УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК, АДАПТИРОВАННОЕ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H02J3/01 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях. Устройство может быть использовано в мощных регулируемых электроприводах переменного тока с двухзвенными преобразователями частоты, в которых входной диодный выпрямитель является нелинейной нагрузкой.

Известно устройство для управления активным фильтром [патент JP №3125354, дата приоритета: 27.09.1991], содержащее сумматор, регуляторы напряжения и тока, генератор, компаратор и вычислительную схему. Сумматор складывает выходной сигнал регулятора напряжения с напряжением сети; генератор вырабатывает опорный фазовый сигнал в результате контроля нулевого уровня выходного сигнала сумматора компаратором. Полученный в результате опорный фазовый сигнал поступает в вычислительную схему. Основная составляющая выходного тока источника питания определяется вычислительной схемой, после чего определяется разность между фактическим током сети и вычисленной основной гармоникой.

Выходной сигнал регулятора напряжения, поддерживающего напряжение на стороне постоянного тока преобразователя равным заданной величине, умножается на выходное напряжение источника питания переменного тока, в результате чего определяется сигнал задания по переменному току. Полученный сигнал алгебраически суммируется с разностью между фактическим током сети и вычисленной основной составляющей со знаком, соответствующим компенсации потерь в инверторе.

Недостатком устройства является невозможность регулятором тока формировать, помимо задания на ток компенсации высших гармоник тока и напряжения, задание на компенсацию реактивной мощности в условиях динамичного режима работы нелинейной нагрузки. Также устройство может работать только с отдельным звеном постоянного тока.

Известен активный фильтр высших гармонических составляющих токов и устройство коррекции коэффициента мощности [патент US №5977660, дата приоритета: 08.08.1997], содержащее инвертор, контроллер, накопительные конденсаторы и выходной пассивный сглаживающий фильтр. Контроллер выполняет процедуру прогноза тока в следующий промежуток времени с целью уменьшения создаваемой нагрузкой разницы фаз между током и напряжением сети. Управляющая процедура выполняет интегрирование разницы между реальными токами в линии и их требуемыми значениями в эквивалентные промежутки времени на различных циклах переменного тока основной частоты. Интегральные величины можно комбинировать с пропорционально регулируемыми разностными токами для снижения или полной компенсации гармонических токов. Процедура балансировки токов позволяет активному фильтру выравнивать токи в многофазных силовых линиях. Все эти процедуры можно использовать как по отдельности, так и вместе.

Недостатки данного устройства заключаются в применении алгоритма ШИМ-модуляции напряжения активного фильтра, усложняющего систему управления и необходимость использования отдельного звена постоянного тока активного фильтра.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети, содержащее инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий пассивный фильтр и контроллер системы управления, контроллер системы управления снабжен датчиком тока фильтра, датчиком тока сети, датчиком напряжения, формирователем импульсов на основе релейных регуляторов с изменяемой шириной гистерезиса, фазовыми преобразователями тока и напряжения, блоком фазовой синхронизации, регулятором напряжения накопительного конденсатора, причем вход датчика тока сети соединен с зажимами питающей сети, вход датчика тока фильтра соединен с зажимами линии, питающей выходной сглаживающий пассивный фильтр и инвертор, вход датчика напряжения соединен с зажимами питающей сети, выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора, вход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединен с зажимами накопительного конденсатора, выход датчика тока сети соединен с входом формирователя импульсов, выход датчика тока фильтра соединен с входом формирователя импульсов, выход датчика тока сети соединен с входом регулятора напряжения накопительного конденсатора, выход датчика напряжения соединен с входом фазового преобразователя напряжения, выход фазового преобразователя напряжения соединен с входом блока фазовой синхронизации, выход блока фазовой синхронизации соединен с входом фазового преобразователя тока, выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединен с входом фазового преобразователя тока, выход фазового преобразователя тока и выход регулятора напряжения накопительного конденсатора соединены с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входами драйверов управления силовыми ключами инвертора [патент RU №2446536, дата подачи заявки: 30.11.2010, опубликовано 27.03.2012, Бюл. №9].

Недостатки данного устройства, при использовании совместно с регулируемым электроприводом переменного тока, заключаются в необходимости применения отдельного звена постоянного тока устройства компенсации и отдельной конденсаторной батареи в нем, а также в использовании фазовых преобразований напряжения и тока сети, усложняющих систему управления.

