Фильтр-стабилизатор переменного напряжения

 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания. Сущность изобретения: фильтр-стабилизатор переменного напряжения состоит из дросселя и регулирующего устройства, выполненного с возможностью одновременной реализации функции активного фильтра и регулятора реактивной мощности. Система управления состоит из модулятора, датчика тока и формирователя сигнала задания тока активного узла, выполненного в виде управляемого мостового полупроводникового преобразователя переменного тока в постоянный с накопителем энергии на стороне постоянного тока и Г-образного C фильтра. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Известен фильтр-стабилизатор переменного напряжения, содержащий дроссель, включенный между одним из входных выводов и одним из выходных выводов, и регулирующий блок, первым выходным выводом подключенный к выводу дросселя, соединенному с упомянутым входным выводом фильтра-стабилизатора, а вторым с общим входным и выходным выводом (Электротехника 1993, N 1, с. 57 61). Основной недостаток известного фильтра-стабилизатора заключается в том, что он фильтрует только небольшую часть спектра высших гармоник тока нагрузки и искажает форму выходного напряжения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является стабилизация напряжения на шинах потребителя с устранением всего спектра токов высших гармоник, поступающих в сеть.

Указанный результат обеспечивается тем, что в фильтре-стабилизаторе переменного напряжения, содержащем дроссель, включенный между одним из входных выводов и одним из выходных выводов, и регулирующий блок, первым входным выводом подключенный к выводу дросселя, соединенному с упомянутым выходным выводом фильтра-стабилизатора, а вторым с общим входным и выходным выводом, упомянут регулирующий блок выполнен с возможностью одновременной реализации функции параллельного активного фильтра и регулятора реактивной мощности. Параллельный активный фильтр может быть выполнен в виде активного узла, модулятора, датчика тока активного узла и формирователя сигнала задания тока активного узла, при этом выходы упомянутых датчика и формирователя сигнала задания соединены с соответствующими входами модулятора, выход которого подключен к управляющему входу активного узла.

Активный узел может быть выполнен в виде управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный, накопителя энергии, подключенного на стороне постоянного тока упомянутого преобразователя, а также LC фильтра, при этом выводы переменного тока указанного преобразователя соединены с выходными выводами активного узла через LC фильтр.

Накопитель энергии активного узла может быть выполнен в виде конденсатора или дросселя.

Модулятор регулирующего блока может быть в виде релейного элемента с гистерезисом, к выходу которого подключены входы инвертирующего и неинвертирующего усилителей, выходами соединенных со входами соответствующей пары ключей управляемого мостового полупроводникового преобразователя переменного тока в постоянный.

Формирователь сигнала задания тока активного узла может быть выполнен в виде датчика напряжения на конденсаторе активного узла, датчика выходного тока, трех усилителей, один из которых инвертирующий, первого сумматора, первого перемножителя, первого узла сравнения, первого задатчика эталонного сигнала и генератора синусоидального сигнала, синхронизированного с выходным напряжением, но стабилизированного по амплитуде, при этом выход датчика напряжения на конденсаторе активного узла соединен с одним из входов первого узла сравнения, другой вход которого подключен к выходу первого датчика эталонного сигнала, а выход через первый усилитель к одному из входов первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом упомянутого генератора синусоидального сигнала, а выход через второй усилитель к одному из входов первого сумматора, другой вход которого через инвертирующий усилитель подключен к выходу датчика выходного тока, а выход к входу формирователя сигнала задания тока активного узла.

Для быстрого реагирования на изменение входного напряжения сети в формирователь сигнала задания тока активного узла могут быть введены датчик действующего значения входного напряжения, второй задатчик эталонного сигнала, четвертый и пятый усилители, второй перемножитель, фазосдвигающий узел и второй узел сравнения, а первый сумматор снабжен третьим входом, при этом выход датчика действующего значения входного напряжения соединен с одним из входов второго узла сравнения, другой вход которого подключен к выходу второго задатчика эталонного сигнала, а выход через четвертый усилитель связан с одним из входов второго перемножителя, другой вход которого соединен с выходом фазосдвигающегося узла, а выход через пятый усилитель с третьим входом первого сумматора, причем вход фазосдвигающего узла подключен к выходу генератора синусоидального сигнала.

