Применение активных фильтров в системе управления электроприводом

В качестве мощных активных фильтров рассматривается применение многоуровневых, многотактных и каскадных полупроводниковых преобразователей. Разрабатываются также преобразователи других типов.Многотактные фильтрыСхема активного фильтра с многотактным преобразователем представлена на рисунке 39 (аналог описан в [13]).Активный фильтр содержит многообмоточный трансформатор Тr, несколько транзисторных мостовых выпрямительных мостов, включенных параллельно и работающих совместно с общей конденсаторной батареей C, и трехфазную RC-цепь, подключенную к электросети. В трансформаторе Тr вторичные обмотки могут быть выполнены без сдвига по фазе, что существенно упрощает его конструкцию. Управление транзисторными мостами в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется путем сравнения пилообразных опорных напряжений с трехфазной системой напряжений управления. Опорные напряжения различных мостов взаимно сдвинуты по фазе на углы, равные отношению 2p к количеству мостов. Для всех мостов используется одна и та же трехфазная система напряжений управления, которая формируется регуляторами, обеспечивающими поддержание заданного напряжения конденсатора C, подавление неосновных составляющих токов и напряжений сети, компенсацию реактивной мощности сети и т. д. Для улучшения качества фильтрации токов и напряжений сети каждый транзисторный мост работает на повышенной частоте ШИМ, например 4–10 кГц. При шести параллельно включенных мостах эквивалентная частота ШИМ по отношению к сети составляет 24–60 кГц. На этих частотах обеспечивается достаточно точная фильтрация высших гармонических токов сетей в диапазоне частот, определенном ГОСТ 13109-97 – до 2000 Гц (при частоте основных составляющих 50 Гц). Фильтруются также составляющие более высоких частот. Вместе с тем на частотах 24–60 кГц и выше активный фильтр является генератором гармонических составляющих и для их подавления используются RC-цепи.К особенностям многотактных систем относится то, что преобразовательная часть систем сравнительно низковольтна. Среди достоинств таких фильтров можно отметить, что в них ток нагрузки конденсатора в звене постоянного напряжения существенно уменьшается при увеличении количества параллельно работающих мостов.Рисунок 39 – схема многотактного активного фильтраМногоуровневые фильтрыДругое направление развития силовой преобразовательной техники – разработка активных фильтров с многоуровневыми полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 40 представлена одна из возможных схем активного фильтра с 5-уровневым преобразователем.Активный фильтр содержит транзисторный мост, подключенный к электросети через фазные дроссели L, и RC-цепи. В каждом плече моста содержатся несколько последовательно включенных транзисторов. Напряжения между ними делятся при использовании последовательно включенных конденсаторов в звене выпрямленного напряжения и дополнительных диодов. «Гладкая» составляющая напряжения фазы сети формируется при работе в режиме ШИМ сначала одного транзистора в плече моста, потом другого и т. д. В каждый момент времени в каждом плече моста в режиме ШИМ работает только один транзистор. За счет этого в 5-уровневом преобразователе, по сравнению с двухуровневым, амплитуда пульсаций напряжений фаз на частотах ШИМ меньше в 4 раза (в 7-уровневом мосте амплитуда пульсаций меньше в 6 раз), в несколько раз меньше динамические потери энергии в полупроводниковых элементах. При этом обеспечиваются возможности повышения частоты ШИМ, например до 20 кГц.Частоты пульсаций напряжений сети соответствуют частотам переключения транзисторов. На частотах ШИМ и выше активный фильтр является генератором гармоник, и для их подавления используются RC-цепи.Достоинством многоуровневых преобразователей является возможность их выполнения высоковольтными без трансформаторов. Токовые нагрузки конденсаторов в многоуровневом преобразователе выше, чем в многотактном. При практическом применении должен быть решен вопрос равномерного распределения напряжений между последовательно включенными конденсаторами.Рисунок 40 – Схема многоуровневого активного фильтраКаскадные фильтрыЕще одно направление разработки активных фильтров – системы с каскадными преобразователями, или так называемые системы с «плавающими» конденсаторами. Одна из возможных схем такого фильтра представлена на рисунке 41.Активный фильтр содержит полупроводниковый преобразователь, в каждой фазе которого несколько низковольтных однофазных преобразователей соединены последовательно, образуя высоковольтный преобразователь, который может быть подключен непосредственно к электросети. Каждый однофазный преобразователь работает в режиме ШИМ и обеспечивает поддержание заданного напряжения на своей конденсаторной батарее. Кроме этого, путем регулирования напряжений управления обеспечивается фильтрация токов и напряжений сети. По свойствам активные фильтры с «плавающими» конденсаторами близки к фильтрам с многоуровневыми преобразователями.