Цель изобретения - повышение надежности, улучшение массогабаритных показателей, а также упрощение системы управления активных фильтров высших гармоник тока. Предлагаемое устройство позволяет совместить звено постоянного тока преобразователя частоты и звено постоянного тока активного фильтра высших гармоник.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве компенсации высших гармоник, содержащем инвертор, повышающий трансформатор и контроллер системы управления, зажим «+» звена постоянного тока инвертора устройства компенсации подключен через датчик постоянного тока устройства компенсации к зажиму «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «-» устройства компенсации подключен к зажиму «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен через датчик постоянного тока преобразователя частоты к первой обкладке накопительного конденсатора, зажим «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен ко второй обкладке накопительного конденсатора, выход инвертора устройства компенсации подключен к обмотке высшего напряжения повышающего трансформатора, обмотка низшего напряжения повышающего трансформатора подключена через датчик переменного тока устройства компенсации к сети, вход неуправляемого выпрямителя подключен через датчик переменного тока преобразователя частоты к сети, вход датчика напряжения сети соединен с зажимами питающей сети, выход датчика напряжения сети подключен к входу блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети подключен к первому входу блока умножения, выход датчика постоянного тока преобразователя частоты подключен к входу первого блока вычисления среднего значения, выход первого блока вычисления среднего значения подключен во входу блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, выход блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты подключен к первому входу сумматора, выход датчика постоянного тока устройства компенсации подключен во входу второго блока вычисления среднего значения, выход второго блока вычисления среднего значения подключен ко второму входу ПИ-регулятора, на первый вход ПИ-регулятора подается ноль, выход ПИ-регулятора подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора подключен ко второму входу блока умножения, выход блока умножения подключен к первому входу блока вычитания, ко второму входу блока вычитания подключен выход датчика переменного тока преобразователя частоты, выход блока вычитания подключен к первому входу блока релейных регуляторов, ко второму входу блока релейных регуляторов подключен выход датчика переменного тока устройства компенсации, выход блока релейных регуляторов подключен к входам драйверов управления силовыми ключами инвертора устройства компенсации.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структура устройства, а на фиг.2 - осциллограммы токов. На фиг.1: 1 - двигатель переменного тока; 2 - инвертор преобразователя частоты; 3 - накопительный конденсатор; 4 - неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты; 5 - инвертор устройства компенсации; 6 - повышающий трансформатор; 7 - датчик постоянного тока преобразователя частоты; 8 - датчик постоянного тока устройства компенсации; 9 - датчик переменного тока преобразователя частоты; 10 - датчик переменного тока устройства компенсации; 11 - датчик напряжения сети; 12 - первый блок вычисления среднего значения; 13 - второй блок вычисления среднего значения; 14 - блок расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты; 15 - ПИ-регулятор; 16 - сумматор; 17 - блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети; 18 - блок умножения, 19 - блок вычитания; 20 - блок релейных регуляторов. На фиг.2: I_nl - трехфазный переменный ток преобразователя частоты с выхода датчика тока 9; I_f- трехфазный переменный ток устройства компенсации с выхода датчика тока 10; I₁ - суммарный трехфазный ток сети.

Устройство компенсации высших гармоник работает следующим образом. Блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети 17 на основе сигналов напряжений фаз сети u_1A, u_1B, u_1C, снятых с датчика напряжения 11, вычисляет синусы мгновенных фазовых углов напряжения сети по следующим формулам:

$$\{\begin{array}{l}\sin (2\pi f_1\cdot t)=\frac{\sqrt{3}{u}_{1A}}{2\sqrt{u_{1A}^2+u_{1B}^2+u_{1A}{u}_{1B}}};\\ \sin (2\pi f_1\cdot t+\raisebox{1ex}{$2\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.)=\frac{\sqrt{3}{u}_{1B}}{2\sqrt{u_{1A}^2+u_{1B}^2+u_{1A}{u}_{1B}}};\left(1\right)\\ \sin (2\pi f_1\cdot t-\raisebox{1ex}{$2\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.)=\frac{\sqrt{3}{u}_{1C}}{2\sqrt{u_{1A}^2+u_{1B}^2+u_{1A}{u}_{1B}}},\end{array}$$

где f₁ - частота напряжения сети; t - текущее время.

