Пристрій адаптивного керування релейним регулятором струму трифазного силового активного фільтра

Реферат: Пристрій адаптивного керування релейного регулювання струму трифазного силового активного фільтра містить трифазний транзисторний перетворювач, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через вхідний дросель і блок датчиків струмів силового активного фільтра, накопичувальний конденсатор, підключений 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, 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 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 постійного струму транзисторного перетворювача з'єднаний з третім входом блока адаптивного регулятора, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом блока адаптивного регулятора, вихід блока адаптивного регулятора з'єднаний з другим 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 92932 U (54) ПРИСТРІЙ АДАПТИВНОГО КЕРУВАННЯ РЕЛЕЙНИМ РЕГУЛЯТОРОМ СТРУМУ ТРИФАЗНОГО СИЛОВОГО АКТИВНОГО ФІЛЬТРА UA 92932 U UA 92932 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області електротехніки, а саме належить до фільтрокомпенсуючих пристроїв - силових активних фільтрів, і може використовуватись для компенсації реактивної потужності, зниженні основної гармоніки і вищих гармонік. Пропонований пристрій може бути застосований в мережах підприємств, де поширення отримало нелінійне навантаження у вигляді різного типу напівпровідникових перетворювачів систем керування електротехнологічних установок. Відомий [Патент UA 73436 U. Паралельний активний фільтр / А.А. Колб, Ю.О. Мишанський. Дата публікації 25.09.2012, МПК (51) Н02J 3/00], паралельний активний фільтр, що містить повністю керований автономний інвертор напруги із двосторонньою провідністю, погоджуючий дросель для підключення до мережі, конденсатор у ланці постійного струму, який відрізняється тим, що введені трифазний мостовий випрямляч і керований підвищувальний перетворювач постійної напруги в постійну, вихід якого підключений до конденсатора в ланці постійного струму, а вхід до виходу трифазного мостового випрямляча, вхід якого призначений для підключення до мережі. Пристрій має наступні недоліки: з введенням додатково в схему мостового випрямляча і керованого підвищувального перетворювача збільшується генерація вищих гармонік в мережу, що приводить до ускладнення схеми та збільшення вартості. Спільними ознаками є керований автономний інвертор напруги, погоджуючий дросель для підключення до мережі і конденсатор у кол і постійного струму. Відомий [Патент RU 2420848 С1. Трехфазный компенсатор реактивной мощности / Ю.М. Кулинич, В.К. Духовников. Дата публикации 10.06.2011, МПК (51) Н02J 3/18], трифазний компенсатор реактивної потужності, підключений до трифазного навантаження, що містить силовий інверторний блок, що включає послідовно з'єднані трифазний трансформатор, блок автономних інверторів напруги і джерело реактивної потужності, в якому входи трифазного трансформатора є першими входами силового інверторного блока, входи блока автономних інверторів напруги - його другими входами, обкладки конденсатора джерела реактивної потужності є першим виходом силового інверторного блока, а виходи блока автономних інверторів напруги - його другими виходами, систему управління, що включає блок обчислення активної і реактивної потужності, блок обчислення заданих значень фазних струмів, блок управління автономними інверторами напруги і блок обчислення змінної складової активної і реактивної потужності, виконаний у вигляді двох пристроїв, що містять інтегратор і суматор, в яких вхід кожного інтегратора з'єднаний з першим входом відповідного суматора, вихід - з другим входом відповідного суматора і в яких перший вхід суматора і вхід інтегратора є відповідно першим і другим входами блока обчислення, а виходи суматорів - його першим і другим виходами, при цьому перший і другий виходи блока обчислення активної та реактивної потужності системи управління з'єднані з першим і другим входами блока обчислення змінної складової активної і реактивної потужності, перший вихід блока обчислення змінної складової активної і реактивної потужності підключений до другого входу блока обчислення заданих значень фазних струмів, вихід якого з'єднаний з першим входом блока управління автономними інверторами напруги, перший вхід блока обчислення активної і реактивної потужності і блока обчислення заданих значень фазних струмів є першим входом системи управління, другий вхід блока обчислення активної і реактивної потужності є її другим входом, третій вхід блока обчислення заданих значень фазних струмів - її третім входом, другий вхід блока управління автономними інверторами напруги - її четвертим