Рисунок 41- Схема активного фильтра с «плавающими» конденсаторамиПрактические примеры фильтрацииВ качестве примера рассмотрим возможности фильтрации токов, потребляемых из сети 12-пульсным тиристорным преобразователем ТПЧ2-6-03 привода вентилятора главного проветривания рудника «Северный Глубокий» [4, 5], который представлен на рисунке 42. Мощность привода 3,7 МВт, напряжение сети 6 кВ, частота 50 Гц.Рисунок 42 - Схема активной фильтрации токов сети в приводе вентилятораСхема фильтрации представлена на рисунке 43. Выпрямительные мосты преобразователя вентилятора подключены к электросети через трансформаторы Tr1 и Tr2, через которые привод вентилятора потребляет из сети токи Iv1, Iv2, Iv3. (. Для фильтрации токов сети использован активный фильтр, который содержит трех-уровневый транзисторный мост, подключенный к сети через трансформатор Tr3. Система управления выделяет из токов ivn привода вентилятора неосновные гармонические составляющие и обеспечивает формирование активным выпрямителем таких же гармонических составляющих токов itn (n = 1, 2, 3), но в противофазе.Рисунок 43- Токи преобразователя вентилятора и активного фильтраВ результате в сети осуществляется взаимная компенсация высших гармонических составляющих токов привода вентилятора и активного фильтра и токи сети isn приближаются по форме к синусоиде. В рассматриваемом случае мощность активного фильтра 550 кВА (15% от мощности привода вентилятора). Частота ШИМ активного фильтра 8 кГц. После включения фильтрации коэффициент искажения синусоидальности токов сети уменьшился в 4,5 раза. В модели системы учтены особенности привода вентилятора в соответствии с [4, 5]. В том числе учтены неточности регулирования выпрямленных напряжений тиристорных мостов, неточности распределения токов между мостами. Указанные погрешности системы отражаются на неполной компенсации в токах, потребляемых 12-пульсным выпрямителем, 5-й, 7-й, а также ряда других гармонических составляющих.Активные фильтры, в отличие от резонансных, подавляют все неосновные составляющие токов в определенном диапазоне частот, в том числе указанные канонические, а также неканонические и низкочастотные составляющие.Имитационная модель реальной системы электропривода мостового однобалочного электрического крана с активным фильтром гармоник представлена на рисунке 6. Модель включает:векторную систему регулирования скорости;анализатор гармоник (Workspace);измерители напряжения и тока (Three Phase V-I Measurements);трехфазное устройство включения и выключения переменного тока (Three-Phase Breaker);трехфазный источник переменного тока (3-Phase Sources);Three-phase Reduce Transformer – понижающиетрансформаторы;Three-phase Matching Transformer – согласующийтрансформатор, Active Filter - активныйфильтргармоник;полупроводниковые преобразователи частоты, состоящие из выпрямителя с промежуточным звеном постоянного тока (Universal Bridge and Intermediate link DC) и инвертора (Rectifler);асинхронных электродвигателей (Induction motor);блок Powergui, установлен для исследования спектрального состава напряжений и токов нагрузки в различных точках схемы электроснабжения.Имитационная модель СУ АФГ, построенная по принципу мгновенной мощности, представлена на рисунке 44:Рисунок 44 - СУ АФГ, построенной с применением теории мгновенной мощности.В состав СУ АФГ, построенной с применением теории мгновенной мощности, входят следующие элементы:инвертор, построенный на IGBT – транзисторах (Universal Bridge) [78];емкостной накопитель (Series RLC Branch, где С0);индуктивная составляющая на входе инвертора (Series RLC Branch, где L0);блок сравнения величин токов (Hist control);блок мультиплексора (Mux);блок выделения тока компенсации (Impulse creator).Для построения такой системы управления необходимо подключение трех датчиков тока 8, 9, 10 на каждую фазу общей секции шин и одного датчика тока 7 в промежуточном звене постоянного тока. Далее в блоке Impulse Creator, представленном на рисунке 45,происходит выделение текущего значения тока компенсации, путем дискретного преобразования в ряд Фурье значений каждого тока нагрузки и наложение каждого сигнала на синусоиду для получения общего тока искажения (тока компенсации). Затем происходит сравнение двух входных величин в блоке Hist Control – полученного значения компенсирующего тока фильтра с текущим значением тока на общей секции шин. Далее выделяется необходимая величина тока компенсации, являющаяся управляющим воздействием на релейный регулятор, реализующий управление ключами инвертора для компенсации высших гармонических составляющих токов и напряжений (блок Hist Control).