Активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети
Владельцы патента RU 2667479:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Изобретение относится к электроэнергетике, может быть использовано в качестве устройства компенсации гармонических искажений токов трехфазной сети. Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании активного фильтра высших гармоник токов трехфазной сети, компенсирующего несинусоидальность токов нелинейной нагрузки и реактивную мощность, имеющего малые массогабаритные показатели. Активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети имеет трехфазный мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах 1-6 со встречно-параллельными диодами 7-12, дроссели входного фильтра 15-17, конденсатор на стороне постоянного тока 13, датчики напряжения для измерения мгновенных значений сетевого напряжения 20-22, датчики тока нагрузки 23-25, датчики тока активного фильтра 26-28, датчик напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока 18, генератор пилообразного напряжения 31, блоки системы управления 32-34. Благодаря введению конденсатора 14, датчика напряжения 19, датчика тока 29, а также реализации блоков системы управления согласно принципам комбинированного управления получен активный фильтр высших гармоник токов, компенсирующий несинусоидальность токов нелинейной нагрузки и ее реактивную мощность при малой массе и габаритах, кроме того с возможностью использования в качестве выпрямителя со стабилизированным напряжением для собственного потребителя. В качестве собственного потребителя могут выступать аккумуляторная батарея, элементы релейной защиты и информационная электроника. 1 ил.
Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к силовым электронным преобразователем, и может быть использовано в качестве устройства компенсации гармонических искажений токов трехфазной сети.
Известно устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности, содержащее силовую часть и систему контроля и управления, при этом в силовую часть входит преобразователь постоянного тока в переменный, выполненный на основе IGBT-инвертора, с накопителем энергии в виде конденсатора, включенного на стороне постоянного тока преобразователя, и интегрирующий фильтр, связанный с выводами переменного тока упомянутого преобразователя и включенный через блок защиты и мягкого пуска (БЗМП) в сеть, а система контроля и управления содержит первый и второй датчики тока, блок ШИМ, в котором имеется широтно-импульсный модулятор (ШИМ), датчик напряжения, первый, второй и третий блоки аналого-цифрового преобразования (блоки АЦП), блок цифровой обработки, блок цифроаналогового преобразования (блок ЦАП). (Богачев B.C., Устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности. Патент РФ №2393609, МПК H02J 3/18, опубл. 27.06.2010).
Данное устройство имеет сложную структуру, низкую надежность системы управления силовыми ключами, низкое быстродействие системы управления, наличие интегрирующего фильтра увеличивает массу и габариты.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является активный фильтр, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, дополнительного полумостового инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенный параллельно с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенный к нулевой линии сети, и системы управления, реализованной на микропроцессоре (Лоскутов А.Б., Алтунин Б.Ю., Карнавский И.А., Кралин А.А. Активный фильтр. Патент РФ №131916, МПК H02J 3/16, H02J 3/18, H02J 3/26 опубл. 27.08.2013).
Данный активный фильтр имеет дополнительное плечо инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, что усложняет устройство, повышает стоимость реализации фильтра. Наличие фазных реакторов увеличивает массу и габариты.
В последние годы большое внимание уделяется устройствам с активной фильтрацией. В таких устройствах существуют проблемы совмещения нескольких функций: компенсация несинусоидальности токов нелинейной нагрузки и реактивной мощности, обеспечение малой массы и габаритов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании активного фильтра высших гармоник токов трехфазной сети, компенсирующего несинусоидальность токов базовой нелинейной нагрузки и ее реактивную мощность, имеющего малые массогабаритные показатели.
Технический результат достигается тем, что в активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, дросселей входного фильтра, конденсатора на стороне постоянного тока, системы управления, трех датчиков напряжения, трех датчиков токов нагрузки, трех датчиков токов активного фильтра, датчика напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока, введены второй конденсатор на стороне постоянного тока, пятый датчик напряжения и седьмой датчик тока, первый-третий входные зажимы соединены с базовой цепью, содержащей нелинейную нагрузку, через последовательно соединенные первый-третий датчики тока, а также со средними точками первого-третьего плеч через последовательно соединенные первый-третий дроссели и четвертый-шестой датчики тока соответственно, первый зажим первого конденсатора соединен с плюсовой шиной мостовой схемы и с первым зажимом собственного потребителя через седьмой датчик тока, первый зажим второго конденсатора соединен с минусовой шиной мостовой схемы и со вторым зажимом собственного потребителя, вторые зажимы конденсаторов подключены к общему проводу, третий-пятый датчики напряжения подключены между первым-третьим входными зажимами соответственно и общим проводом, первый-второй датчики напряжения подключены между первым и вторым зажимами первого и второго конденсаторов соответственно, выходы первого-пятого датчиков напряжения и первого-седьмого датчиков тока соединены с входами первого-третьего блоков системы управления, а их выходы соединены с управляющими входами первого-шестого транзисторов, причем блоки системы управления выполнены с возможностью реализации законов формирования относительной длительности импульсов для фаз A, B, C:
где индекс D=A, B, C; u0 - суммарное выходное напряжение; uD, iD - напряжение и ток фазы; uS - падение напряжения на открытом полупроводниковом ключевом элементе, u2 - напряжение второго конденсатора; L - индуктивность дросселя; kP - постоянный коэффициент; 
- требуемое значение тока фазы, iDH - значение тока высших гармоник, iDQ - значение тока, компенсирующего реактивную мощность.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1, где
Фиг. 1 - схема активного фильтра.
На Фиг. 1 активный фильтр содержит IGBT-транзисторы 1-6 и диоды 7-12, образующие шесть силовых ключей, конденсаторы 13, 14, дроссели 15-17, датчики напряжения 18-22, датчики тока 23-29, входные зажимы A, B, C, собственный потребитель 30, генератор пилообразного напряжения 31, блоки системы управления 32-34.
