Спосіб керування активним коректором коефіцієнта потужності

Реферат: Спосіб керування активним коректором коефіцієнта потужності належить до електротехніки і може бути використаний для підвищення якості напруги розподільчих мереж. Спосіб полягає в тому, що вхідний струм коректора встановлюють пропорційно різниці миттєвої напруги мережі і опорної синусоїдальної електрорушійної сили (ЕРС), яку формують за допомогою петлі фазової автопідстройки частоти (ФАПЧ) і синхронізують з першою гармонікою частоти мережі живлення, причому амплітуду цієї ЕРС встановлюють якнайбільшою, але такою, щоб миттєва вхідна активна потужність була завжди позитивною, а коефіцієнт пропорційності для вхідного струму встановлюють в залежності від вихідної потужності коректора ланкою стабілізації вихідної напруги (або струму). Запропонований спосіб дозволяє підвищити якість (покращити спектральний склад) напруги мережі живлення за рахунок використання енергії вищих гармонік і зниження їх амплітуд. UA 100449 C2 (12) UA 100449 C2 UA 100449 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для підвищення якості напруги розподільчих мереж. Сучасним рішенням проблеми зниження рівня вищих гармонік в мережі, компенсації реактивної потужності і симетрування струмів навантаження є застосування активних фільтрів (АФ) і статичних компенсаторів (STATCOM). Але широке застосування цих пристроїв стримується їх високою вартістю. Введення сучасних стандартів якості електроенергії [ГОСТ Р 51317.3.2-2006, ГОСТ Р 51317.3.4-2006, ГОСТ Р 51317.3.12-2006] визначає інтенсивний розвиток схемотехніки випрямлячів з активною корекцією коефіцієнта потужності (ККП). Переважна більшість таких систем ведуть себе відносно до джерела живлення як лінійний активний опір. Відомий спосіб управління ККП (наприклад, на основі керуючої мікросхеми Mitsubishi M81012FP) [DIP-PFC Application Note // Mitsubishi Electric Corporation: Power Semiconductor Device Division. - Doc. No. DPH-2365-e.], при якому він відносно до мережі поводиться як джерело синусоїдального струму першої гармоніки. Недоліком методу є погіршення коефіцієнта потужності такого ККП при наявності вищих гармонік в напрузі живлення. Відомий спосіб управління активним коректором коефіцієнта потужності, при якому його вхідний струм встановлюється пропорційним миттєвій вхідній напрузі мережі, тобто здійснюється емуляція лінійного активного опору [Honwth М., Вогка J. Welding equipment with power factor correction. Proc. of PEMC96 Conf. Budapest, Hungary. 1996. Vol. 2/3. PP. 181-186.]. Спосіб прийнято за прототип. Недолік способу - ККП не впливає на спектральний склад живлячої напруги і не може бути використаний для компенсації негативного впливу нелінійних навантажень в мережі. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб керування активним коректором коефіцієнта потужності, що дозволить інтегрувати в нього функціональність паралельного активного фільтра і підвищити якість напруги мережі живлення. Для рішення поставленої задачі в способі керування активним коректором коефіцієнта потужності, що включає активне керування його вхідним струмом в залежності від миттєвої напруги мережі, відповідно до винаходу, вхідний струм коректора встановлюють пропорційно різниці миттєвої напруги мережі і опорної синусоїдальної електрорушійної сили (ЕРС), яку формують за допомогою петлі фазової автопідстройки частоти (ФАПЧ) і синхронізують з першою гармонікою частоти мережі живлення, причому амплітуду цієї ЕРС встановлюють якнайбільшою, але такою, щоб миттєва вхідна активна потужність була завжди позитивною, а коефіцієнт пропорційності для вхідного струму встановлюють в залежності від вихідної потужності коректора ланкою стабілізації вихідної напруги (або струму). Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана схема заміщення ККП, на фіг. 2 - структурна схема системи керування, на фіг. 3 - структурна схема системи керування з покращеними характеристиками точності встановлення вхідного струму і швидкодії регулятора вихідної напруги, на фіг. 4 - діаграма роботи ККП при несинусоїдальній вхідній напрузі, на фіг. 5 - вхідна напруга і струм споживання ККП з відфільтрованою першою гармонікою. Розглянемо реалізацію вищевикладеного способу керування активним коректором коефіцієнта потужності при використанні в його якості широко розповсюдженого ККП на основі підвищуючого перетворювача (Boost-type PFC). Завдання полягає в абсорбції вищих гармонік струму за наявності обмежень топології силової частини перетворювача ККП (неможливість роботи з негативною миттєвою активною потужністю і відстутність датчиків струму нелінійних навантажень в мережі). Формування вхідного струму ККП iL(t) проводиться у відповідності зі схемою заміщення, наведеної на фіг. 1. ККП відносно до мережі веде себе як активний опір RL (аналогічно прототипу), але має власну ЕРС eL(t), що містить в своєму спектрі тільки першу гармоніку частоти живлячої мережі. Джерело ЕРС eL(t) синхронізоване за допомогою петлі ФАПЧ з живлячою мережею: eL(t) = ERsint, -1 де  - кутова частота мережі, с ; ER - задання на амплітуду, В. При цьому вхідний струм ККП дорівнює iL ( t )  uL ( t )  e L ( t ) , RL де RL - імітований вхідний опір ККП, Ом. 1 UA 100449 C2 5 Величина задання амплітуди ER вибирається таким чином, щоб миттєва активна потужність . ККП була завжди позитивною: iL(t) uL(t)>0 (умова коректної роботи інвертора ККП, див. вище), що дозволяє використовувати розроблений спосіб управління для практично всіх існуючих топологій силової частини активних ККП з прямим управлінням вхідним струмом. Величина RL визначається з умови балансу потужності (необхідна умова стабілізації вихідної напруги): u ( t )  eL ( t )  2 /   uL ( t ) L dt  P, 0 2 RL 10 15 20 25 30 35 де Р - споживана від мережі потужність, Вт. Ланцюги формування сигналів ER і RL не повинні допускати швидких змін цих параметрів. У порівнянні з прототипом ККП при тій же потужності величина RL виходить меншою, а знижений вхідний опір ККП буде створювати підвищену шунтуючу дію для струмів вищих гармонік, за аналогією з паралельним активним фільтром. Структурна схема системи керування, що реалізує розроблений метод, наведена на фіг. 2. Опорний сигнал першої гармоніки напруги мережі виділяється за допомогою петлі ФАПЧ (PLL, фіг. 2) і разом з заданням на амплітуду (ER) подається на перемножувач, вихід якого підключений до суматора, який формує різницевий сигнал. Цей сигнал подається на другий перемножувач, що працює разом з ПІ-регулятором вихідної напруги ККП (РН, фіг. 2), і формує сигнал задання вхідного струму ККП. Сигнал ER формується ланцюгом місцевого негативного зворотного зв'язку, що містить ланку з коефіцієнтом передачі, що перемикається в залежності від полярності вхідного сигналу, і інтегратор. Постійна часу ланцюга зворотного зв'язку по ER повинна значно перевищувати період мережевої напруги (тобто ER не повинно значно змінюватися протягом періоду). Вузол обмеження струму (ОТ, рис. 4) з граничною ланкою зменшує задання на амплітуду ER у разі недопустимого підвищення вхідного струму. Оскільки цей обмежувач струму має затримку через інтегратор ER, швидкодіюче апаратне обмеження струму повинно бути також виконано безпосередньо у схемі управління силовим ключем (або ключами). Для підвищення швидкодії регуляторів вихідної напруги Uout та задання на амплітуду ER можлива установка в ланцюгах зворотних зв'язків пристроїв вибірки-зберігання (ПВЗ). Ефект від застосування ПВЗ в ланцюзі зворотного зв'язку по вихідній напрузі ККМ (Uout) описаний в (Активный корректор коэффициента мощности с повышенным быстродействием регулятора напряжения / В.В. Бурлака, СВ. Гулаков // Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій "РТ-2010": Матеріали 6-ої міжнар. молодіжної наук.-техн. конф. 19-24 квітня 2010 р. Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2010. – С. 54.). Структурна схема модифікованої системи управління наведена на фіг. 3. АЧХ ПВЗ визначається як: 1  e  jT A()  , j де Т - період дискретизації ПВЗ, с. АЧХ має нулі на частотах,   40 45 50 2k де k - ціле число. Таким чином, у сигналі задання E R , T пригнічені всі гармоніки частоти мережі, в результаті чого він містить тільки постійну складову, яка повільно змінюється, що і необхідно для коректної роботи ККП. Аналогічно в сигналі зворотного зв'язку по Uout пригнічені всі парні гармоніки частоти мережі, що усуває вплив пульсацій вихідної напруги на спектральний склад вхідного струму ККМ (там же). Результатом застосування для ККП розробленого способу управління є те, що коефіцієнт потужності системи "нелінійне навантаження + розроблений ККП" буде вище, ніж у системи "нелінійне навантаження + прототип ККП", незважаючи на те, що коефіцієнт потужності розробленого ККП буде помітно нижче одиниці. Ефект пояснюється тим, що у випадку застосування розробленого ККП частина вищих гармонік струму нелінійного навантаження замикається через ККП, а не через мережу живлення. У випадку "чистої" мережі (при незначному рівні вищих гармонік напруги) робота розробленого ККП повністю аналогічна прототипу, тобто в спектрі вхідного струму буде присутня тільки перша гармоніка. Приклад реалізації способу. Для оцінки ефективності застосування запропонованого способу керування активним коректором коефіцієнта потужності було виготовлено експериментальний ККП і здійснено 2 UA 100449 C2 5 10 15 аналіз його вхідного струму в умовах мережі з великою кількістю нелінійних навантажень. На фіг. 4 приведено осцилограму вторинної напруги підстанції МТП-514 м. Маріуполя 27.01.2011 19:19. Середньоквадратична напруга URMS=187 В; THDU=9 % (при цьому коефіцієнт 3-ї гармоніки складає 8,2 %); потужність ККП Р = 2 кВт при коефіцієнті потужності PFK=0,818). Слід зазначити, що параметри якості напруги не відповідають чинному в Україні ГОСТ 13109-97 відразу за кількома показниками (відхилення напруги, коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги і коефіцієнт третьої гармонійної складової напруги). Для більшої наочності на фіг. 5 показані напруга мережі і вхідний струм ККП з відфільтрованою основною гармонікою. Як видно з фіг. 5, у напрузі мережі (uL) яскраво виражені вищі гармоніки, викликані великою кількістю нескоригованих навантажень з випрямлячами. ККП реагує на таку напругу появою вищих гармонік вхідного струму (iL), причому фази цих струмів протилежні фазам струмів, що викликали спотворення форми кривої напруги. Коефіцієнт гармонік вхідного струму ККП становить THD1=82,5 %. Це викликано "прагненням" ККП збільшити частку потужності, що переноситься вищими гармоніками. Ця частка потужності може бути визначена як Pk*  1  U1m (U1m  ER ) , 2R L  P де U1m - амплітуда першої гармоніки напруги мережі, В. Так, для наведеного випадку 7,9 % потужності навантаження забезпечуються вищими гармоніками напруги. У той час як при чисто активному навантаженні (прототип ККП) ця частка 20 буде визначатися як 1  1 , що для розглянутого випадку складає всього 0,8 %. 2 1  THD U Ефект підвищення частки потужності вищих гармонік пов'язаний зі зменшенням вхідного опору ККМ RL. У даному випадку розроблений ККМ працює з параметрами ER-235 В, RL=2,03 Ом. У той же час прототип ККП мав би в аналогічних умовах RL  25 2 URMS що становить , P 17,48 Ом. Застосування запропонованого способу управління активним коректором коефіцієнта потужності дозволяє підвищити якість (покращити спектральний склад) напруги мережі живлення за рахунок використання енергії вищих гармонік і зниження їх амплітуд. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 Спосіб керування активним коректором коефіцієнта потужності, що включає активне керування його вхідним струмом в залежності від миттєвої напруги мережі, який відрізняється тим, що вхідний струм коректора встановлюють пропорційно різниці миттєвої напруги мережі і опорної синусоїдальної електрорушійної сили (ЕРС), яку формують за допомогою петлі фазової автопідстройки частоти і синхронізують з першою гармонікою частоти мережі живлення, причому амплітуду цієї ЕРС встановлюють якнайбільшою, але такою, щоб миттєва вхідна активна потужність була завжди позитивною, а коефіцієнт пропорційності для вхідного струму встановлюють в залежності від вихідної потужності коректора ланкою стабілізації вихідної напруги або струму. 3 UA 100449 C2 4 UA 100449 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5