Для более точной стабилизации в формирователь сигнала задания тока активного узла могут быть ведены последовательно соединенные датчик действующего значения выходного напряжения, третий узел сравнения и шестой усилитель, а также третий задатчик эталонного сигнала, подключенный ко второму входу третьего узла сравнения, и второй сумматор, через который упомянутый четвертый усилитель связан с одним из входов второго перемножителя, при этом ко второму входу второго сумматора подключен выход шестого усилителя.

Для стабилизации мгновенного напряжения на нагрузке и поддержания его синусоидальным в формирователь сигнала задания тока активного узла могут быть введены датчик мгновенного значения выходного напряжения, четвертый узел сравнения и седьмой усилитель, а первый сумматор снабжен четвертым входом, который через последовательно соединенные седьмой усилитель и четвертый узел сравнения подключен к выходу датчика мгновенного значения выходного напряжения, при этом другой вход четвертого узла сравнения соединен с выходом генератора синусоидального сигнала.

На фиг. 1 изображена общая схема фильтра-стабилизатора; на фиг. 2 - структурная схема фильтра-стабилизатора; на фиг. 3 форма сигналов i_ау и i_ау; на фиг. 4 пример реализации фильтра-стабилизатора.

Фильтр-стабилизатор переменного напряжения состоит из дросселя 1, включенного между входным выводом 2 для подключения к сети 3, и выходным выводом 4 для подключения нагрузки 5, и 1регулирующего устройства 6, первый выходной вывод которого подключен к выводу дросселя, соединенному с выходным выводом 4, а второй с общим выводом 7.

Регулирующее устройство 6 может быть выполнено в виде активного узла 9 (фиг. 2), модулятора 10, датчика тока 11, активного узла i_ау и формирователя 12 сигнала i_ay^* задания тока активного узла. Выходы датчика 11 формирователя 12 соединены с соответствующими входами модулятора 10, выход которого подключен к управляющему входу активного узла 9.

Активный узел 9 может быть выполнен в виде управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный, состоящего из четырех транзисторных ключей 13 16 (фиг. 4), емкостного накопителя энергии 17 (вместо емкостного накопителя может применяться аккумуляторная батарея), подключенного на стороне постоянного тока упомянутого преобразователя, а также дросселя 18 и конденсатора 19 фильтра. Выводы переменного тока преобразователя соединены с выходными выводами активного узла 9 через дроссель 18, а конденсатор 19 подключен между этими выводами. Если в качестве накопителя энергии на стороне постоянного тока используется индуктивность, то конденсатор фильтра соединяется параллельно выводам переменного тока преобразователя, а они в свою очередь соединяются с выходными выводами активного узла через дроссель фильтра.

Модулятор 10 может быть выполнен в виде релейного элемента 20 с гистерезисом и инвертирующего 21 и неинвертирующего 22 усилителей. Выходы усилителей 21 и 22 соединены с выходом релейного элемента 20, а их входы соединены со входами соответствующей пары ключей 13, 16 и 14, 15.

Формирователь 12 может быть выполнен в виде датчика 23 напряжения на конденсаторе 17 активного узла (D_uc), датчика 24 выходного тока (нагрузки) (D_ih), трех усилителей 25, 26 и 27, последний из которых инвертирующий, первого сумматора 28, первого перемножителя 29, первого узла сравнения 30, первого задатчика эталонного сигнала 31 и генератора синусоидального сигнала 32, синхронизованного с выходным напряжением, но стабилизированным по амплитуде. Выход датчика 23 соединен с одним из входов узла сравнения 30, другой вход которого подключен к выходу задатчика эталонного сигнала 31, а выход через усилитель 25 к одному из входов перемножителя 29. Второй вход перемножителя 29 соединен с выходом генератора синусоидального сигнала 32, а выход через усилитель 26 к одному из входов сумматора 28. Другой вход сумматора 28 подключен через усилитель 27 к выходу датчика 24, а выход к входу формирователя 12.

Формирователь 12 также может содержать датчик 33 действующего значения входного напряжения U_{вх.действ}, второй задатчик эталонного сигнала 34, усилители 35, 36, второй перемножитель 37, фазосдвигающий узел 38 и второй узел сравнения 39.

