4.4. Застосування багатофункціональних пристроїв на основі активних фільтрів

В останні роки найбільший розвиток одержали роботи з ак­тивними фільтрами, які складаються з перетворювача змінного/ постійного струму з індуктивним чи ємнісним акумулятором енергії на стороні постійного струму. Такий фільтр може підключатися паралельно чи послідовно нелінійному спожива­чу. На рис. 7.25 зображені основні типи активних фільтрів: а — пара­лельне джерело струму; б — паралельне джерело напруги; в — по­слідовне джерело напруги; г — послідовне джерело струму.

ІІ ⁺ІПС її +/ян

а
Цч+ї/«
ГУ“У"\_	.... іГГ\

Цч+г/*. г*

■С/сІ + І/с

Рис. 7.25

Для виключення чи мінімізації реактивної потужності всіх гар­монік струму, включаючи основну, перетворювач працює в режимі ніби генератора антигармонік, що виключає чи обмежує їх над­ходження в мережу електропостачання. Таким чином, відбувається захист мережі від негативного впливу потужності вищих гармонік, а також поліпшення коефіцієнта потужності основної гармоніки. Остання функція відповідає традиційним компенсаторам чи ре-

гуляторам реактивної потужності основної гармоніки. Крім того, при необхідності може здійснюватися і регулювання потоку не тільки реактивної, але й активної потужності. Як приклад можна привести розробку університету Вісконсін-Медисон (США), де створений перетворювач на СТО-тиристорах з надпровідним індуктивним нагромаджувачем. Він працює з імпульсною моду­ляцією параметра струму, що дозволяє регулювати потоки актив­ної і реактивної потужності в місцевій мережі залежно від її заван­таження споживачами, одночасно обмежуючи рівень вищих гар­монік струму.

Основним недоліком активних фільтрів є відносно велика вста­новлена потужність перетворювачів, що входять до їх складу. Прак­тично вона повинна бути розрахована на потужність близьку чи трохи перевищуючу потужність нелінійного споживача. У цьому відношенні більш перспективні гібридні фільтри. Останні є ком­промісним технічним рішенням, що поєднує переваги традицій­них пасивних фільтрів з реактивних елементів і активних фільтрів порівняно малої потужності. Відомо, що реальний частотний спектр вищих гармонік струму чи напруги в мережі має стохастич- ний характер, що змінюється. Крім того, на параметри фільтрів впливають технологічні допуски і процеси старіння їх елементів. У результаті практично виключається їх настроювання на строго фіксовані частоти. З іншого боку, точність настроювання і висока добротність фільтрів, як правило, впливають на перехідні проце­си, викликаючи, наприклад, перенапруги в мережі. Крім того, зміна параметрів ліній мережі і частотного спектра можуть при­звести до виникнення явища «антирезонансу» на частотах близь­ких до резонансної.

Рис. 7.26 пояснює явище антирезонансу: а - принципова схе­ма; б — частотна залежність вхідного повного опору.

Використання активного фільтра як регульованого імпедансу дозволяє виключити антирезонансні явища і поліпшити якість пе­рехідних процесів при комутації навантаження. При цьому вста­новлена потужність перетворювача активного фільтра може бути знижена до 10 % і менше від потужності джерела гармонік стру­му. Наприклад, при коефіцієнті спотворень струму навантажен­ня 35,9 % застосування двох пасивних ІС- кіл і широкосмугово­го КЬС- фільтра знижує цей коефіцієнт до 28 %, а при додаванні двох малопотужних коригувальних перетворювачів спотворення струму складає 3,9 %.

Рис. 7.26

Для керування параметрами фільтра до його пасивних еле­ментів підключаються активні (рис. 7.27).

І\ +ЛіС /і+/_лн

Рис. 7.27

Виключити генерування вищих гармонік струму і поліпшити коефіцієнт потужності споживача по основній гармоніці можна і на етапі його розробки різними схемотехнічними засобами, на­приклад, за рахунок підвищення числа фаз перетворювачів тощо. Деякими фірмами розроблені коректори потужності, що вбудову­ються безпосередньо в нелінійні споживачі. Наприклад, для вто­ринних джерел живлення запропонований модуль коректора по­тужності. Такий коректор підключається безпосередньо на стороні постійного струму первинного випрямляча і забезпечує споживан­ня струму близького за формою до синусоїдального, а також ко­ефіцієнт потужності созф = 1 у всіх режимах роботи. З урахуван­ням масового використання вторинних джерел ефект від викори­

стання коректорів потужності може бути значним. Для трифазних схем випрямлення також розроблені схеми коректорів потужності.