IGBT-транзисторы 1-6 вместе с обратными диодами 7-12 соединены в мостовую схему. Входные зажимы A, B, C соединены с базовой цепью, содержащей нелинейную нагрузку, через датчики тока 23-25, а также со средними точками трех плеч через дроссели 15-17 и датчики тока 26-28. Датчики напряжения 20-22 подключены между зажимами A, B, C соответственно и общим проводом. Конденсаторы 13, 14 и датчики напряжения 18, 19 подключены между плюсовой и минусовой шиной мостовой схемы соответственно и общей точкой. Датчик тока 29 подключен между первым зажимом конденсатора 13 и первым зажимом собственного потребителя 30. Выходы датчиков напряжения 18-22 и датчиков тока 23-29 соединены с входами блоков системы управления 32-34.
Активный фильтр работает следующим образом. На входные зажимы A, B, C подается трехфазная система напряжений. Датчики напряжения 20-22 вырабатывают соответствующие этим напряжениям сигналы. Датчики напряжения 18, 19 вырабатывают сигналы, соответствующие напряжениям на конденсаторах 13, 14. Эти сигналы поступают на блоки управления, где сравниваются с требуемыми значениями. Блоки управления формируют внутренние сигналы управления uc1, uc2. В зависимости от полярности напряжений uA, uB, uC формируются мгновенные значения токов, которые обеспечивают требуемое значение напряжений на выходных конденсаторах:
Датчики тока 23-25 вырабатывают сигналы, пропорциональные токам нелинейной нагрузки. Эти сигналы полаются на блоки управления, где происходит выделение сигналов, пропорциональных токам высших гармоник jAH, jBH, jCH и токам первых гармоник jA1, jB1, jC1.
Для компенсации реактивной мощности в блоках управления формируются токи jAQ, jBQ, jCQ, определяющиеся следующим образом:
где uAB, uBC, uCA - мгновенные значения линейных напряжений фаз A, B, C, UAB, UBC, UCA - действующие значения линейных напряжений фаз A, B, C.
Далее сигналы jAH, jBH, jCH, jAQ, jBQ, jCO вычитаются из токов 
Формируются мгновенные значения требуемых токов фильтра:
Эти значения токов сравниваются с истинными значениями фазных токов jA, jB, jC, которые поступают от датчиков тока 26-28, и вырабатываются широтно-модулированные импульсы, поступающие на управляющие входы IGBT-транзисторов (см. формулу (1)).
Генерируются токи, соответствующие токам высших гармоник базовой нелинейной цепи с обратным знаком, происходит компенсация высших гармонических искажений токов, потребляемых из трехфазной сети. В результате потребляемые из сети суммарные токи нелинейной нагрузки и активного фильтра имеют форму, близкую к синусоидальной. Входные дроссели имеют малую индуктивность, так как предназначены для фильтрации входных токов от пульсаций на частоте ШИМ (десятки килогерц). Выходные конденсаторы имеют малую емкость, так как предназначены для фильтрации выходных напряжений от пульсаций на частоте ШИМ.
Сигналы uc1, uc2, входящие в выражения (2)-(4), могут быть сформированы согласно принципу комбинированного управления:
Таким образом, путем введения конденсатора, датчика напряжения, датчика тока, а также реализации блоков системы управления согласно принципам комбинированного управления, получен активный фильтр высших гармоник токов, компенсирующий гармонические искажения базовой нелинейной цепи, имеющий малые массогабаритные показатели, кроме того с возможностью использования в качестве выпрямителя со стабилизированным напряжением для собственного потребителя. В качестве собственного потребителя могут выступать аккумуляторная батарея, элементы релейной защиты и информационная электроника.
Активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, дросселей входного фильтра, конденсатора на стороне постоянного тока, системы управления, трех датчиков напряжения, трех датчиков токов нагрузки, трех датчиков токов активного фильтра, датчика напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока, отличающийся тем, что введены второй конденсатор на стороне постоянного тока, пятый датчик напряжения и седьмой датчик тока, первый-третий входные зажимы соединены с базовой цепью, содержащей нелинейную нагрузку и потребляющей реактивную мощность, через последовательно соединенные первый-третий датчики тока, а также со средними точками первого-третьего плеч через последовательно соединенные первый-третий дроссели и четвертый-шестой датчики тока соответственно, первый зажим первого конденсатора соединен с плюсовой шиной мостовой схемы и с первым зажимом собственного потребителя через седьмой датчик тока, первый зажим второго конденсатора соединен с минусовой шиной мостовой схемы и со вторым зажимом собственного потребителя, вторые зажимы конденсаторов подключены к общему проводу, третий-пятый датчики напряжения подключены между первым-третьим входными зажимами соответственно и общим проводом, первый-второй датчики напряжения подключены между первым и вторым зажимами первого и второго конденсаторов соответственно, выходы первого-пятого датчиков напряжения и первого-седьмого датчиков тока соединены с входами первого-третьего блоков системы управления, а их выходы соединены с управляющими входами первого-шестого транзисторов, причем блоки системы управления выполнены с возможностью реализации законов формирования относительной длительности импульсов для фаз A, B, C:
где индекс D=A, B, C; u0 - суммарное выходное напряжение; uD, iD - напряжение и ток фазы; uS - падение напряжения на открытом полупроводниковом ключевом элементе, u2 - напряжение второго конденсатора; L - индуктивность дросселя; kP - постоянный коэффициент; 
- требуемое значение тока фазы, iDH - значение тока высших гармоник, iDQ - значение тока, компенсирующего реактивную мощность.
