Активный фильтр высших гармоник трехфазной сети Российский патент 2025 года по МПК H02M1/12 

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано в трехфазных системах электроснабжения с нелинейными, как и с несимметричными, нагрузками, генерирующими высшие гармоники тока и (или) напряжения - в устройствах, предназначенных для их компенсации.

Отметим, что большая часть реальных потребителей электрической энергии линейными в том объёме, как это трактуется положениями теоретической электротехники, может быть признана только при условии выполнения ряда определённых допущений. Кроме того, как показывает опыт, кривые переменного напряжения, создаваемого генераторами, нередко тоже могут основательно отличаться от синусоиды. Более всего последнее характерно для автономных систем электроснабжения.

С другой стороны, известно, что любую периодическую, но не имеющую бесконечных разрывов функцию можно представить в виде так называемого ряда Фурье, т.е. в виде суммы синусоид (гармоник), периоды которых будут в кратное число раз менее периода исходной периодической функции. При этом частоты каждой из синусоид, начиная со второй, будут в кратное число раз больше первой гармоники. С учётом сказанного под высшими гармониками далее будем понимать все синусоиды из подобного представления периодической функции за исключением первой.

На потребителей, а также на источники электроэнергии, в работе которых существенную роль играют электромагнитные процессы, высшие гармоники, как правило, оказывают негативное воздействие. Не участвуя в создании полезной работы, они дополнительно нагревают обмотки и железо, расположенное рядом с ними, снижают создаваемые электромагнитные моменты, становятся источником не самых полезных вибраций, уменьшают коэффициент полезного действия (КПД) и т.п.

Используемые в силовой электротехнике для подавления высших гармоник фильтры условно можно разделить на пассивные и активные. Первые проще по конструкции. Они основываются на использовании так называемых реактивных элементов - ёмкостей и (или) индуктивностей. Электрические схемы вторых значительно сложнее, однако, при достаточно больших номинальных мощностях активные фильтры дают выигрыш в массо-габаритных показателях по сравнению с пассивными фильтрами, рассчитанными на такую же мощность.

Известно «Устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети» (патент RU 2446536 C1, опубл. 27.03.2012, бюл. № 9).

Недостатками данного технического решения, аналога заявляемому, являются сложность и громоздкость контроллера в системе его управления. Как следует из описания, он включает в себя: датчик напряжения, фазовый его преобразователь, блок фазовой синхронизации, фазовый преобразователь тока, формирователь импульсов, датчик тока сети, а также регулятор напряжения накопительного конденсатора. В общем, будучи реализованным «в железе» вряд ли такое устройство сможет оказаться достаточно надёжным.

Известен «Активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети» (патент RU 2667479 C1, опубл. 20.09.2018, бюл. № 26). Он имеет трехфазный мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах со встречно-параллельными диодами, дроссели входного фильтра, конденсаторы на стороне постоянного тока, датчики напряжения для измерения мгновенных значений сетевого напряжения, датчики тока нагрузки, датчики тока активного фильтра, датчик напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока, генератор пилообразного напряжения, блоки системы управления.

Недостатком этого технического решения, также аналога заявляемому, является то обстоятельство, что на выходе данного фильтра по факту создаётся не переменное, а постоянное напряжение, т.е. для использования в трёхфазной сети он не предназначен.

Известен «Трехфазный силовой фильтр высших гармоник тока» (патент RU 207731 U1, опубл. 12.11.2021, бюл. № 32). Схема системы его управления содержит: регулятор напряжения накопительного конденсатора, блок задатчика уровня постоянного напряжения на конденсаторе, фильтр сигнала с датчиков фазных токов нелинейной нагрузки, блок выработки синхронизирующих сигналов, фильтр комбинационных гармоник тока фазных реакторов, ограничитель тока задания от контура регулирования напряжения на конденсаторе, блоки синхронизации сигнала задания от контура регулирования напряжения конденсатора с сетью, трехканальный регулятор выходного тока активного силового фильтра, блок выделения сигнала нулевой последовательности, устройства выработки сигналов управления транзисторами по принципу ШИМ, генератор опорного сигнала.

Помимо явно непростой, а значит и не самой надёжной системы управления недостатком данного технического решения, аналога заявляемому, также служит то обстоятельство, что как и в предыдущем случае данный фильтр по факту должен служить для питания нагрузки постоянным током.