Выход датчика 33 соединен с одним из входов узла сравнения 39, другой вход которого подключен к выходу задатчика эталонного сигнала 34. Выход узла сравнения 39 через усилитель 35 связан с одним из входов перемножителя 37, другой вход которого соединен с выходом фазосдвигающего узла 38. Выход перемножителя 37 через усилитель 36 соединен с третьим входом сумматора 28. Вход фазосдвигающего узла 38 подключен к выходу генератора синусоидального сигнала 32.

Формирователь 12 может содержать последовательно соединенный датчик 40 действующего значения выходного напряжения (D_{Uвых.действ}), третий узел сравнения 41 и усилитель 42, а также третий задатчик эталонного сигнала 43, подключенный ко второму входу узла сравнения 41, и второй сумматор 43, через который усилитель 35 связан с перемножителем 37. Второй вход сумматора 43 соединен с выходом усилителя 42.

В формирователь 12 могут быть включены датчик 44 мгновенного значения выходного напряжения (D_Uмгн), четвертый узел сравнения 45 и усилитель 46. Выход датчика 44 подключен ко входам генератора синусоидального сигнала 32 и узел сравнения 45, выход которого соединен через усилитель 46 с четвертым входом сумматора 28, а второй вход с выходом генератора синусоидального сигнала 32.

Г-образный LC фильтр на стороне переменного тока, включающий дроссель 18 и конденсатор 19, предназначен для фильтрации высокочастотной составляющей (так как частота работы ключей свыше 25 кГц, то габариты этого фильтра очень незначительны). Ключи 13 16 управляются от модулятора 10, причем всегда включена одна пара ключей (13, 16 или 14, 15). Таким образом конденсатор 17 подключается к сети то положительной, то отрицательной полярностью, обеспечивая в дросселе 18 ток пилообразной формы, средняя составляющая которого совпадает с сигналом задания i_ay^*(фиг. 3). Сигнал задания формируется по нескольким каналам. Первый канал обеспечивает фильтрацию токов высших гармоник и реализует функцию активного фильтра, сигнал пропорциональный току нагрузки снимается датчиком 24 и усиленный инвертирующим усилителем 27 поступает на сумматор 28. При этом этот сигнал содержит все гармоники, включая первую, тока нагрузки в противофазе. Ток первой гармоники автоматически с помощью второго канала исключается из этого сигнала за счет сигнала заряда конденсатора 17. Сигнал второго канала снимается датчиком 23, сравнивается с эталонным, сигнал рассогласования усиливается и перемножается с сигналом генератора синусоидального сигнала, синхронизированного с выходным напряжением, но стабилизированного по амплитуде, перемноженный сигнал усиливается и поступает на сумматор 28. Таким образом, напряжение на конденсаторе 17 поддерживается выше амплитудного значения напряжения сети. При этом активный ток первой гармоники, в противофазе сформированный первым каналом, компенсируется сигналом второго канала. Третий канал предназначен для быстрого реагирования на изменение входного напряжения сети в целях стабилизации выходного напряжения. Он содержит датчик 33 действующего значения входного напряжения, узла сравнения 39, задатчика эталонного сигнала 34, усилителя 35, перемножителя 37 на синусоидальный сигнал генератора 32. Причем сигнал генератора 32 сдвинут по фазе на 90 градусов в сторону опережения (емкостной характер тока) с помощью фазосдвигающего узла 38. Таким образом, при уменьшении входного напряжения активный узел 9 начинает генерировать реакционный ток емкостного характера, при этом вектор напряжения на дросселе 18 складывается с вектором входного напряжения и напряжение на выходе стабилизируется, при увеличении входного напряжения реактивный ток меняет характер на индуктивный и выходное напряжение уменьшается относительно входного за счет соответствующего вектора напряжения на дросселе 18. Этим обеспечивается выполнение функции регулятора реактивной мощности, аналогично тому как в схеме аналога регулятор реактивной мощности используется для стабилизации напряжения. Для более точной стабилизации предусмотрен канал отрицательной обратной связи по действующему значению выходного напряжения. Этот канал должен быть достаточно инерционным для обеспечения устойчивой работы системы. Он содержит датчик 40 действующего значения напряжения на нагрузке, узел сравнения 41 и усилитель 42 сигнала рассогласования. После усиления сигнал рассогласования суммируется в сумматоре 43 с сигнала третьего канала и также перемножается на сдвинутый по фазе синусоидальный сигнал. Такая система позволяет стабилизировать и действующее значение напряжения на нагрузке, и фильтровать токи высших гармоник. При этом, если входное напряжение искажено, то выходное также искажается, это связано с тем, что через дроссель 18 проходит ток только первой гармоники (активный и реактивный) и, следовательно, напряжение на нем синусоидально. Если необходимо стабилизировать мгновенное значение напряжения на нагрузке (то есть поддерживать его синусоидальным), необходимо пропустить через дроссель 18 несинусоидальный ток. При этом в сеть будет генерироваться значительное количество высших гармоник, та как сетевое напряжение, как правило, искажено не сильно (чем сильнее будет искажено сетевое напряжение, тем больше токов высших гармоник поступает в сеть). Для достижения такого результата необходимо ввести сигнал обратной связи по мгновенному значению выходного напряжения. Этот канал включает датчик 44 мгновенного значения выходного напряжения, узел сравнения 45, причем опорным сигналом может служить синусоидальный сигнал, синхронизированный с сетью от генератора 32, и усилитель 46 сигнала рассогласования.