Рисунок 45 - Блок выделения тока компенсации Impulse CreatorБлок Impulse Creator состоит из следующих элементов:блок дискретного преобразования тока нагрузки в ряд Фурье (Discrete Fourier) источник синусоидального сигнала (Sine wave);блок вычисления произвдения значений текущих сигналов (Product);концевой приемник (Terminator).Блок Hist Control, представленный на рисунке 46, состоит из следующих элементов:блок вычисления суммы текущих значений сигналов (Sum);блок, реализующий релейную нелинейность (Relay), включает в себя следующие параметры:Switch on point - Порог включения. Значение, при котором происходит включение реле.Switch off point - Порог выключения. Значение, при котором происходит выключение реле.Output when on - Величина выходного сигнала во включенном состоянии.Output when off - Величина выходного сигнала в выключенном состоянии.Рисунок 46 - Блок управления инвертором Hist Control.Как видно из результатов моделирования, использование стандартной СУ АФГ эффективно для компенсации суммарного коэффициента высших гармонических составляющих напряжения (THD = 2.11 % и THD = 2.28 % в одном случае и THD = 4,92 % и THD = 5.28 % в другом). Однако компенсация высших гармонических составляющих тока недостаточная, так как THD = 11,02% и THD = 11,23%. На отрезке времени от 50 до 100 секунд и THD = 12,77 % и THD = 14,6 % на отрезке времени от 150 до 200 секунд.Выводы1. В отличие от резонансных фильтров, активные фильтры подавляют все неосновные составляющие токов сетей в определенном диапазоне частот, в том числе неканонические и низкочастотные составляющие.2. Активные фильтры являются многофункциональными устройствами и, кроме фильтрации токов и напряжений электросетей, могут обеспечивать компенсацию реактивной мощности и симметрирование трехфазных систем токов и напряжений.3. Активные фильтры могут быть выполнены многотактными, многоуровневыми, каскадными. Многообразие исполнений фильтров, широкие возможности формирования их параметров позволяют при современной элементной базе синтезироватьактивные фильтры с высокими технико-экономическими показателями для использования их в промышленных электросетях и электроприводах.Для снижения величины коэффициента гармонических состаляющих тока до уровня менее 10% используют 12-полупериодные (12-ти пульсные) выпрямители. Они составляются из двух шестифазных выпрямителей (m=6), собранных по трехфазной мостовой схеме, по выходу включены последовательно и работают на общую нагрузку. Для повышения частоты пульсации выходного напряжения в 2 раза (mэкв=12) выпрямительные блоки должны работать с фазовым сдвигом =2/12. необходимый фазовый сдвиг получается при использовании трансформатора с двумя группами вторичных обмоток, каждая из которых питает исходную схему с шестикратной пульсацией:Сбалансированные гармоники, кратные третьей, наводят соответствующие магнитные потоки в стержнях сердечника трансформатора и, если они равны по величине и совпадают по фазе, то напряжения, наведенные в первичной обмотке, будут скомпенсированы. Кроме этого любой трансформатор имеет индуктивность рассеяния, которая добавляется к существующему полному входному сопротивлению распределительной сети. В связи с этим происходит эффект уменьшения коэффициента амплитуды тока нагрузки и суммарного значения коэффициента гармонических составляющих тока.Однако в таком режиме работы искажение напряжения увеличивается, а достигаемое максимальное значение напряжения постоянного тока для питания инвертора преобразователя снижается.4) Использование фильтров компенсации высших гармоник.Особое значение имеют фильтры, устанавливаемые на входе преобразователя. Шестипульсные выпрямители, применяемые в трехфазных преобразователях, создают высокий уровень пятой гармоники тока в питающей сети. Для снижения гармонического состава потребляемого тока и повышения коэффициента мощности системы в фазные провода включают индуктивные сопротивления (дроссели). Повышением эффективности подавления высших гармоник тока является включение входного фильтра, настроенного на пятую гармонику.Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических составляющих в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок [18].Одним из наиболее эффективных примеров такого оборудования являются фильтрокомпенсирующие устройства.В свою очередь по наличию активных элементов различают пассивные, активные и гибридные фильтры.В качестве пассивных фильтров широко применяются LC-фильтры, т.е. цепи, содержащие реактивности разных знаков. Благодаря резонансным явлениям в таких цепях выделяются колебания, находящиеся в полосе пропускания. Однако для формирования необходимых частотных характеристик эти фильтры должны содержать и резисторы. Обычно при подобном построении фильтра отказываются от применения индуктивности, которая является более габаритным и дорогим и менее стабильным элементом по сравнению с емкостью. Таким образом, получаются RCфильтры. Стоит отметить, что пассивные фильтры гармоник эффективны, для компенсации гармонических искажений, создаваемых нелинейными электроприемниками, с практически неизменным режимом работы.