Силовий гібридний фільтр

Винахід відноситься до галузі силової (енергетичної) електроніки, може бути використаний при виробництві силових фільтрокомпенсуючих пристроїв гібридної структури зі зменшеною потужністю активної частини і вирішує задачі забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) в системах з напівпровідниковими перетворювачами при одночасному зменшенні масогабаритних показників та вартості. Відомо про схему силового активного фільтра [ЕР №1998014944], який містить керований мікропроцесором напівпровідниковий модуль, що приєднаний паралельно до мережі живлення через узгоджуючий фільтр. Така схема знижує реактивну складову основної гармоніки та вищі гармоніки в складі напруги мережі живлення в діапазоні частот 0…2,5кГц, але не забезпечує їх ефективної компенсації на частотах 2,5кГц…30МГц з-за недостатньої швидкодії мікропроцесора. Крім того, значна встановлена потужність напівпровідникового модуля позначається на великій масі та габаритах фільтра в цілому і обумовлює його велику вартість. Наведена в [ЕР №04327319] схема послідовного активного фільтра складається з керованого транзисторного блоку, ввімкненого між джерелом живлення і нелінійним навантаженням та низькочастотного узгоджуючого фільтра з підсилювачем, приєднаних до кола управління транзисторами. Хоча згадана схема забезпечує низький рівень гармонік напруги та стр уму в електричній мережі, її вагомим недоліком є сумірність потужностей вентильного блоку і нелінійного навантаження. Крім того, при виході з ладу вентилів послідовного фільтра порушується живлення (електропостачання) в колі нелінійного навантаження. У якості прототипу для винаходу обрано схему гібридного фільтра, запропонованого в [ЕР №05737198]. Вона містить послідовне з'єднання силового індуктивно-ємнісного (LC) фільтра та активного фільтра, що підключене до джерела живлення паралельно навантаженню. Пасивний фільтр на відміну від активного розрахований на повну лінійну напругу джерела. Активний фільтр являє собою перетворювач постійного/змінного струму (автономний інвертор напруги) з мікроконтролерним управлінням і ємністю на стороні постійного струму. Принцип його дії заснований на компенсації гармонік струму нелінійного навантаження відповідно алгоритму, закладеному у мікроконтролер і базується на вимірюванні напруги на шинах мережі живлення. Прототип позбавлений недоліків, притаманних аналогам [ЕР №1998014944] і [ЕР №04327319] крім значної встановленої потужності інвертора напруги у складі активної частини фільтра. Важливою перевагою цієї схеми е те, що можливі відхилення від точної настройки пасивного фільтра суттєво не погіршують якості фільтрації. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення силового гібридного фільтра, у якого завдяки зміні схеми підключення активного фільтра забезпечується зменшення струму активної частини, за рахунок чого досягається зниження її встановленої потужності та вартості фільтра в цілому. