8.2 Активні фільтро-компенсуючі пристрої

У якості фільтро-компенсуючого пристрою зазвичай використовується схема активного випрямляча напруги (АВН) з формуванням вхідного струму (при відсутності навантаження у колі постійного струму), оскільки він здатний відпрацювати практично любу форму струму. Підтримання середнього значення напруги U_d на конденсаторі постійним виключає споживання або передавання АВН активної потужності.

Спочатку розглянемо використання схеми у якості компенсатора (генератора) реактивної потужності. При цьому (рис.8.2) перша гармоніка струмуІ₁₍₁₎, що формується, випереджає напругу мережі U₁ на кут π/2, відповідно напруга на вході випрямляча U_В(1) співпадає за фазою з U₁ (кут θ=0) і активна потужність Р=0. Реактивна потужність фази має ємнісний характер і згідно (5.12) становить

. (8.1)

Згідно (8.1) можна зробити важливий висновок, проте що реактивна потужність, яка генерується активним фільтром не залежить від ємності конденсатору C у колі постійного струму.

Значення реактивної потужності, що генерується активним фільтром Q, визначається напругою U_В(1), відповідно, напругою U_d у колі постійного струму АВН та струмом у силових колах. Відповідно отримуємо регульоване згідно значенню U_В(1) джерело ємнісної реактивної потужності. Діаграми роботи активного випрямляча у режимі компенсації реактивної потужності подані на рис.8.3.

Використання інвертора напруги у якості фільтру засновано на наступному. При використанні системи керування з формуванням струму ніщо не заважає (при відповідному сигналі завдання) формувати несинусоїдальний струм, що складається з декількох гармонік з частотами кратними частоті мережі. З Відомо, що активна потужність при несинусоїдальному струмі визначається лише його першою гармонікою (вважаємо, що напруга у мережі залишається синусоїдальною). Таким чином передавання активної потужності у коло постійного струму відсутнє, відповідно напруга на конденсаторіU_d буде незмінною.

Розглянемо випадок, коли активний фільтр АФ підключено до мережі з нелінійним навантаженням НН, що споживає несинусоїдальний струм при відсутності зсуву за фазою 1-ї гармоніки. Струм мережі при цьомуі₁=і_Ф+і_Н. Очевидно, що якщо струм, який формується АФ , то струм у мережіі₁=і_Н(1), тобто фільтрація зводиться до того, що викривлення струму формуються АФ у протифазі до відповідних складових струму навантаження. Таким чином, струм, що формує АФ можна визначити як різницю між бажаним активним струмом, що споживається з мережі і струмом навантаження.

В загальному випадку АФ здійснює функції компенсації реактивної потужності та фільтрації гармонік струму одночасно.

Значення ємності конденсатору у колі постійного струму, зазвичай, обирається з умови згладжування пульсацій випрямленої напруги U_d. Для визначення характеру та амплітуди пульсацій скористаємося балансом миттєвої потужності між мережею р(t), активним фільтром р_Ф(t) та навантаженням р_Н(t): р(t)= р_Н(t)+р_Ф(t).

Вважаємо, що частота перемикань ключів АФ достатньо велика, індуктивність дроселів при цьому мала і енергією, що у них накопичується, можна зневажати. Ємність конденсатору у колі Сдостатня, щоб напругу на конденсаторі вважати постійноюu_d=U_d. НапругуU₁(фазну) та струмI₁, що споживається з мережі при роботі АФ вважаємо синусоїдальними. Нехтуємо також активними опорами мережі і витратами у схемі АФ.

Потужність, яка передається з мережі при коефіцієнті потужності одиниця .

Потужність навантаження є сумою миттєвих потужностей фаз навантаження . Для одної фази (фазаа)

, (8.2)

де І_Нm(1), І_Нm(k) – амплітуда першої та k - ї гармоніки струму навантаження, φ₍₁₎, ψ_k – зсув за фазою 1-ї гармоніки струму та початкова фаза k - ї гармоніки струму навантаження.

Перша складова (8.2) дорівнює U₁І_Н(1)cosφ - U₁І_Н(1)cos(2ωt-φ). Сума цих складових для трьох фаз при симетричному навантаженні дорівнює активній потужності Р=3U₁І_Н(1)cosφ.

