Пристрій адаптивного регулювання трифазного силового активного фільтра з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису релейного регулятора струму

Реферат: Пристрій адаптивного регулювання трифазного силового активного фільтра з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису релейного регулятора струму містить трифазний транзисторний перетворювач, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через трифазний реактор і блок датчиків струмів силового активного фільтра, силовий вхід якого підключений до трифазної електричної мережі, причому трифазне нелінійне навантаження через блок датчиків струму навантаження з'єднане з трифазною електричною мережею, в ланці постійного струму до силового входу трифазного транзисторного перетворювача підключено два послідовно з'єднані конденсатори з еквівалентною ємністю, спільний вивід яких заземлений, блок датчиків фазної напруги мережі, блок датчика напруги на стороні постійного струму трифазного транзисторного перетворювача, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднується з другим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтра, вихід блока датчиків струму навантаження з'єднується з першим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтра, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом суматора, а другий вхід суматора з'єднаний з виходом блока датчиків струму силового активного фільтра, вихід суматора з'єднаний з першим входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднаний з другим входом адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису, вихід блока датчика напруги на стороні постійного струму трифазного транзисторного перетворювача з'єднаний з третім входом блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису, перший вихід блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису з'єднаний з другим входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, другий вихід блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису з'єднаний з третім входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, вихід блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора з'єднаний з керуючим входом трифазного транзисторного перетворювача. UA 103666 U (12) UA 103666 U UA 103666 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області електротехніки, а саме належить до фільтрокомпенсуючих пристроїв - силових активних фільтрів, і може використовуватися для компенсації реактивної потужності, регулювання коефіцієнта потужності і зниження вищих гармонік. Пропонований пристрій може бути застосований в мережах підприємств, де поширення отримало лінійне навантаження у вигляді асинхронних двигунів та нелінійне навантаження у вигляді різного типу напівпровідникових перетворювачів систем керування електротехнологічних установок та інше. Відоме технічне рішення [Патент RU 2453964 С2. Компенсатор реактивнойй мощности / А.Н. Третьяков, Р. Халым, Г.С. Кудрящев, П.Н. Билдагаров. Дата публикации 20.06.2012, МПК (51) H02J 3/18], компенсатор реактивної потужності, що містить трифазний дільник напруги, датчики напруги, однофазні трансформатори струму, датчики реактивного струму, елементи порівняння, інвертори, блоки формування сигналу управління, диференціальні підсилювачі, силові модулі, ємнісні фільтри, виходи датчиків реактивного струму і датчиків напруги з'єднані з елементами порівняння, елементи порівняння з'єднані з інверторами, виходи інверторів з'єднані з блоками формування сигналів управління, які підключені до входів диференціальних підсилювачів, виходи диференціальних підсилювачів підключені до входів силових модулів, до виходів яких підключена вхідні кола ємнісних фільтрів, виходи ємнісних фільтрів під'єднані до фаз мережі живлення. Технічне рішення має наступні недоліки: відсутність блоків, які забезпечують визначення вищих гармонік струму, що унеможливлює фільтрацію цих гармонік, які пов'язані з відповідними складовими реактивної потужності, відсутність блоків визначення струму за складовими потужності в тому числі неактивної пульсуючої, що знижує ефективність компенсації. Спільними ознаками є силовий модуль, датчики напруги, датчики струму у вигляді трансформаторів струму, блок формування сигналу управління. Відоме технічне рішення [Патент RU 2498475 С2. Способ управления устройством компенсации реактивной мощности в питающей сети / С.А. Харитонов, Д.В. Коробков, В.В. Машинский, С.Н. Завертай, Н.И. Бородин, А.И. Христолюбова, Д.