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що у силового гібридного фільтра, який містить сполучення активного фільтра на базі автономного інвертора напруги з ємністю на стороні постійного струму та пасивного резонансного індуктивно-ємнісного фільтра у вигляді послідовного з'єднання дроселя і конденсатора, ввімкнене до мережі живлення паралельно нелінійному навантаженню, згідно з винаходом, активний фільтр підключений паралельно дроселям пасивного резонансного фільтра через узгоджуючий реактор і знижувальний трансформатор. Оскільки при паралельному ввімкненні активного фільтра основна гармоніка напруги джерела живлення падає на ємності пасивного фільтра Сф , то вимоги щодо напруги вентилів активного фільтру зберігаються аналогічними схемі [ЕР № 05737198]. Тобто усталена потужність активного фільтра у винайденій схемі знижується порівняно з прототипом за рахунок зменшення струму вентилів. Схема заміщення гібридного фільтра описується системою рівнянь для n-ї гармоніки E Д Жn = ZД Жn I Д Жn + ZФСn I ФСn + ZLУn IІН Вn + UІН Вn ü ï ï U ІН Вn = -ZLУn IІН Вn + ZФLn I ФLn ï ý I Д Жn = IН Нn + I ФСn ï ï I ФLn = I ФСn - IІН Вn ï þ де EДЖn і UІНВn (1) - гармоніки ЕРС джерела і напруги на виході інвертора; I ДЖn , IННn , IФСn , IФL n , IІНВn - відповідно гармоніки струмів джерела, навантаження, ємності та індуктивності Z Z Z Z пасивного фільтру і інвертора; ДЖn , LУn , ФL n , ФС n - комплексні опори джерела, узгоджуючого реактора, індуктивності та ємності пасивного фільтра для v-ї гармоніки. Гармоніки струму джерела живлення з урахуванням закону зміни вихідної напруги інвертора I ДЖn = 1 K n + Z ДЖn + Z ФСn UІНВn = K n I ДЖn ( ZФС n + IННn - ZLУnIІНВn + E ДЖn ) , де K n = j nwK (K - дійсний коефіцієнт) і (1) дорівнюють (2) Kn Вираз (2) вказує на те, що при достатньо великому коефіцієнті вищі гармоніки струму джерела, обумовлені нелінійним навантаженням і несинусоїдальністю ЕРС власне джерела, значно знижуються за рахунок використання винайденої схеми гібридного фільтра. Для граничного випадку при ідеальній фільтрації (K®¥) справедлива система ü ï ï UІНВn = EДЖn + Z ФСn IНn- ZLУnI ІНВn ï ï IІНВn = I ФСnL Ф /(L У + L Ф ) = - IННnL Ф /(L У + L Ф ) ý ï ( EДЖ1 - Z ДЖ1 + IНН1 )(ZLУ1 + Z ФL1 ) ï IІНВ1 = ï ( Z ДЖ1 + Z ФС1) + ( ZLУ1 + Z ФL1 ) + ZLУ1ZФL1 ï þ I ДЖn = 0 (3) I I I де ІНВ1 , ФУ 1 и НН1 - основні гармоніки струмів інвертора, ємності пасивного фільтра і навантаження. Для схеми прототипу n-та і основна гармоніка струму мають вигляд ü ï ï EДЖ1 - Z ДЖ1I НН1 ý IІНВ1 = IФС1 = ï Z ДЖ1 + ZLУ1 + ZФL1 + ZФС1 ï þ IІНВn = I ФСn = - I ННn де ZДЖ1 ZLУ1 ¥ 2 , ZФL1 æ2 , ZФС 1 - комплексні опори джерела, узгоджуючого реактора, індуктивності та ємності E пасивного фільтра для основної гармоніки; ДЖ1 - основна гармоніка ЕРС джерела. Усталена потужність активного фільтра S АФ = 3 , (4) ¥ 2 ö å UІНВn çIІНВ1 + å IІНВn ÷ ç ÷ (5) è ø Порівняння (5) у випадках прототипу і винаходу з ура хуванням (4), (3) підтверджує, що усталена потужність запропонованої схеми силового гібридного фільтра є меншою порівняно з відомою схемою [ЕР №05737198] n= 5 n =5 I I завдяки зниженню діючих значень як основної гармоніки струму інвертора ІНВ1 , так і його вищих гармонік ІНВn . Розроблена схема дозволяє не тільки зменшити енергоспоживання пристроєм, приблизно у 25 раз, але й спростити умови охолодження силових вентилів активної частини - автономного інвертора та суттєво знизити його габарити. Винахід може бути корисний при подальшому удосконаленні пристроїв підвищення якості електроенергії в мережах живлення, так і в практичних - для виробників та споживачів надсучасних фільтрокомпенсуючих пристроїв. Винахід ілюструється схемами. На Фіг.1 показано схему заміщення силового гібридного фільтра для n-ї гармоніки, якій відповідають вирази (1)-(5). На Фіг.2 наведено структур у винайденого