входом, другий вихід блока обчислення змінної складової активної та реактивної потужності є першим виходом системи управління, вихід блока управління автономними інверторами напруги - її другим виходом, а також пристрій дозарядки джерела реактивної потужності, при цьому перші входи системи управління та трифазне навантаження підключені безпосередньо до мережі живлення, її другий вхід - до трифазного навантаження, її третій вхід - до виходу пристрою дозарядки джерела реактивної потужності, перший вхід якого підключений до першого виходу системи управління, четвертий вхід системи управління з'єднаний з другим виходом силового інверторного блока, вихід системи управління підключений до другого входу силового інверторного блока, який відрізняється тим, що в нього введений пристрій обчислення заданої напруги, елемент порівняння, ПІ-регулятор, блок управління пристроєм дозарядки джерела реактивної потужності і датчик напруги, при цьому перший вихід блока обчислення активної і реактивної потужності системи управління підключений до входу пристрою обчислення заданої напруги, вихід якого з'єднаний з першим входом елемента порівняння, вихід якого через послідовно з'єднані ПІрегулятор і блок управління пристроєм дозарядки джерела реактивної потужності підключений до другого входу пристрою дозарядки джерела реактивної потужності, а другий вхід елемента 1 UA 92932 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 порівняння - до виходу датчика напруги, перший і другий входи якого з'єднані з першими виходами силового інверторного блока. Пристрій має ряд недоліків: наявність чотирьох мостових схем автономного інвертора напруги збільшує генерацію вищих гармонік в мережу, та ускладнює схему пристрою; трифазний трансформатор, який послідовно з'єднує чотири мостові схеми автономного інвертора напруги, має потужність, порівняну з потужністю, яка компенсується пристроєм, що призводить до виникнення додаткових втрат при роботі пристрою. Спільними ознаками є: з'єднувальна індуктивність, якою силова схема пристрою підключається до мережі, наявність конденсатора з датчиком напруги, мостова схема автономного інвертора напруги та наявність блоку визначення заданого фазного струму. Відомий [Патент RU 128031 U1. Устройство компенсации гармонических токов и реактивной мощности / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин, О.В. Мещерякова. Дата публикации 10.05.2013 МПК (51) H02J 3/00], пристрій компенсації гармонійних струмів і реактивної потужності, містить інвертор, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через вхідний фільтр і блок датчиків фазних струмів активного фільтра, накопичувальний конденсатор, підключений до силового виходу інвертора, і блок датчиків фазної напруги, силовий вхід якого підключений до затискачів мережі, а також формувач керуючих імпульсів на основі релейних регуляторів струму із змінною шириною гістерезису, вихід якого підключений до входів драйверів керування силовими ключами інвертора, блок датчиків фазних струмів вентильного випрямляча, силовий вхід якого з'єднаний з затискачами мережі, блок формування сигналу керування містить датчик струму ланки постійного струму вентильного випрямляча, блок порівняння, блок формування розрахункових фазних струмів навантаження вентильного випрямляча, який складається з блока обчислення амплітудного значення фазних струмів навантаження вентильного випрямляча, блока розрахунку миттєвих фазових кутів напруги мережі і блока множення, причому силовий вхід датчика струму ланки постійного струму вентильного випрямляча з'єднаний з виходом вентильного випрямляча, силовий вхід вентильного випрямляча з'єднаний із силовим виходом блока датчиків фазних струмів вентильного випрямляча, силовий вихід вентильного випрямляча з'єднаний через датчик струму ланки постійного струму вентильного випрямляча з навантаженням, вхід вхідного дроселя з'єднаний з силовим виходом блока датчиків фазних струмів активного фільтра, сигнальний вихід датчика струму ланки постійного струму вентильного випрямляча з'єднаний з входом блока обчислення амплітудного значення фазних струмів навантаження вентильного випрямляча, сигнальний вихід блока датчиків фазної напруги мережі з'єднаний з входом блока розрахунку миттєвих фазових кутів напруги мережі, блока обчислення амплітудного значення фазних струмів навантаження вентильного випрямляча, з'єднаний з другим входом блока множення, вихід блока розрахунку миттєвих фазових кутів напруги мережі з'єднаний з першим входом блока множення, вихід блока множення з'єднаний з перший входом блока порівняння, сигнальний вихід блока датчиків фазних струмів вентильного випрямляча з'єднаний з другим входом блока порівняння, вихід