Друга складова (8.2) визначається сумою добутків першої гармоніки напруги u₁ на відповідні гармоніки струму навантаження, що після відомих тригонометричних перетворень дають косинусоїди з амплітудою , фаза яких ((k-1)ωt+ψ_k) та ((k+1)ωt+ψ_k). При складанні їх для трьох фаз навантаження залишаються складові лише нульової послідовності з k=6, 12, 18. Найбільша з них при k=6 визначається 5-ю та 7-ю гармоніками струму навантаження. Отже отримуємо , відповідно

. (8.3)

Якщо нехтувати різницею початкових фаз гармонік значення амплітуди 6-ї гармоніки , відповідно

.

В такому разі миттєва потужність, що передається у коло постійного струму АФ p_Ф(t)=U_d·i_С (i_С- струм конденсатору) є різницею міжр(t) і р_Н(t)та дорівнюєр₆(t).

Таким чином, потужність у колі постійного струму АФ пульсує з шестикратною до частоти мережі частотою. Амплітуда коливань становить

.

Струм конденсатору відповідно має амплітуду

.

Відповідне значення напруги пульсації у колі постійного струму (на конденсаторі) відносно постійної складової U_d

, (8.4)

де U_Пm – амплітуда пульсації.

Значення ємності C обирається виходячи з необхідного коефіцієнта пульсацій К_П=U_Пm/U_d (звичайно 1- 5%)

. (8.5)

Таким чином, для визначення ємності С необхідно попереднє визначення гармонійного складу струму навантаження (див. п.2.2).

Використання АФ для фільтрації вищих гармонік передбачає певні особливості вибору параметрів схеми: індуктивності дроселю L та напруги U_d. Це стосується забезпечення високої швидкості змінювання струму, що формується АФ, яка повинна перевищувати швидкість змінювання струму навантаження.

До нелінійних навантажень з високою швидкістю змінювання струму, що споживається з мережі живлення, слід віднести керовані та некеровані випрямлячі у складі напівпровідникових перетворювачів електроприводу, зварювальних апаратів та ін.. У їх вхідних колах, зазвичай, використовуються трансформатори або реактори, індуктивний опір яких обмежує швидкість змінювання струму.

Швидкість змінювання струму АФ і_Ф визначається індуктивністю вхідного дроселю L та напругою U_d в колі постійного струму і зростає із зменшенням L та збільшенням U_d. При виборі значення U_d слід враховувати для ключів схеми обмеження за напругою у колі постійного струму (з урахуванням комутаційних перенапружень), так її стандартне значення для ключів класу 1700 В становить лише 900 В (для класу 1200 В – 600 В).

Скористаємося даними прикладу 2.10 стосовно тиристорного перетворювача (ТП) постійного струму. Вважаємо, що АФ підключено на вході трансформатору, отже індуктивність вхідної фази навантаження становить Гн. Максимальна швидкість змінюванняі_Н має місце на інтервалі комутації (γ=2º), тривалість якого с. Отже, якщо струм змінюється за лінійним законом, тоА/с.

У першому наближенні швидкість змінювання вихідного струму АФ приймаємо . Таким чином, за умови, значення індуктивності дроселя. При напрузіU_d=650 В максимальне значення L=0.000145Гн, що відповідає умові L<L_ФН.

Слід зазначити, що невиправдане завищення приводить до збільшення частоти перемикань ключів АФ.

Структурна (однолінійна) схема підключення активного фільтру до мережі подана на рис.8.4. Для зменшення впливу високочастотних складових струму АФ, у точці підключення його до мережі, зазвичай, встановлюється додатковий RC фільтр. Сигнали, що відповідають струмуі_Н, і_Ф, напрузі мережі и₁, а також напрузі АФ у колі постійного струму и_d за допомогою відповідних датчиків вводяться до системи керування АФ. Зовнішнім по відношенню до контуру регулювання струму є регулятор напруги РН (пропорційно - інтегральний) у колі постійного струму і перетворювач координат, що забезпечують формування сигналу і_1ЗАД (для кожної з трьох фаз АФ) який співпадає з фазною напругою і є пропорційним активній складовій струму навантаження I_a (може також задаватися реактивна складова I_Р). Порушення цієї умови призводить до циркуляції активної потужності між мережею і колом постійного струму АФ і, оскільки навантаження у нього відсутнє, к заряджанню або розряджанню конденсатору С (змінюванню напруги и_d). Робота ж регулятору напруги і полягає у підтриманні напруги на заданому рівні u_d=U_dЗАД.