фільтра. Схема заміщення гібридного фільтра (Фіг.1) враховує, що параметри кола вторинної обмотки трансформатора, який забезпечує гальванічну розв'язку між активним та пасивним фільтром, приведені до E первинної обмотки. В схемі прийняті наступні позначення: 1 - гармоніки ЕРС ДЖn джерела живлення; 2 UІНВn гармоніки напруги автономного інвертора в складі активного фільтра; 3 - гармоніки струму нелінійного навантаження ZФL = j nwL Ф5 IННn , 4, 5, 6, 7 - відповідно комплексні опори узгоджуючого реактора ZLУn = j nwL У , індуктивного ZДЖ = jnwL ДЖ Z = - j /(nwС Ф5 ) і ємнісного ФС n елементів пасивного фільтра та джерела живлення для n -ї гармоніки, w - частота основної гармоніки. Силовий гібридний фільтр 8 на Фіг.2 містить активний фільтр 9 у вигляді трифазного автономного інвертора 10 з ємнісним навантаженням 11 і вхідним узгоджувальним реактором 12, ввімкненим через трансформатор 13 між ємністю 14 та індуктивністю 15 резонансного пасивного фільтра. У свою чергу резонансний фільтр приєднаний паралельно до мережі живлення, де 16 і 17 -ЕРС і індуктивність джерела, а 18 - нелінійне навантаження. При виготовлені силового гібридного фільтра за винайденою схемою можуть використовуватись, залежно від необхідного струму та напруги, транзисторні IGBT чи MOSFET модулі марок SKM 111... 153, SKM 152GA...SKM 100GAL (Semikron International), трансформатори марок T-2A-53308-1S...T-2-53322 (ТЕМ Company), дроселі і конденсатори марок SKU HRL005H...SKU HRL130L (Automation Direct) і CC-500-XX...CCPF-64-00 (Lumina Power, inc.). Також можливе використання вітчизняних аналогів. Пристрій працює таким чином. Пасивний резонансний індуктивно-емнісний фільтр 14, 15 забезпечує шунтування гармоніки струму, на частоту якої він налагоджений (як правило це вища гармоніка найнижчого порядку, що генерується нелінійним навантаженням 18). Отже відповідна гармоніка в складі напруги джерела 16 повністю усувається. Одночасно дещо знижуються амплітуди вищи х гармонік інших порядків в напрузі джерела 16 завдяки тому, що ві тка резонансного фільтра 14, 15 з індуктивним характером опору підключається паралельно джерелу і таким чином еквівалентний опір мережі на цих гармоніках зменшується. Інвертор активного фільтра 10, згідно із законом управління, генерує в мережу живлення гармоніки струму із заданою амплітудою та фазою, що забезпечує компенсацію реактивної складової основної гармоніки та вищих гармонік нелінійного навантаження 18. Узгоджуючий фільтр 12 захищає елементи інвертора 10 від гармонік споживаних із мережі і навпаки, унеможливлює проникнення до мережі гармонік генерованих вентилями активного фільтра 9. Зі схеми на Фіг.2 очевидно, що основна гармоніка струму протікає крізь ємність 14 та розподіляється між двома з'єднаними паралельно індуктивностями 12 і 13. Таким чином, значення основної гармоніки струму на виході автономного інвертора 9 та повний робочий струм його вентилів можуть бути значно знижені шляхом вибору відповідної величини 12. Робота силового гібридного фільтра, виконаного за винайденою схемою, дозволяє значно підвищити коефіцієнт потужності та суттєво знизити рівні окремих гармонік напруги в мережі живлення і забезпечити відповідність інтегрального показника якості електроенергії - коефіцієнта викривлення синусоїдальності напруги нормам, встановленим світовими стандартами, наприклад ГОСТ 1310997, IEEE 519, EN 50160, AS 2279, G5/3.