Пассивные фильтры обладают рядом недостатков: возможность перекомпенсации при мощности потребителя ниже установленной и недокомпенсации при увеличении потребляемой мощности выше номинального значения, т.е. применение пассивных фильтров ограничено и эффективно при стационарной нагрузке. Также к недостаткам можно отнести большую потребляемую мощность и высокие массогабаритные показатели..К гибридным фильтрам можно отнести СТАТКОМ [19], который представляет собой электронный генератор электродвижущей силы промышленной частоты, регулируемой по амплитуде и обеспечивающей как выдачу, так и потребление реактивной мощности. Устройство выполнено на принципе преобразования напряжения, при использовании высокочастотного широтно-импульсного управления. Схема СТАТКОМ представлена на рис.1.6.Возможность использования СТАТКОМ для компенсации высших гармонических составляющих тока и напряжения в сети переменного тока связана с его способностью к работе в качестве электронного генератора напряжения заданной фазы и амплитуды.Поскольку СТАТКОМ контролирует токи на реактивном сопротивлении фазного реактора (или фазного реактора и трансформатора), то задача компенсации высших гармонических составляющих тока и напряжения в сети с помощью СТАТКОМ сводится к созданию в фазах реактора и в фазах сетевого трансформатора такого тока, который бы содержал компенсационные составляющие высших гармоник. Амплитуды, фазы и последовательности этих гармоник определяются амплитудами, фазами и последовательностью постороннего источника гармоник сетевого тока или напряжения, подлежащих компенсации.Активные фильтры гармоник в отличие от пассивных фильтров содержат элементы управления, позволяющие изменять частотные характеристики фильтра. Однако элементная база до недавнего времени не позволяла создавать активные фильтры для компенсации высших гармонических составляющих тока и напряжения. Развитие силовой электроники: GTO-тиристоров, IGВТ-транзисторов, определило элементную базу, являющуюся основой для построения активных фильтров гармоник..Активные фильтры гармоник (АФГ) предназначены для обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого от первичного источника при нелинейной нагрузке [17]. АФГ анализирует гармонический состав тока на входе преобразователя и генерирует в точке его подключения высшие гармоники тока в противофазе с высшими гармониками входного тока преобразователя. В результате высшие гармоники компенсируются (нейтрализуются) и ток в общей цепи (потребляемый от источника) сохраняет синусоидальную форму.Рис. 1.6. Принципиальная схема СТАТКОМ Принцип работы активного фильтра заключается в том, что система управления анализирует гармонический состав потребляемого тока, выделяет основную гармонику и ток искажения. Затем активный фильтр инжектирует в сеть ток, находящийся в противофазе с током искажения.Широкие возможности функциональных свойств активного фильтра позволяет применять его не только для снижения уровня гармоник, но и для компенсации реактивной мощности.Таким образом, в результате анализа работ, посвященных электромагнитной совместимости в цеховых системах электроснабжения с электроприемниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками, целесообразным перспективным техническим средством является активный фильтр гармоник.Произведен расчет параметров и выбор стандартного АФГ типа 1.MaxSine 100A-3L с установленной полной мощностью 70 кВА и током 100 А с емкостным накопителем для установки в цеховой системе электроснабжения с электроприемниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками на примере крановых механизмов.2. Результаты имитационного моделирования цеховой системе электроснабжения с электроприемниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками с применением АФГ с СУ, построенной на базе нечеткой логики показывают, что уровень высших гармоник значительно снижается на всем интервале цикла работы крановых механизмов. При этом эффективность обеспечения ЭМС намного выше, чем при использовании АФГ со стандартной СУ.3. Разработаны алгоритм и исходный код программы управления нечетким регулятором СУ АФГ, который позволяет аналитически реализовать фаззи-регулятор на базе контроллера. При сравнении результатов имитационного моделирования в среде Matlab и программирования фаззи-регулятора получена хорошая сходимость выходных сигналов. Это подтверждает правильность реализации алгоритма управления фаззи – регулятором.