Сигнали заданого струму мережі і_1ЗАД і фактичного значень струму і_Н надходять до підсумкового пристрою ПП, що визначає завдання на струм фаз (і_ФЗАД=і_1ЗАД – і_Н). Сигнали з виходу ПП разом з фактичними значеннями струму надходять на входи регулятору струму (РС) кожної з фаз, що побудований за релейним принципом (п.5.1.2) і здійснює керування ключами у плечах схеми.

Відзначимо, що розглянутий принцип побудови АФ зводиться до повної компенсації реактивної потужності і викривлень струму. Проте це не завжди можливо і доцільно, оскільки потужність фільтру обмежена і діючі стандарти (у тому числі і міжнародні) не потребують стовідсоткової компенсації. Тому є можливим здійснювати формування струму мережі з заданим гармонійним складом. При цьому і_1ЗАД формується як сума гармонійних складових заданої амплітуди, завдання на основну гармоніку містить активну складову і задане значення реактивної складової.

АФ може бути виконаним на базі дворівневого АІН, а також за схемами багаторівневих інверторів. Діаграми, що ілюструють принцип роботи АФ на базі дворівневого АІН подані на рис.8.5,а (НН – тиристорний перетворювач постійного струму - ТП) та рис.8.5,б (НН - некерований випрямляч з вихідним ємнісним фільтром). Параметри АФ обрані за умови мінімально можливої швидкості змінювання струму АФ при напрузі U_d=650 В (лінійна напруга мережі 380 В). На рис.8.5 показані струм і напруга мережі (і₁, и₁), струм навантаження і_Н, струм АФ і_Ф, напруга, що формується фазою АФ и_АФ, напруга и_d. Коефіцієнт гармонік струму і₁ з урахуванням порядку гармонік до 200 THD₂₀₀=2.75%.

Діаграми, що ілюструють означений принцип роботи АФ на базі трирівневого АІН подані на рис.8.6 (НН – тиристорний перетворювач постійного струму). Керування ключами АФ здійснюється аналогічно схемі трирівневого АВН (див. п.5.1.2.3). Параметри АФ обрані за умови мінімально можливої швидкості змінювання струму АФ при напрузі у ланці постійного струму U=325·2=650 В (лінійна напруга мережі 380 В). На рис.8.6 показані струм і напруга мережі (і₁, и₁), струм навантаження і_Н, струм АФ і_Ф, напруга, що формується фазою АФ и_АФ та напруга плеча АФ и_АФ(АN) відносно середнього виводу ланки постійного струму, и_d. Коефіцієнт гармонік струму і₁ THD₂₀₀=2.8%.

Слід відзначити, що поряд із зменшенням напруги ключів у схемі трирівневого АФ вдвічі, таке ж значення коефіцієнту гармонік струму досягається при зменшенні частоти перемикань ключів в декілька разів. Це дозволяє зменшити втрати енергії в силових колах АФ або зменшити індуктивність L вхідного дроселю.

Розглянутий принцип керування АФ забезпечує добрі динамічні показники (рис.8.7). При цьому показано вмикання АФ з попередньо зарядженими конденсаторами до мережі з нелінійним навантаженням (ТП) та відпрацьовування струму при змінюванні кута керування тиристорами ТП α стрибком з α=5º до α=45 º (навантаження ТП незмінне).

При α=5º коефіцієнт гармонік струму і₁ становить THD₂₀₀=1.13% (амплітуда 1-ї гармоніки струму при цьому 110 А), при α=45º коефіцієнт гармонік струму і₁ становить THD₂₀₀=2.76% (амплітуда 1-ї гармоніки струму при цьому 58 А). Коефіцієнт гармонік напруги и₁ не перевищує THD₄₀=0.8%.