В наш час з’явилася тенденція розширення функцій пристроїв «акумуляторна батарея — перетворювач» АБП із метою регулюван­ня якості електроенергії мережі. При цьому структура пристрою типу «оп-ііпе» вирішує не лише зазначені задачі, але і дозволяє ста­білізувати параметри напруги, яка живить споживачі, однак такий пристрій рідко використовується, оскільки має відносно високу вартість. Структура пристрою складається, як мінімум, із двох пе­ретворювальних ланок, кожна з яких розрахована на повну по­тужність споживача.

У деяких нових структурах таких пристроїв перетворювач за наявності мережі працює в режимі активного фільтра, пригнічую­чи виші гармоніки нелінійного споживача і компенсуючи по­тужність основної гармоніки. Структурна схема такого АБП зоб­ражена на рис. 7.28.

Рис. 7.28

Оскільки вищі гармоніки струму створюють обмін реактивною потужністю між сторонами постійного і змінного струму інверто­ра, для виключення негативного впливу цих гармонік на акумуля­торну батарею на стороні постійного струму підключений конден­сатор, відділений від батареї високочастотним фільтром.

Для того щоб виключити при низькій якості напруги мережі часте підключення інвертора до батареї, використовують струк­тури з додатковим стабілізатором напруги мережі, що забезпечує

необхідний рівень напруги на навантаженні при відносно невели­ких коливаннях напруги: +10 ё -15%. Як стабілізатори можуть ви­користовуватися різні пристрої. Наприклад, схема з вольтодода- вальним трансформатором і перемиканням обмоток. Для більш точного регулювання послідовно з ним ввімкнено реактор малої індуктивності. Як стабілізатор напруги може використовуватися малопотужний інвертор з підключенням обмоток вихідного транс­форматора послідовно з навантаженням з метою регулювання на­пруги у вузькому діапазоні. При цьому основний перетворювач пристрою працює в режимі активного фільтра. Малопотужний інвертор використовується також для підзарядки акумуляторної батареї.

Структуру АБП із такими функціями прийнято називати інтер­активною стосовно мережі, тобто такою, що знаходиться у визна­ченій взаємодії з мережею. Слід зазначити, що такі відомі в елект­ротехніці організації як ІЕЕЕ (Ішііїиіе оГ Еіесігісаі апсі Еіесігопісв Еп§іпеег5) і NЕМА (№ііопа1 Еіесігісаі МапиГасІогіеа Аззосіаііоп) ввели стандарти на термінологію для цих систем. Зокрема, відпо­відно до визначення ІЕЕЕ, в АБП з інтерактивним зв’язком з ме­режею, що мають одноступінчату структуру перетворювача, на­пруга мережі змінного струму не перетворюється в постійний струм, а живлення навантаження здійснюється безпосередньо від цієї мережі через трансформатор чи реактор. При цьому регулю­вання напруги здійснюється за допомогою використання інвер­тора на ключових елементах у поєднанні з такими пасивними ком­понентами, як реактори, лінійні чи ферорезонансні трансформа­тори. Термін інтерактивний АБП означає, що в його роботі інвертор забезпечує підвищення і зниження напруги мережі чи її заміщення при провалі напруги мережі.

Як стабілізатор напруги з функціями активного фільтра може бути використана схема, зображена на рис. 7.29.

¹С £

т

У цій схемі активний фільтр АФ компенсує вищі гармоніки струму нелінійного навантаження 2_Н. Стабілізація ж напруги І_І_н здійснюється за рахунок регулювання реактивної потужності ос­новної гармоніки. Слід зазначити, що процес регулювання здійснюється за законом, сприятливим для режиму роботи ме­режі. При незначних відхиленнях напруги від заданого значення (5 %) вхідний коефіцієнт потужності по основній гармоніці за­лишиться близьким до созф = 1 за рахунок компенсації повної реактивної потужності навантаження. У випадку ж незначного зниження вхідної напруги чи її підвищення коефіцієнт потуж­ності зменшується з одночасною зміною характеру потужності. При зниженні напруги вона має ємнісний характер, а при підви­щенні — індуктивний. Слід зазначити, що наявність вхідного ре­актора Ь підвищує захищеність схеми від різких сплесків і про­валів напруги. Наявність же ємнісного акумулятора в активному фільтрі дозволяє забезпечити захист споживача протягом корот­кочасних відхилень від норми. Очевидно, що ефективність тако­го захисту визначається значенням ємності на стороні постійно­го струму чи інших видів акумуляторів енергії на постійному струмі.