В блоке умножения 18 синусы мгновенных фазовых углов напряжения сети умножаются на заданную амплитуду тока сети $$I_{1m}^{*}$$ , формируя задание на мгновенные значения фазных токов сети $$I_{1A}^{*}$$ , $$I_{1B}^{*}$$ , $$I_{1C}^{*}$$ , по формулам:

$$\{\begin{array}{l}{i}_{1A}^{*}=I_{1m}^{*}\sin (2\pi f_1\cdot t);\\ i_{1B}^{*}=I_{1m}^{*}\sin (2\pi f_1\cdot t+\raisebox{1ex}{$2\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.)\\ i_{1C}^{*}=I_{1m}^{*}\sin (2\pi f_1\cdot t-\raisebox{1ex}{$2\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.).\end{array};\left(2\right)$$

Таким образом, заданный ток сети совпадает по фазе с напряжением сети, что означает поддержание устройством единичного коэффициента мощности, потребляемой электроприводом.

Сигналы постоянного тока преобразователя частоты I_d и постоянного тока устройства компенсации I_df, снимаемые с датчиков токов 7 и 8 соответственно, имеют пульсации, обусловленные постоянным обменом мощности между инвертором устройства компенсации 5 и накопительным конденсатором 3. Поэтому указанные сигналы усредняются за некоторый промежуток времени T_k в блоках 12, 13 по формулам:

$$\{\begin{array}{l}{I}_{dcp}=\frac{1}{T_k}{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_k}{\int }}{I}_d\cdot dt;}\\ I_{dfcp}=\frac{1}{T_k}{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_k}{\int }}{I}_{df}\cdot dt,}\end{array}\left(3\right)$$

где I_dcp, I_dfcp - усредненные значения токов преобразователя частоты и устройства компенсации соответственно.

В блоке расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты 14 вычисляется предварительное задание на амплитуду тока сети $$I_{1mp}^{*}$$ по формуле:

$$I_{1mp}^{*}=\sqrt{2}{k}_{cx}{I}_{dcp},\left(4\right)$$

где k_cx=0,816 - коэффициент выпрямления по току трехфазной мостовой схемы.

Однако использование предварительного задания на амплитуду тока сети $$I_{1mp}^{*}$$ в качестве основного задания на амплитуду тока сети $$I_{1mp}^{*}$$ приводит к частичному потреблению активной мощности электропривода через инвертор устройства компенсации. Это связано с тем, что формула (4) вычисляет требуемую амплитуду тока сети $$I_{1mp}^{*}$$ приблизительно, не учитывая гармонический состав тока сети, потери в неуправляемом выпрямителе 4 и т.д. В результате ток через инвертор устройства компенсации возрастает, что приводит к необходимости завышать мощность инвертора.

Минимизация тока инвертора устройства компенсации осуществляется с помощью ПИ-регулятора 15. ПИ-регулятор корректирует предварительное задание на амплитуду тока сети $$I_{1mp}^{*}$$ с помощью сумматора 16 таким образом, чтобы усредненное значение постоянного тока устройства компенсации I_dfcp равнялось нулю. В этом случае потребление активной мощности электропривода через инвертор устройства компенсации отсутствует.

Задание на трехфазный переменный ток устройства компенсации $$I_f^{*}$$ вычисляется по формуле:

$$I_f^{*}=I_{nl}-I_1^{*},\left(5\right)$$

где $$I_1^{*}$$ - задание на трехфазный ток сети с выхода блока 18; I_nl - трехфазный переменный ток преобразователя частоты с выхода датчика тока 9.

Поддержание заданного тока устройства компенсации I*_f осуществляется с помощью блока релейных регуляторов 20. Блок релейных регуляторов содержит в себе три релейных регулятора токов фаз устройства компенсации. В них вычисляются разницы между заданными и фактическими значениями мгновенных фазных токов устройства компенсации Δi_fA, Δi_fB, Δi_fC по формуле:

$$\{\begin{array}{l}\Delta i_{fA}=i_{fA}^{*}-i_{fA};\\ \Delta i_{fB}=i_{fB}^{*}-i_{fB};\\ \Delta i_{fC}=i_{fC}^{*}-i_{fC},\end{array}\left(6\right)$$

где $$i_{fA}^{*}$$ , $$i_{fB}^{*}$$ , $$i_{fC}^{*}$$ - задания на мгновенные фазные токи устройства компенсации; i_fA, i_fB, i_fC - фактические значения мгновенных фазных токов устройства компенсации.