В качестве прототипа для заявляемого технического решения использована электронная схема, представленная в сети Интернет по адресу: https://chistotnik.ru/ems-chastotnogo-preobrazovatelya.html, дата обращения 27.01.2024.

Рассматриваемый активный фильтр высших гармоник трехфазной сети, состоит из выпрямителя, трехфазного мостового инвертора напряжения на шести полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах, каждый из которых снабжён встречно-параллельным диодом (так называемые IGBT - транзисторы), и конденсатора соединенного с соответствующими выходами выпрямителя на стороне постоянного тока.

Недостатком представленной схемы является отсутствие в ней системы управления полупроводниковыми ключевыми элементами.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в разработке электрической схемы системы управления полупроводниковыми ключевыми элементами, при этом техническим результатом является создание системы управления полупроводниковыми ключевыми элементами, которая бы обеспечивала компенсацию вредного влияния высших гармоник, создаваемых источником питания.

Поставленная задача решается следующим образом.

В активный фильтр высших гармоник трехфазной сети, состоящий из выпрямителя, трехфазного мостового инвертора напряжения на шести полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах, каждый из которых снабжён встречно-параллельным диодом, и конденсатора, соединенного с соответствующими выходами выпрямителя, введены три датчика напряжения, микроконтроллер и шесть оптронов с закрытым оптическим каналом, причём первые входы каждого из датчиков напряжения предназначены для соединения с соответствующими фазами контролируемой трехфазной сети, вторые входы каждого из датчиков напряжения соединены между собой по схеме «звезда», выход каждого из датчиков напряжения соединён с соответствующим входом микроконтроллера, соответствующие выходы которого соединены с анодами светодиодов каждого из оптронов с закрытым оптическим каналом, а фотоприёмник каждого из оптронов с закрытым оптическим каналом соединён с затвором соответствующего полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента, входы выпрямителя предназначены для соединения с соответствующими фазами источника питания, а выходы выпрямителя соединены с общими шинами инвертора, выходы которого предназначены для соединения с соответствующими фазами источника питания.

Причём каждый датчик напряжения состоит из двух катушек, имеющих общую ось и соединённых между собой согласно, и расположенного между этими катушками на той же оси аналогового датчика Холла, выход которого служит выходом датчика напряжения, а свободные клеммы катушек являются первым и вторым входами датчика напряжения.

Пример реализации заявляемого технического решения иллюстрируется на фиг. 1, где представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства, и фиг. 2, где изображена электрическая схема предлагаемого датчика напряжения.

На фиг. 1 обозначены: 1 - трехфазный источник питания. Это может быть как обычный синхронный генератор, так и полупроводниковый инвертор, в частности, преобразующий постоянное напряжение от аккумулятора(-ов) в трехфазный переменный ток; 2 - трехфазная нагрузка, не обязательно симметричная; 3 - выпрямитель, на фиг. 1 данный выпрямитель представлен как трехфазный, но это необязательно, хотя и желательно - для обеспечения симметричности нагрузки источника питания 1; 4 - конденсатор («звено постоянного тока»); 5, 6, 7, 8, 9 и 10 - полностью управляемые полупроводниковые ключевые элементы с встречно-параллельно включёнными диодами (IGBT - транзисторы), на которых по схеме Ларионова собран трехфазный мостовой инвертор напряжения; 11, 12, 13, 14, 15 и 16 - оптроны с закрытым оптическим каналом, они обеспечивают гальваническую развязку между микроконтроллером 17 и коммутирующими силовое напряжение IGBT транзисторами 5, 6, 7, 8, 9 и 10; 17 - микроконтроллер; 18, 19 и 20 - датчики напряжения, электрическая схема одного из которых представлена на фиг. 2.

На фиг. 2 изображены: 21 и 23 - катушки, имеющие общую ось и электрически соединённые между собой согласно, их желательно изготавливать с диаметром, незначительно превышающим размеры датчика Холла 22, из тонкого провода так, чтобы у них было, по возможности, большее омическое сопротивление; 22 - аналоговый датчик Холла.

Между перечисленными элементами установлены следующие соединения.

Трехфазный источник питания 1 не менее чем трёхжильным кабелем соединяется с нагрузкой 2, см. фиг. 1.