Н. Бородин. Дата публикации 10.11.2013, МПК (51) H02J 3/18], спосіб управління пристроєм компенсації реактивної потужності в мережі живлення, що містить нелінійне навантаження і підключений паралельно до нелінійного навантаження статичний компенсатор на повністю керованих ключах, що полягає в тому, що вимірює параметри гармонійних складових струму нелінійного навантаження амплітуду і фазу, та формує в струмі статичного компенсатора гармонійні складові пропорційно і противофазно виміряним гармонійним складовим струму нелінійного навантаження, вимірює миттєві значення трифазного струму мережі, виділяють вибрані гармонійні складові цього струму, виробляють пофазне додавання даних гармонійних складових, формуючи струми корекції для кожної фази струму мережі, що містять виділені гармонійні складові і мають фазовий зсув 180 електричних градусів, і, видаючи в кожну фазу відповідні струми, домагаються компенсації гармонійних складових струму мережі. Технічне рішення має ряд недоліків: наявність у схемі статичного компенсатора фільтра вищих гармонік, збільшує вартість та малогабаритні показники, а також застосування фільтра вищих гармонік при різко змінному нелінійному навантаженні є не ефективним, завдяки зміні складу вищих гармонік, розрахунок заданого струму виключно по струму навантаження призводить до компенсації виключно струму, чого недостатньо в мережах з несинусоїдальною чи несиметричною напругою. Спільними ознаками є: нелінійне навантаження і підключений паралельно до нелінійного навантаження статичний компенсатор на повністю керованих ключах… Відоме технічне рішення [Патент RU 2446536 СІ. Устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети / Б.Н. Абрамович, Ю.А. Сычев. Дата публикации 27.03.2012, МПК (51) H02J 3/00], пристрій компенсації вищих гармонік і корекції коефіцієнта потужності мережі, що містить інвертор, накопичувальний конденсатор, вихідний згладжуючий пасивний фільтр і контролер системи управління, який забезпечений датчиком струму фільтра, датчиком струму мережі, датчиком напруги, формувачем імпульсів на основі релейних регуляторів із змінною шириною гістерезису, фазовими перетворювачами струму і напруги, блоком фазової синхронізації, регулятором напруги накопичувального конденсатора, причому вхід датчика струму мережі з'єднаний з затискачами мережі живлення, вхід датчика струму фільтра з'єднаний з затискачами лінії, що живить вихідний згладжуючий пасивний фільтр і інвертор, вхід датчика напруги з'єднаний з затискачами мережі живлення, вихід регулятора напруги накопичувального конденсатора з'єднаний з входами драйверів керування силовими ключами інвертора, вхід регулятора напруги накопичувального конденсатора з'єднаний з затискачами накопичувального конденсатора, вихід датчика струму мережі з'єднаний з входом 1 UA 103666 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 формувача імпульсів, вихід датчика струму фільтра з'єднаний з входом формувача імпульсів, вихід датчика струму мережі з'єднаний з входом регулятора напруги накопичувального конденсатора, вихід датчика напруги з'єднаний з входом фазового перетворювача напруги, вихід фазового перетворювача напруги з'єднаний з входом блока фазової синхронізації, вихід блока фазової синхронізації з'єднаний з входом фазового перетворювача струму, вихід регулятора напруги накопичувального конденсатора з'єднаний з входом фазового перетворювача струму, вихід фазового перетворювача струму і вихід регулятора напруги накопичувального конденсатора з'єднані з входом формувача імпульсів, вихід якого з'єднаний з входами драйверів керування силовими ключами інвертора. Технічне рішення має наступні недоліки: формувач імпульсів на основі релейних регуляторів зі змінною шириною гістерезису забезпечує змінну частоту модуляції, що призводить до розширення спектру струму компенсатора та ускладнює його фільтрацію, використання в схемі фазових перетворювачів струму та напруги ускладнює визначення вищих гармонік які підлягають компенсації. Спільними ознаками є: інвертор і вихідний згладжуючий пасивний фільтр для підключення до мережі, датчики струму мережі, поточного струму компенсатора, напруги мережі, формувач імпульсів. Технічне рішення є найбільш близьким за сукупністю ознак до пристрою, який заявляється, та приймається за прототип. Задача корисної моделі полягає в компенсації неактивних складових повної потужності в мережі, шляхом введення в систему управління силовим активним фільтром блока адаптивного регулювання верхньої та нижньої межі зони гістерезису, забезпечити фіксовану частоту комутації ключів перетворювача силового активного фільтра. Технічний результат пропонованої корисної моделі досягається тим, що в пристрої адаптивного регулювання релейним регулятором струму з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису, що містить трифазний транзисторний перетворювач, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через трифазний реактор і блок датчиків струмів силового активного фільтра, два послідовно з'єднаних конденсатори, спільний вивід яких заземлений, підключені до силового виходу транзисторного перетворювача, блок датчиків фазної напруги мережі, силовий вхід якого підключений до трифазної електричної мережі, трифазне нелінійне навантаження через блок датчиків струму навантаження з'єднане з трифазною електричною мережею, блок