Выводы:Произведен расчет параметров и выбор стандартного АФГ типа 1.MaxSine 100A-3L с установленной полной мощностью 70 кВА и током 100 А с емкостным накопителем для установки в цеховой системе электроснабжения с электроприемниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками на примере крановых механизмов.2. Результаты имитационного моделирования цеховой системе электроснабжения с электроприемниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками с применением АФГ с СУ, построенной на базе нечеткой логики показывают, что уровень высших гармоник значительно снижается на всем интервале цикла работы крановых механизмов. При этом эффективность обеспечения ЭМС намного выше, чем при использовании АФГ со стандартной СУ.3. Разработаны алгоритм и исходный код программы управления нечетким регулятором СУ АФГ, который позволяет аналитически реализовать фаззи-регулятор на базе контроллера. При сравнении результатов имитационного моделирования в среде Matlab и программирования фаззи-регулятора получена хорошая сходимость выходных сигналов. Это подтверждает правильность реализации алгоритма управления фаззи – регулятором.4. Произведена экономическая оценка эффективности установки АФГ с СУ на базе нечеткой логики для обеспечения ЭМС в цеховой системе электроснабжения с электроприемниками с нелинейными вольт-амперными характеристиками на примере крановых механизмов, при этом срок окупаемости такой установки не превышает 1.8 года.ЗаключениеВопрос о реальных сетях, с присутствующими искажениями основной частоты 50 Гц гармониками. Было высказано предложение просимулировать в протеусе данную ситуацию. Схема протеуса конечно, не реальная картина на производстве, но показывает, что если сигнал основной частоты искажен гармониками небольшой амплитуды, то RC фильтр хорошо выделяет основную частоту и нормализует синус.демонстрирующее работу фильтра с сигналом, искаженным гармониками.1. Проанализированы особенности работы электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками, на примере крановых механизмов, как источника генерирования в цеховую систему электроснабжения высших гармоник тока и напряжения. Выявлено, что уровень гармоник зависит от работы крановых механизмов в динамических режимах, которые могут составлять до 60% за 1 цикл технологических операций крана.2. Экспериментально, имитационно и аналитически подтверждено наличие высших гармонических составляющих тока и напряжения в цеховой системе электроснабжения, к которой подключены электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой (на примере однобалочного мостового крана). При этом уровень электромагнитной совместимости не соответствует требованию стандарта.3. Обосновано применение АФГ для компенсации высших гармонических составляющих тока и напряжения в цеховой системе электроснабжения с подключением электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками как технического решения, для обеспечения нормируемого уровня ЭМС.4. Разработана и программно реализована методика построения системы управления АФГ на базе нечеткого вывода. При этом, определены входные и выходная лингвистические переменные, сформирована база правил на основании математической статистки и экспертных оценок. Применение АФГ с системой управления на базе нечеткой логики позволяет в полной мере эффективно решить проблему ЭМС в цеховой системе электроснабжения, к которой подключены электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой и придает разработанной методике научную и практическую ценность.5. Сформирован алгоритм для аналитического расчета функций принадлежностей входных и выходной лингвистических переменных нечеткого регулятора (фаззи-регулятор) в виде алгоритмов и программного кода для контроллера в СУ АФГ.6. Использование СУ АФГ, построенной на базе нечеткой логики позволяет сократить число датчиков тока до одного в любой фазе системы электроснабжения крановых механизмов, что повышает помехозащищенность измерительной информации и одновременно снижает стоимость установки АФГ.Список литературы1. Дайновский Р.А. и др. Исследование режимов работы СТАТКОМ, выполненного на базе трехуровневого преобразователя напряжения // VІІ симпозиум «Электротехника 2010». – М.: ТРАВЭК, 2003.2. Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / Под общей редакцией д. т. н., проф. Р.Т. Шрейнера. – Новоуральск: Изд. НГТИ, 2001. – 250 с.3. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет). – СПб.: ОАО «Электросила», 2003. – 172 с.4. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А.П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение). – СПб: «Силовые машины», «Электросила», 2004. – 252 с.5. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Активная фильтрация напряжений и токов сети в установках с высоковольтными тиристорными преобразователями // Сб. «Горноеоборудованиеиэлектромеханика». – 2005. – № 5. – С. 41–45.