонный сигнал потребляемого тока от источника электроэнергии (сети).
Блок сумматора осуществляет вычисление разностного сигнала с датчика тока и датчика напряжения, который усиливается преобразователем постоянного тока в переменный, выполненного на основе IGBT-инвертора, и вводится в сеть, корректируя искажения тока нелинейной нагрузкой.
Преобразователь сигнала тока формирует последовательность прямоугольных импульсов, интервал длительности которых определяется инверсией сигнала с датчика тока, а амплитуда - средним выпрямленным значением. Блок умножителя вычисляет для блока управления АККМ форму кривой потребляемого тока на интервале полуволны напряжения сети.
Таким образом, введенные в предлагаемый АФТ блоки позволяют достичь поставленную цель.
Структурная схема предлагаемого АФТ приведена на чертеже (Фиг.1).
Согласно чертежу АФТ содержит силовую часть и СКУ.
Силовая часть содержит включенный на выходе источника 1 электроэнергии одним концом развязывающий дроссель 2 и первым входом БЗМП 3, первый выход которого соединен со входом АККМ 4, выход которого соединен с накопителем энергии (конденсатором) и входом преобразователя 5 постоянного тока в переменный, выполненного на основе IGBT-инвертора, выход которого соединен со входом интегрирующего фильтра 6, выход которого соединен со вторым входом БЗМП 3, второй выход которого соединен со вторым концом развязывающего дросселя 2 и входом нелинейной нагрузки 7.
СКУ состоит из датчика тока 8, датчика напряжения 9, блока управления АККМ 10, включающего ШИМ, блок управления преобразователем 11 включающий ШИМ, блок умножителя 12, преобразователь сигнала тока 13 и блок сумматора 14. При этом датчик тока 8 включен на входе нелинейной нагрузки 7, датчик напряжения 9 входом включен к выходу источника электроэнергии 1, а выходом - к первому входу блока умножителя 12 и к первому входу блока сумматора 14, выход датчика тока 8 подключен ко второму входу сумматора 14 и ко входу преобразователя сигнала тока 13, выход которого подключен ко второму входу умножителя 12, выход которого подключен ко входу блока управления АККМ 10, выход которого подключен ко входу АККМ 4, выход сумматора 14 подключен к входу блока управления преобразователем 11, выход которого подключен ко входу преобразователя постоянного тока в переменный 5, выполненного на основе IGBT-инвертора с накопителем энергии в виде конденсатора.
АФТ работает следующим образом: аналоговые сигналы с датчика тока 8 и датчика напряжения 9 поступают на блок сумматора 14, где вычитаются и преобразуются в разностный аналоговый сигнал. Сформированный таким образом сигнал подается с блока сумматора 14 на блок управления преобразователем 11, включающий ШИМ, где преобразуется посредством широтно-импульсной модуляции в импульсную последовательность. С выхода блока управления преобразователем 11 импульсная последовательность подается на преобразователь 5 постоянного тока в переменный для управления силовыми ключами. С выхода преобразователя 5 усиленный сигнал поступает на вход интегрирующего фильтра 6 и далее через БЗМП 3 вводится в сеть. При этом накопитель (конденсатор) отдает часть энергии.
Аналоговый сигнал с датчика тока 8 также поступает на блок преобразователя сигнала тока 13, где преобразуются в последовательность прямоугольных импульсов, интервал длительности которых определяется моментами начала и окончания потребления тока нелинейной нагрузкой 7, а амплитуда - средним выпрямленным значением тока, потребляемого нелинейной нагрузкой 7.
Аналоговый сигнал с датчика напряжения 9 и прямоугольная последовательность импульсов с преобразователя сигнала тока 13, поступающие на первый и второй входы блока умножителя 12, преобразуются в аналоговый управляющий сигнал для АККМ 4, который через блок управления АКММ 10 посредством широтно-импульсной модуляции формируется в импульсную последовательность для управления силовым ключом. АККМ 4 по управляющей последовательности импульсов потребляет из сети через БЗМП 3 заданную кривую тока, подкачивая необходимую порцию энергии в накопитель (конденсатор), поддерживая тем самым баланс энергии «накопления-отдачи».
Таким образом, подобное выполнение описанных процессов заявляемого АФТ позволяет компенсировать реактивную мощность по основной гармонике тока, а также расширить спектр компенсации гармонических составляющих тока за счет формирования кривой потребляемого тока от источника электроэнергии по эталонному сигналу. Ограничением для спектра компенсации гармонических составляющих тока является несущая частота преобразователя постоянного тока в переменный, выполненного на основе IGBT-инвертора. На частоте коммутации силовых ключей порядка 400 кГц АФТ обеспечивает компенсацию до 40-й гармоники.
В свою очередь, применение АФТ обеспечивает значительное снижение коэффициента амплитуды тока в токораспределительной сети (ТРС) с нелинейными нагрузками и, соответственно, способствует увеличению коэффициента мощности системы энергопередачи и уменьшению потерь на участках ТРС. Тем самым АФТ позволяет разрешить проблему электромагнитной совместимости потребителей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Климов В., Карпиленко Ю., Смирнов В. Компенсаторы реактивной мощности и мощности искажения в системах гарантированного электропитания промышленного назначения // Силовая электроника, 2008, №3, с.108-112.
2. Климов В.П., Федосеев В.И. Схемотехника однофазных корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника, 2002, №8.