Переключение ключей 13 16 происходит по закону релейной следящей системы. Сигналы всех каналов суммируются и поступают на релейный элемент 20 с гистерезисом, который обеспечивает не сильное изменение частоты переключений. На релейный элемент поступают два сигнала: сигнал задания i_ay^* и сигнал тока активного элемента i_ау, снимаемый датчиком 11. Если сигнал задания больше сигнала тока i_ау, то модулятор 10 включает соответствующие ключи преобразователя, чтобы емкость 17 оказалась подключена к сети плюсом, что вызывает падение тока i_ау и наоборот. Таким образом ток i_ау имеет вид, показанный на фиг. 3. Сигнал, выбранный модулятором, усиливается до значения, необходимого для переключения ключей. Это сигнал управляет одной парой ключей, а другая пара ключей управляется инвертированным сигналом.

Алгоритм управления может быть более просто реализован с помощью микроконтроллера, снабженного соответствующими датчиками и соответствующим образом запрограммированного.

Формула изобретения

1. Фильтр-стабилизатор переменного напряжения, содержащий дроссель, включенный между одним из входных выводов и одним из выходных выводов, и регулирующий блок, первым силовым выводом подключенный к выводу дросселя, соединенному с упомянутым выходным выводом фильтра-стабилизатора, а вторым с общим входным и выходным выводом, отличающийся тем, что регулирующий блок выполнен по схеме параллельного активного фильтра, при этом введен узел регулирования реактивной мощности, потребляемой параллельным активным фильтром в функции входного или выходного напряжения, выход которого подключен к управляющим входам параллельного активного фильтра.

2. Фильтр-стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что параллельный активный фильтр выполнен в виде активного узла, модулятора, датчика тока активного узла и формирователя сигнала задания тока активного узла, при этом выходы упомянутых датчика и формирователя сигнала задания соединены с соответствующими входами модулятора, выход которого подключен к управляющему входу активного узла.

3. Фильтр-стабилизатор по п.2, отличающийся тем, что активный узел выполнен в виде управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный, накопителя энергии, подключенного на стороне постоянного тока упомянутого преобразователя, а также LC-фильтра, включенного по схеме фильтрации высокочастотной составляющей тока активного узла, а выводы LC-фильтра являются выходными выводами активного узла.

4. Фильтр-стабилизатор по п.3, отличающийся тем, что накопитель энергии активного узла выполнен в виде конденсатора, при этом выводы переменного тока преобразователя соединены с выходными выводами активного узла через дроссель LC-фильтра, а конденсатор LC-фильтра подключен между выходными выводами активного узла.

5. Фильтр-стабилизатор по п.3, отличающийся тем, что накопитель энергии активного узла выполнен в виде дросселя, при этом выводы переменного тока преобразователя соединены с выходными выводами активного узла через дроссель LC-фильтра, а конденсатор LC-фильтра подсоединен параллельно выводам переменного тока преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4