датчика напруги на стороні постійного струму транзисторного перетворювача, згідно з корисною моделлю вихід блока датчиків напруги мережі з'єднаний з другим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтра, вихід блока датчиків струму навантаження з'єднаний з першим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтра, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом суматора, а другий вхід суматора з'єднаний з виходом блока датчиків струму силового активного фільтра, вихід суматора з'єднаний з першим входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднаний з другим входом адаптивного регулятора, вихід блока датчика напруги на стороні постійної напруги транзисторного перетворювача з'єднаний з третім входом блока адаптивного регулятора з визначення верхньої і нижньої межі зони гістерезису, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису, перший і другий вихід блока адаптивного регулятора з визначення верхньої і нижньої межі зони гістерезису з'єднаний з другим і третім входом відповідно блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, вихід блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора з'єднаний з керуючим входом трифазного транзисторного перетворювача. Пропоноване технічне рішення пояснюється кресленням: - структура пристрою адаптивного регулювання трифазного силового активного фільтра з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису релейного регулятора струму на якому: 1 - трифазна електрична мережа; 2 трифазне нелінійне навантаження; 3 - трифазний транзисторний перетворювач; 4 - трифазний реактор; 5 - два послідовно з'єднаних конденсатори; 6 - блок датчиків фазної напруги мережі; 7 блок датчиків струму навантаження; 8 - блок датчиків струму транзисторного перетворювача; 9 блок датчика напруги на стороні постійного струму транзисторного перетворювача; 10 - блок визначення заданого струму силового активного фільтра; 11 - суматор; 12- адаптивний регулятор з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису; 13 - блок формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора. 2 UA 103666 U Трифазна електрична мережа 1 показана на кресл. у вигляді еквівалентної схеми заміщення, що містить у своєму складі джерела e a , e b , e c змінного струму, активні опори R a ,R b ,R c і індуктивності L a ,L b ,L c . Трифазна електрична мережа 1 послідовно з'єднана з 5 10 трифазним нелінійним навантаженням 2. Трифазне нелінійне навантаження 2 показано у вигляді еквівалентної схеми заміщення, що містить у своєму складі індуктивності L la ,L lb ,L lc та активні опори R la ,R lb ,R lc , які мають нелінійні характеристики. Трифазний транзисторний перетворювач 3 підключається паралельно до трифазної електричної мережі 1, через трифазний реактор 4. Стороною постійного струму трифазний транзисторний перетворювач 4 підключається до двох послідовно з'єднаних конденсаторів 5, спільний вивід яких заземлений. При цьому, трифазний транзисторний перетворювач 3 складається із шести керованих силових ключів IСBT-транзисторів VT1-VT6. З виходу блока датчиків фазної напруги мережі 6 та блока датчиків струму навантаження 7 отримані значення вектора фазної напруги мережі u s і вектора струму навантаження i ld подаються на вхід 1 і вхід 2 блока визначення заданого струму силового активного фільтра 10. 15 Визначення вектору заданого струму i * силового активного фільтра здійснюється шляхом APF застосування pq-теорії миттєвої потужності. Виконують перетворення вектора фазної напруги мережі u Sa , u Sb , u Sc та вектора струму навантаження i la , i lb , i lc в систему нерухомих   координат: 20 1 1  u    1  2  2   Sa  u S  2   u . (1) u   3 3   Sb  3  S  0  u   2 2   Sc    1 1  i    1  2  2   Sa  i S  2   i . (2) i   3 3   Sb  3 S   0  i   2 2   Sc    де u S , u S - проекції вектора напруги мережі u S ; i S , i S - проекції вектора струму навантаження i ld . Визначають миттєву активну і реактивну потужності за допомогою співвідношення: p u S q  u    S 25 u S  il  . (3)  u S  il    Розділяють миттєві активну і реактивну потужності на дві складові: постійну (середню, шляхом інтегрування) та змінну: p  P  p н , (4) q  Q  qн . (5) 30 Корисною складовою приймають постійну активну потужність Р. Визначають заданий струм силового активного фільтра в нерухомій системі координат   : * i c  u S 1 *  2 2  i c  u   u u S     u S  p H  . (7)  u S   q    Визначають проекції вектору заданого струму силового активного фільтра i * з двофазної APF системи координат   в трифазну систему координат abc: i * a  APF *  i APFb   i *   APFc  0  *  1 i  2  1 2 3 / 2   c . (8)  i* 3     1 2  3 / 2   c    3 UA 103666 U З виходу блока визначення заданого струму силового активного фільтра 10 значення вектору заданого струму i * надходить на вхід 1 суматора 11, а на вхід 2 суматора 11 APF 5 надходить значення поточного вектора струму силового активного фільтра i APF , яке отримується з виходу блока датчиків блок датчиків струму транзисторного перетворювача 8. На виході суматора 11 отримується значення різниці вектора струму i : i  i *  i APF , (9) APF яка надходить на вхід 1 блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора 13. 