• Регистрация
K220
K2200.00
н/д
  • Написать
  • Подписаться

Применение активных фильтров для снижения несинусоидальности тока

На современном этапе развития отечественной энергетики стоит вопрос перехода к энергосберегающим технологиям. Это особенно важно в сельскохозяйственном производстве, так как обусловлено возрастающим электропотреблением развивающихся сельскохозяйственных потребителей [1- 3].

Снижение потерь электрической энергии при электроснабжении сельского хозяйства - большая комплексная задача. С ней тесно связаны задачи повышения качества электроэнергии и надежности электроснабжения. Причиной несинусоидальности тока (напряжения) является оборудование с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Несинусоидальность тока (напряжения) приводит к росту потерь электрической энергии.

Основная доля потерь электрической энергии в сельских сетях приходится на электрические линии и трансформаторы. В практических расчетах учитывают потери только в этих элементах сетей. При росте электрической нагрузки в электрической сети возрастают потери электрической энергии. По опубликованным данным [4, 5] потери электрической энергии в действующих сетях сельскохозяйственного назначения напряжением 0,4 кВ составляют 31...33%, а с учетом потерь электроэнергии в трансформаторах 10/0,4 кВ потребительских подстанций (ТП) они достигают 50..55% от общих потерь.

В результате ухудшения качества электроснабжения происходит снижение основных показателей сельскохозяйственного производства: снижение объемов или качества выпускаемой продукции.

Наиболее перспективным является применение многофункциональных устройств, способных влиять сразу на несколько показателей качества электрической энергии: снижать несинусоидальность напряжения, компенсировать реактивную мощность, симметрировать напряжение в трехфазной сети. В большинстве случаев для этих целей используют активные фильтры, построенные, например, на модулях IGBT [6]. Схема активного фильтра с многотактным преобразователем представлена на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1. Схема многотактного активного фильтра

 

Активный фильтр содержит многообмоточный трансформатор Тr, несколько транзисторных мостовых выпрямительных мостов, работающих совместно с общей конденсаторной батареей C, и трехфазную RC-цепь, подключенную к электросети. Управление транзисторными мостами в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется путем сравнения пилообразных опорных напряжений с трехфазной системой напряжений управления. 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 32144-2013 – 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.

Другое направление развития силовой преобразовательной техники – разработка активных фильтров с многоуровневыми полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 2 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 [6]. 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.

 

 

Рисунок 2. Схема многоуровневого активного фильтра

В любой 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.

Еще 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 3.

 

Рисунок 3. Схема активного фильтра с «плавающими» конденсаторами

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 4. Схема активной фильтрации токов сети в приводе двигателя

В качестве примера рассмотрим возможности фильтрации токов, потребляемых из сети 12-пульсным тиристорным преобразователем ТПЧ2-6-03 привода двигателя. Мощность привода 3,7 МВт, напряжение сети 6 кВ, частота 50 Гц. Схема фильтрации представлена на рисунке 4. Выпрямительные мосты преобразователя двигателя подключены к электросети через трансформаторы Tr1 и Tr2, через которые привод двигателя 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 двигателя неосновные гармонические составляющие и обеспечивает формирование активным выпрямителем таких же гармонических составляющих токов itn (n = 1, 2, 3), но в противофазе.

В результате в сети осуществляется взаимная компенсация высших гармонических составляющих токов привода двигателя и активного фильтра и токи сети isn приближаются по форме к синусоиде.

Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и т.п. оборудования. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, можно имитировать работу устройств во временной области и выполнять различные виды анализа таких устройств.

Рассмотрим модель компенсации высших гармонических составляющих с использованием основного LC-фильтра (рисунок 5) и без него.

 

Рисунок 5. Модель компенсации высших гармонических составляющих

1.     3-х фазный источник.   2. Трансформатор.

3.  Выпрямитель. Реализован на основе универсального моста (диоды).

4.  Генератор ШИМ импульсов.  5. LC – фильтр.

6.     Инвертор на IGBT транзисторах.  7. Основной LC – фильтр.

  1. Асинхронный двигатель.

Рисунок 6.  Вид основного LC фильтра

 

Рисунок 7. Вид трехфазных выходных напряжений и токов с основным LC фильтром

Рисунок 8. Вид трехфазных выходных напряжений и токов без основного LC  фильтра

 

В рассматриваемом случае мощность активного фильтра 550 кВА (15% от мощности привода двигателя). Частота ШИМ активного фильтра 8 кГц. После включения фильтрации коэффициент искажения синусоидальности токов сети уменьшился в 4,5 раза. 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.

В отличие от резонансных фильтров, активные фильтры подавляют все неосновные составляющие токов сетей в определенном диапазоне частот, в том числе неканонические и низкочастотные составляющие.

Рисунок 9. Осциллограмма токов статора

 

Рисунок 10. Осциллограмма токов статора без основного LC фильтра

 

Рисунок 11. Осциллограмма напряжений

Активные фильтры являются многофункциональными устройствами и, кроме фильтрации токов и напряжений электросетей, могут обеспечивать компенсацию реактивной мощности и симметрирование трехфазных систем токов и напряжений. Активные фильтры могут быть выполнены многотактными, многоуровневыми, каскадными. Многообразие исполнений фильтров, широкие возможности формирования их параметров позволяют при современной элементной базе синтезировать активные фильтры с высокими технико-экономическими показателями для использования их в промышленных электросетях и электроприводах.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Бородин И.Ф. Потери электроэнергии в сельских сетях и пути их
снижения. И.Ф. Бородин, А.П. Сердешнов. Техника в сельском
хозяйстве. - 2002. - № 1. - С. 23-26

2.     Будзко И.А. Электроснабжение сельского хозяйства. И.А. Будзко, Т.Б.
Лещинская, В.Н. Сукманов. - М.: Колос, 2000. - 560 с.

3.   АлпатоваО.В., Вертуганов М.Ф. Основные причины возникновения потерь в сельских сетях. В сборнике трудов VII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов: в 2 томах «Проблемы автоматизации, региональное управление, связь и автоматика (ПАРУСА-2018). С.104-111.

4.    Воротницкий В.Э. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем.  В.Э. Воротницкий, Ю.С. Железко, В.Н. Казанцев и др. Под ред. В.Н. Казанцева. - М: Энергоатомиздат, 1983. - 368 с.

5. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электрической энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 224 с.

6.     Косоухов Ф.Д. Анализ показателей несимметрии и потерь мощности и
 
напряжения в сельских распределительных сетях 0,38 кВ. Методы и
 средства повышения надежности электроснабжения, улучшения
 
качества электроэнергии и снижения потерь ее в электрических   сетях сельских районов: Сб. научных трудов ЛСХИ. - Л.: ЛСХИ, 1987. - С. 25-40.

 

 

Теги

    04.12.2019

    Комментарии