Входы выпрямителя 3 соединяются с соответствующими фазами источника питания 1. Выходы выпрямителя 3 соединены с соответствующими клеммами конденсатора 4, а также общими шинами трехфазного мостового инвертора напряжения.

Выходы трехфазного мостового инвертора напряжения, собранного на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах с встречно-параллельно включёнными диодами (IGBT - транзисторах 5, 6, 7, 8, 9 и 10), соединены с соответствующими фазами источника питания 1.

У микроконтроллера 17 имеются контакты («пины»), напряжением на выходе которых он может управлять по цифровому принципу, т.е. «0 / 1» - «низкий / высокий» уровень сигнала. Шесть из таких выходов микроконтроллера 17 соединены с анодами светодиодов каждого из оптронов 11, 12, 13, 14, 15 и 16 с закрытым оптическим каналом.

Фотоприёмник оптрона 11 соединён с затвором полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента 5. Фотоприёмник оптрона 12 соединён с затвором полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента 6. Фотоприёмник оптрона 13 соединён с затвором полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента 7. Фотоприёмник оптрона 14 соединён с затвором полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента 8. Фотоприёмник оптрона 15 соединён с затвором полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента 9. Фотоприёмник оптрона 16 соединён с затвором полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента 10.

Выходы датчиков напряжения 18, 19 и 20 соединены с соответствующими входами микроконтроллера 17, т.е. с такими, над сигналами которых микроконтроллер 17 имеет возможность осуществлять аналого-цифровое преобразование (АЦП).

Согласное соединение катушек 21 и 23 (см. фиг. 2) означает, что при протекании по ним электрического тока магнитные потоки, создаваемые этими катушками и располагающиеся вдоль их общей оси, должны будут складываться, тем самым, усиливая друг друга.

Тогда, если расстояние между катушками 21 и 23 вдоль их общей оси будет не очень большим, а именно таким, чтобы между катушками было можно только разместить аналоговый датчик Холла 22, последний окажется в практически равномерном магнитном поле, индукция B которого будет пропорциональна мгновенному значению фазного напряжения источника питания 1, см. фиг. 1.

Рассматриваемая конструкция датчиков напряжения 18, 19 и 20 обеспечивает гальваническую развязку между микроконтроллером 17 и силовым напряжением источника питания 1. Как уже отмечалось, при этом аналоговые сигналы на выходах датчиков напряжения 18, 19 и 20 будут пропорциональны мгновенным значениям соответствующих фазных напряжений источника питания 1.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Микроконтроллер 17, см. фиг. 1, лучше включить до или одновременно с запуском источника питания 1. Как показывает опыт, средствам вычислительной техники обычно требуется некоторое время, прежде чем они окажутся в состоянии выполнять заложенные в них программы.

После завершения соответствующих переходных процессов на зажимах источника питания 1 появится переменное напряжение. Соответственно, на выходах датчиков напряжения 18, 19 и 20 появятся сигналы, пропорциональные мгновенным значениям напряжения фаз источника питания 1. Выходы датчиков напряжения 18, 19 и 20 соединены с теми входами микроконтроллере 17, над сигналами которых он может осуществлять аналого-цифровое преобразование.

Если к этому времени в микроконтроллере 17 связанные с его запуском переходные процессы будут завершены, то с помощью АЦП через равные промежутки времени он начнёт снимать отсчёты значений мгновенных напряжений фаз источника питания 1. Продолжительность данного этапа подбирается такой, чтобы обеспечить возможность построить несколько периодов трёх огибающих кривых, соответствующих трём фазным напряжениям источника питания 1.

Далее методом, например, градиентного спуска [см. Современные численные методы оптимизации. Метод универсального градиентного спуска: учебное пособие / А.В. Гасников. - М. : МФТИ, 2018. - 286 с. - Изд. 2-е, доп.] микроконтроллер 17 определяет для каждой из фаз источника питания 1 амплитуду, частоту и начальную фазу первой гармоники.

Здесь для корректного применения метода градиентного спуска в качестве целевой (минимизируемой) функции должна использоваться сумма квадратов разностей между поступившими значениями отсчётов и величинами в те же самые моменты времени первой гармоники, имеющей искомые частоту, амплитуду и начальную фазу. Всего же искомых параметров будет 7: одна частота, общая для всех трёх гармоник, а также три амплитуды и три начальных фазы, свои у каждой гармоники.