10 Також, значення заданого струму i * надходить на вхід 1 блока адаптивного регулятора з APF визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису 12, на вхід 2 поступає значення фазної напруги u S з виходу блока датчиків фазної напруги 6. На вхід 3 блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису 12 надходить значення напруги постійного струму U dc з виходу блока датчика напруги на стороні постійного струму 15 20 транзисторного перетворювача 9. На виході блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису 12 отримується верхня межа зони гістерезису HB  і нижня межа зони гістерезису HB  , яка надходить на вхід 2 і 3 блока формування імпульсів управління транзисторним перетворювачем 12. Верхня HB  і нижня HB  межа зони гістерезису визначається в блоці адаптивного регулятора з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису 12 за формулою: 2  u s ( t ) di ( t )  APF    L  dt    , (12) 2   Udc L  u s ( t ) diAPF ( t )    HB     8fc L 2fc Udc  L dt     Udc L HB    8fc L 2fc Udc дe fc - частота комутації ключів перетворювача силового активного фільтра; L - значення індуктивності силового активного фільтра; i  - збільшення поточного струму силового APF 25 активного фільтра на індуктивності трифазного реактора; i  - спад поточного струму силового APF активного фільтра на індуктивності трифазного реактора. Збільшення і спад струму забезпечуються значними імпульсами напруги на індуктивності, які компенсують імпульси напруги перетворювача, утворювані шляхом перекомутації, конденсаторів: Udc  di ( t ) 1  U  di ( t ) 1  APF   us (t)  ; APF   u s ( t )  dc . (13) dt L 2  dt L 2  30 Частота комутації ключів перетворювача силового активного фільтра визначається за існуючими методиками та вибирається з діапазону 3…15 кГц. Блоки формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора 13 формує імпульси управління у вигляді вектора напруг UVT1-6 силовими ключами VT1-VT6 за співвідношенням: U VT16 35 dI dI     1 при  I  HB, ,  0    I  HB,  0 ; dt dt     (14)  dI dI      1 при  I  HB, ,  0    I  HB,  0 . dt dt     Таким чином, запровадження адаптивного регулювання з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису релейним регулятором струму трифазного силового активного фільтра знижує спектр вищих гармонік струму і напруги, які обумовлені наявністю в мережі нелінійного навантаження та зниженням неактивних складових потужності. 4 UA 103666 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 Пристрій адаптивного регулювання трифазного силового активного фільтра з визначенням верхньої і нижньої межі зони гістерезису релейного регулятора струму, що містить трифазний транзисторний перетворювач, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через трифазний реактор і блок датчиків струмів силового активного фільтра, силовий вхід якого підключений до трифазної електричної мережі, який відрізняється тим, що трифазне нелінійне навантаження через блок датчиків струму навантаження з'єднане з трифазною електричною мережею, в ланці постійного струму до силового входу трифазного транзисторного перетворювача підключено два послідовно з'єднані конденсатори з еквівалентною ємністю, спільний вивід яких заземлений, блок датчиків фазної напруги мережі, блок датчика напруги на стороні постійного струму трифазного транзисторного перетворювача, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднується з другим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтра, вихід блока датчиків струму навантаження з'єднується з першим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтра, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом суматора, а другий вхід суматора з'єднаний з виходом блока датчиків струму силового активного фільтра, вихід суматора з'єднаний з першим входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднаний з другим входом адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису, вихід блока датчика напруги на стороні постійного струму трифазного транзисторного перетворювача з'єднаний з третім входом блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису, перший вихід блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису з'єднаний з другим входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, другий вихід блока адаптивного регулятора з визначенням верхньої та нижньої межі зони гістерезису з'єднаний з третім входом блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора, вихід блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора з'єднаний з керуючим входом трифазного транзисторного перетворювача. 5 UA 103666 U 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 6