Состояние выходов релейных регуляторов Q_A, Q_B, Q_C определяется по следующему алгоритму:

$$\{\begin{array}{l}{Q}_A=\mathrm{1,}если\Delta i_{fA}\ge h/2;Q_A=\mathrm{0,}если\Delta i_{fA}\le -h/2;\\ Q_B=\mathrm{1,}если\Delta i_{fB}\ge h/2;Q_B=\mathrm{0,}если\Delta i_{fB}\le -h/2;\\ Q_C=\mathrm{1,}если\Delta i_{fC}\ge h/2;Q_C=\mathrm{0,}если\Delta i_{fC}\le -h/\mathrm{2,}\end{array}\left(7\right)$$ ,

где h - зона гистерезиса, задаваемая равной 5…10% от номинального тока инвертора устройства компенсации.

Выходы релейных регуляторов подключены к входам драйверов ключей инвертора устройства компенсации. Выход релейного регулятора каждой фазы управляет сразу двумя ключами, находящимися в одном плече инвертора устройства компенсации, причем состояния этих двух ключей всегда противоположны: если один открыт, то другой закрыт.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет компенсировать высшие гармоники тока сети, потребляемые регулируемым электроприводом с двухзвенным преобразователем частоты, используя более простую схему с общим звеном постоянного тока и меньшим числом математических операций в системе управления.

Изобретение относится к области электротехники, к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и может быть использовано в мощных регулируемых электроприводах переменного тока с двухзвенными преобразователями частоты, в которых входной диодный выпрямитель является нелинейной нагрузкой. Устройство компенсации содержит инвертор, повышающий трансформатор, датчик постоянного тока преобразователя частоты, датчик постоянного тока устройства компенсации, датчик переменного тока преобразователя частоты, датчик переменного тока устройства компенсации, датчик напряжения сети, блок вычисления среднего значения постоянного тока устройства компенсации, блок вычисления среднего значения постоянного тока преобразователя частоты, блок расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, ПИ-регулятор, сумматор, блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, блок умножения, блок вычитания, блок релейных регуляторов. Технический результат - повышение надежности. Устройство позволяет совместить звено постоянного тока преобразователя частоты и звено постоянного тока активного фильтра высших гармоник. 2 ил.

Устройство компенсации высших гармоник, адаптированное к электроприводу переменного тока, содержащее инвертор, повышающий трансформатор и контроллер системы управления, отличающееся тем, что зажим «+» инвертора устройства компенсации подключен через датчик постоянного тока устройства компенсации к зажиму «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «-» инвертора устройства компенсации подключен к зажиму «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен через датчик постоянного тока преобразователя частоты к первой обкладке накопительного конденсатора, зажим «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен ко второй обкладке накопительного конденсатора, выход инвертора устройства компенсации подключен к обмотке высшего напряжения повышающего трансформатора, обмотка низшего напряжения повышающего трансформатора подключена через датчик переменного тока устройства компенсации к сети, вход неуправляемого выпрямителя подключен через датчик переменного тока преобразователя частоты к сети, вход датчика напряжения сети соединен с зажимами питающей сети, выход датчика напряжения сети подключен к входу блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети подключен к первому входу блока умножения, выход датчика постоянного тока преобразователя частоты подключен к входу первого блока вычисления среднего значения, выход первого блока вычисления среднего значения подключен к входу блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, выход блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты подключен к первому входу сумматора, выход датчика постоянного тока устройства компенсации подключен во входу второго блока вычисления среднего значения, выход второго блока вычисления среднего значения подключен ко второму входу ПИ-регулятора, на первый вход ПИ-регулятора подается ноль, выход ПИ-регулятора подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора подключен ко второму входу блока умножения, выход блока умножения подключен к первому входу блока вычитания, ко второму входу блока вычитания подключен выход датчика переменного тока преобразователя частоты, выход блока вычитания подключен к первому входу блока релейных регуляторов, ко второму входу блока релейных регуляторов подключен выход датчика переменного тока устройства компенсации, выход блока релейных регуляторов подключен к входам драйверов управления силовыми ключами инвертора устройства компенсации.