Трехфазный активный силовой фильтр

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована в трехфазных сетях, в устройствах компенсации высших гармонических составляющих токов и реактивной мощности.
Известен трехфазный активный силовой фильтр (см. патент РФ 2121222 Н 04 В 3/53, 1998 г.), содержащий LC-фильтры, систему преобразования входной информации, включающую адаптер, входы которого соединены с фазами питающей сети, а выходы с аналоговыми входами однокристальной ЭВМ, работающей по программе, записанной в блоке памяти, подключенном к однокристальной ЭВМ, которая через буферные каскады соединена с входами устройств управления памятью блока многозвенной импульсной модуляции, к устройствам управления памятью подключены блоки памяти, выходы устройств управления памятью через буферные каскады соединены с импульсными усилителями мощности.
Недостатком данного трехфазного активного силового фильтра является невысокое быстродействие, значительный суммарный коэффициент гармонических составляющих формируемого тока в сети и невозможность компенсации реактивной мощности.
Известен трехфазный активный силовой фильтр (см. патент RU 131916 U1, H02J 3/16 (2006.01) H02J 3/18 (2006.01) H02J 3/26 (2006.01) 2013 г.), состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью последовательно через датчик тока фильтра и фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, полумостового инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, параллельно соединенного с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенного к нулевой линии сети, датчика тока нагрузки, соединенного входами с сетью, а выходами с нелинейной нагрузкой, и системы управления, реализованной на микропроцессоре, входы которой подключены к выходу датчика тока нагрузки и выходу датчика тока фильтра, а выходы - к управляющим выводам полупроводниковых ключевых элементов.
Однако, при использовании указанного фильтра значение суммарного коэффициента гармонических составляющих формируемого в сети тока остается значительным, и, как следствие, качество формируемого в сети тока низкое.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение суммарного коэффициента гармонических составляющих формируемого тока в сети.
Технический результат достигается тем, что в известный трехфазный активный силовой фильтр, который содержит трехфазный мостовой инвертор напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенный выходами с сетью последовательно через датчик тока фильтра и фазные реакторы, емкостной накопитель на стороне постоянного тока, полумостовой инвертор на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, параллельно соединенный с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенный к нулевой линии сети, датчик тока нагрузки, соединенный входами с сетью, а выходами - с нелинейной нагрузкой, и систему управления, реализованную на микропроцессоре, входы которой подключены к выходу датчика тока нагрузки и выходу датчика тока фильтра, а выходы - к управляющим выводам полупроводниковых ключевых элементов, дополнительно введен блок оперативной памяти, вход и выход которого подключены к системе управления.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и фиг. 3 – диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит трехфазную питающую сеть синусоидальных напряжений A, B, C с нейтральным проводом N. Напряжения A, B, C питающей сети поступают на входы датчика тока нагрузки 1. Первый выход датчика тока нагрузки 1 подключен ко второму входу системы управления 2 активным фильтром, а второй, третий и четвертый выходы датчика тока нагрузки - к нелинейной нагрузке 3. Общий вывод нелинейной нагрузки подключен к нейтральному проводу N. Также напряжения А, В, С поступают на входы датчика тока 4 фильтра. Первый выход датчика тока 4 фильтра подключен к первому входу системы управления 2 активным фильтром, а второй, третий и четвертый выходы датчика тока нагрузки к входам фазных реакторов 5, 6, 7. Выходы фазных реакторов 5, 6, 7 подключены к трем фазным стойкам инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами 8, а нейтральный провод N к полумостовому инвертору – четвертой фазной стойке инвертора напряжения 8. В звено постоянного тока инвертора напряжения включен емкостной накопитель 9. Восемь выходов системы управления 2 активным фильтром подключены к входам транзисторов инвертора напряжения 8, а девятый выход подключен ко входу блока оперативной памяти 10. Выход блока оперативной памяти 10 подключен к третьему входу системы управления 2.
Устройство работает следующим образом.
Н(А),
З(A)
З(B)
З(C)
З(A)
Н(А)
АФ(А)
АФ(А)
Н(А)
С(А)
АФ(А)
Рассмотрим работу трехфазного активного силового фильтра на примере одной фазы (А). Ток I потребляемый нелинейной нагрузкой 3 от трехфазной сети A, B, C, протекает через датчик тока нагрузки 1, с выхода которого сигналы, пропорциональные току нагрузки, поступают в систему управления 2 активным фильтром. Также в систему управления 2 поступают синусоидальные сигналы-задания I, I, I . Система управления 2 вычисляет сигнал ошибки как разницу между сигналом-заданием I и током нагрузки I. В соответствие с сигналом ошибки система управления формирует управляющие импульсы, которые поступают на входы транзисторов инвертора напряжения 8. Под воздействием управляющих импульсов инвертор напряжения в фазном реакторе 7 формирует ток фильтра I. Ток фильтра I складывается с током нагрузки I, в результате чего форма тока сети I становится близкой к синусоидальной, как представлено на фиг. 2. Контроль формируемого тока фильтра I осуществляется с помощью датчика тока фильтра 4, с выхода которого сигналы пропорциональные току фильтра, поступают в систему управления 2 активным фильтром.
С(А)
Как видно из диаграммы фиг. 2 «c», в сетевом токе Iобразуются выбросы (отмечено пунктиром), представляющие собой высшие гармонические составляющие формируемого в сети тока. Суммарный коэффициент гармонических составляющих тока при этом оценивается в 7,7%. Для снижения данных выбросов в сетевом токе, следовательно, и снижения суммарного коэффициента гармонических составляющих тока сети необходимо сдвинуть фронты тока активного фильтра от момента времени t2 к моменту времени t1 (см. фиг. 2 «c»). Это можно сделать в том случае, если информацию о мгновенных значениях тока нагрузки в течение полного предыдущего периода колебания переменного тока сохранять в оперативной памяти в оцифрованном виде и извлекать из памяти в момент времени t1 значение для тока нагрузки, ожидаемого в момент времени t2, как значение, имевшее место в моменте времени t2, но в предыдущем периоде колебания переменного тока. В связи с чем необходимо наличие оперативной памяти для хранения мгновенных значений тока нагрузки в оцифрованном виде.
Необходимый размер блока оперативной памяти для хранения мгновенных значений тока рассчитывается по следующей формуле:
ram
где S - необходимый размер памяти в байтах;
50
T – длительность полного периода переменного тока промышленной частоты 50 Гц, равного 20 мс;
s
t – длительность интервала между смежными измерениями мгновенных значений токов, мс;
dqo
S - размер переменной для хранения мгновенных значений токов, байт.
АФ(А,В,С)
s
Для более точного формирования траектории токов активного фильтра I следует выбирать как можно меньшую длительность t, при этом потребуется больший размер блока оперативной памяти 10.
Н(А)
АФ(А)
С(А)
При использовании установленной оперативной памяти система управления активным фильтром извлекает из оперативной памяти сохраненные в предыдущем периоде мгновенное значение тока нагрузки, ожидаемое в момент времени t2, и управляет ключами инвертора 8 на основе ожидаемых мгновенных значений токов нагрузки I. Тем самым фронты формируемого фильтром тока I сдвигаются от момента времени t2 к моменту времени t1. Как показано на фиг.3, в этом случае выбросы в форме сетевого тока I (отмечено пунктиром) становятся значительно меньше, что соответствует снижению суммарного коэффициента гармонических составляющих формируемого тока в сети до величины 3,3%.