блока порівняння з'єднаний з першим входом блока формувача керуючих імпульсів на основі релейних регуляторів струму із змінною шириною гістерезису, сигнальний вихід блока датчиків фазних струмів активного фільтра з'єднаний з другим входом блока формувача керуючих імпульсів на основі релейних регуляторів струму із змінною шириною гістерезису. Недоліком відомого пристрою є те, що система управління трифазним силовим перетворювачем не має блока адаптивного регулятора зони гістерезису, що призводить до зміни частоти комутації вентилів компенсатора та викликає генерування суб-гармонік і низько частотних гармонік. Спільними ознаками є інвертор, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через вхідний дросель і блок датчиків струмів силового активного фільтра, накопичувальний конденсатор, підключений до силового виходу інвертора, і блок датчиків фазної напруги, силовий вхід якого підключений до затискачів мережі. Даний пристрій є найбільш близьким аналогом. В основу корисної моделі поставлена задача зниження рівня вищих гармонік струму і напруги та компенсація неактивних складових повної потужності в мережі, шляхом введення в систему управління силовим активним фільтром блока адаптивного регулювання ширини гістерезису, забезпечити фіксовану частоту модуляції струму силового активного фільтра. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої адаптивного керування релейним регулятором струму трифазний транзисторний перетворювач, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через вхідний дросель і блок датчиків струмів силового активного фільтра, накопичувальний конденсатор, підключений до силового виходу транзисторного перетворювача, блок датчиків фазної напруги мережі, силовий вхід якого підключений до 2 UA 92932 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 трифазної електричної мережі, згідно з корисною моделлю, трифазне нелінійне навантаження через блок датчиків струму навантаження з'єднане з трифазною електричною мережею, блок датчика напруги на стороні постійного струму 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 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 постійного струму транзисторного перетворювача з'єднаний з третім входом блока адаптивного регулятора, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом блока адаптивного регулятора, вихід блока адаптивного регулятора з'єднаний з другим 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. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де представлена структура пристрою адаптивного керування релейного регулятора струму трифазного силового активного фільтра, на якому: 1 - трифазна електрична мережа; 2 - трифазне нелінійне навантаження; 3 трифазний транзисторний перетворювач; 4 - вхідний дросель; 5 - накопичувальний конденсатор; 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; 13 - блок формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора. Трифазна електрична мережа 1 показана 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 трифазним нелінійним навантаженням 2. Трифазне нелінійне навантаження 2 показано у вигляді еквівалентної схеми заміщення, що містить у своєму складі джерела EнА , EнВ , EнС змінного струму, індуктивності LнА , LнВ , LнС та активні опори R нА , R нВ , R нС , які мають нелінійні характеристики. Трифазний транзисторний перетворювач 3 підключається паралельно до трифазної електричної мережі 1, через вхідний дросель 4. Стороною постійного струму трифазний транзисторний перетворювач 4 підключається до накопичувального конденсатора 5. При цьому трифазний транзисторний перетворювач 3 складається із шести керованих силових ключів IGBT-транзисторів К1-К6. З виходу блока датчиків фазної напруги мережі 6 та блока датчиків струму навантаження 7 отримані значення вектора фазної напруги мережі UM і вектора струму навантаження I H подаються на вхід 1 і вхід 2 блока визначення заданого струму силового активного фільтра 10. Визначення вектора заданого струму I* силового активного фільтра здійснюється шляхом F застосування РQ-теорії визначення повної потужності. Виконують перетворення вектора фазної напруги мережі u a , u b , u c та вектора струму навантаження u la , u lb , u lc в систему нерухомих  координат: u      u    1  1  2 2  3 3 0  2  1  u  a 2    u b  . (1) 3  u  2  c    1 1   1    i la  2 2 2    i . (2) 3 3   lb  3 0  i lc   2 2     де u  , u  , - проекції вектора напруги мережі UM ; i l , i l - проекції вектора струму i l    i l    50 навантаження I H . Визначають миттєву активну і реактивну потужності навантаження співвідношення: 3 за допомогою UA 92932 U p l  u     u q l     u   i l     . (3)  u   i l    Розділяють миттєві активну і реактивну потужності на дві складові: постійну (середню, шляхом інтегрування) та змінну:  pl  Pl  pl , (4)  q l  Ql  q l . (5) 5 Корисною складовою приймають тільки постійну активну потужність Pl з урахуванням, що в трифазній симетричній системі напруг в сталому режимі постійні складові активної Pl і реактивної Q l потужності визначаються основною гармонікою струму мережі прямої   послідовності, а змінні складові pl і ql визначаються гармоніками струму навантаження,  10 відмінними від основної, і струмами основної гармоніки зворотній послідовності, виділяють pl і ql . Визначають заданий струм силового активного фільтра в нерухомій системі координат  : i*   u  1 k *  2 2  i k  u   u   u         u   p   l  . (7)   u   q   l  Розраховують кут повороту вектора струму навантаження: 15   arctg i l , (8) i l Переходять від нерухомої системи координат  до обертової системи координат dq перерахунком: i*   cos  sin   i*   Fd F *    *  , (9) i Fq   sin  cos   i F      де проекції i* і i* вектора заданого струму силового активного фільтра I*  i*  ji* на осі F Fd Fq Fq Fd 20 абсцис " d " и ординат " q " ортогональної обертової координатної системи dq . Визначають проекції вектора заданого струму компенсатора заданого струму силового активного фільтра I* з обертової системи координат dq в трифазну систему координат abc : F i *  Fa *  i Fb    i*     Fc  25 30 35 40  1 2 1 2 3  1 2  0  *  i Fd  3 / 2   *  . (10) i   3 / 2  Fq   З виходу блока визначення заданого струму силового активного фільтра 10 значення вектора заданого струму I* надходить на вхід 1 суматора 11, а на вхід 2 суматора 11 надходить F значення поточного вектора струму силового активного фільтра I F , яке отримується з виходу блока датчиків на блок датчиків струму транзисторного перетворювача 8. На виході суматора 11 отримується значення різниці вектора струму  I (різниця між заданим I* і поточним I F F значенням струму силового активного фільтра): I  I*  I F , (11) F яка надходить на вхід 1 блока формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора 13. Також значення заданого струму I* надходить на вхід 1 блока адаптивного регулятора 12, c на вхід 2 надходить значення фазної напруги UM з виходу блока датчиків фазної напруги 6 блока адаптивного регулятора 12. Hа вхід 3 блока адаптивного регулятора 12 надходить значення напруги постійного струму Udc з виходу блока датчика напруги на стороні постійного струму транзисторного перетворювача 9. На виході блока адаптивного регулятора 12 отримується зона гістерезису HB , яка надходить на вхід 2 блока формування імпульсів управління транзисторним перетворювачем 12. Зона гістерезису HB визначається в блоці адаптивного регулятора 12 за формулою: 4 UA 92932 U 2  dI*  2 U dc   U M  L  F      , (12) HB  4f c  U dc  L 5 де fc - частота комутації силових ключів активного фільтра; L значення індуктивності силового активного фільтра. Частота комутації силових ключів активного фільтра визначається за існуючими методиками та обирається з діапазону 1…15 кГц. Блоки формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора 13 формує імпульси управління у вигляді вектора напруг U y силовими ключами К1-К6 за співвідношенням: dI dI     1, при  І  HB,  0    I  -HB,  0 ; dt dt     (13) Uy  dI dI      1, при  І  HB,  0    I  HB,  0 . dt dt     10 Таким чином, запровадження адаптивного керування 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. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 35 Пристрій адаптивного керування релейного регулювання струму трифазного силового активного фільтра, що містить трифазний транзисторний перетворювач, силовий вхід якого з'єднаний з мережею живлення через вхідний дросель і блок датчиків струмів силового активного фільтра, накопичувальний конденсатор, підключений до силового виходу транзисторного перетворювача, блок датчиків фазної напруги мережі, 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, блок датчика напруги на стороні постійного струму транзисторного перетворювача, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднується з другим входом блока визначення заданого струму силового активного фільтру, вихід блоку 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 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 постійного струму транзисторного перетворювача з'єднаний з третім входом блока адаптивного регулятора, вихід блока визначення заданого струму силового активного фільтра з'єднаний з першим входом блока адаптивного регулятора, вихід блока адаптивного регулятора з'єднаний з другим 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 92932 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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