Для уменьшения числа требуемых итераций градиентного спуска начинать вычисления лучше всего с того момента, когда огибающая напряжения любой из фаз источника питания 1 перейдёт через ноль, сменив свой знак с отрицательного на положительный.

Для нулевой итерации начальную фазу первой гармоники для этой фазы источника питания 1 можно принять равной нулю. Тогда начальные фазы первых гармоник двух других фаз источника питания 1 следует брать равными «плюс» и «минус» 2π/3 (120°). И если источник питания 1 не окажется настроен на другие номиналы, частоту первой гармоники для нулевой итерации можно принимать равной 50 Гц (или угловую частоту - равной 314,15 рад/с), а амплитуду - 311,12 (220√2) или 537,4 (380√2) В, соответственно.

Метод градиентного спуска имеет хорошую сходимость. После нескольких итераций, когда частота, амплитуды и начальные фазы первых гармоник окажутся вычислены с заданной точностью, для каждой из фаз источника питания 1 микроконтроллер 17 находит разность между значениями огибающих и соответствующими величинами первых гармоник.

Данная разность по существу представляет собой искомую сумму (спектр, составляющую) высших гармоник, влияние которых и должна компенсировать работа предлагаемого устройства.

Поэтому микроконтроллер 17 на свои выходы (контакты, пины), которые соединены с оптронами 11, 12, 13, 14, 15 и 16, будет подавать сигналы управления транзисторами по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), соответствующие вычисленной разности между значениями огибающих и величинами первых гармоник.

При подаче на соответствующий выход (контакт, пин) микроконтроллером 17 сигнала высокого уровня светодиод соответствующего оптрона начнёт освещать p - n переход фотоприёмника «своего» оптрона. Фотоприёмник «откроется», т.е. перейдёт в проводящее состояние. В результате на затвор соответствующего IGBT - транзистора будет подано напряжение, которое «откроет» и его, т.е. также переведёт в проводящее состояние.

Затем, после того, как сигнал высокого уровня микроконтроллером 17 будет снят с данного выхода (контакта, пина) светодиод соответствующего оптрона погаснет, фотоприёмник, а с ним и IGBT - транзистор «закроются», т.е. вернутся в свои не проводящие состояния.

За счет ШИМ-управления транзисторами 5, 6, 7, 8, 9 и 10 мостовой инвертор, получая энергию от выпрямителя 3 через «звено постоянного тока», конденсатор 4, на своих выходах создаёт «силовые» напряжения, соответствующие для каждой из фаз источника питания 1 сумме компенсируемых высших гармоник, взятой с обратным знаком. Именно эти «силовые» напряжения, вычитаясь из фазных напряжений источника питания 1, будут компенсировать составляющую высших гармоник в контролируемой трехфазной сети.

Периодически, через небольшие промежутки времени микроконтроллер 17 вновь обращается к тем трём своим входам, которые соединены с выходами датчиков напряжения 18, 19 и 20. Вновь в течение нескольких периодов с помощью АЦП снимает отсчёты значений фазных напряжений источника питания 1. Для каждого из фазных напряжений строит огибающую и вычисляет сумму квадратов разностей между значениями вновь принятых отсчётов и первыми гармониками, имеющими частоту, амплитуды и начальные фазы, которые были вычислены в предыдущий раз.

Если сумма квадратов разностей между вновь полученными отсчётами и первыми гармониками с ранее определёнными параметрами осталась в допустимых пределах, в ШИМ-управление транзисторами 5, 6, 7, 8, 9 и 10 изменений вносить не нужно, предлагаемое устройство продолжает свою работу в том же режиме, что и раньше.

Если указанная выше сумма квадратов разностей превысит допустимую величину, т.е. существенно изменится ранее компенсировавшийся спектр высших гармоник, например, вследствие изменения режима работы нагрузки 2, то микроконтроллер 17 прекратит ШИМ-управление транзисторами 5, 6, 7, 8, 9 и 10.

После чего вновь в течение нескольких периодов с помощью АЦП снимает отсчёты значений фазных напряжений источника питания 1, строит огибающую и вычисляет сумму квадратов разностей, а затем обращается к методу градиентного спуска, чтобы вычислить новые значения частоты, амплитуд и начальных фаз первых гармоник фазных напряжений источника питания 1. Далее соответствующим образом изменяется ШИМ-управление транзисторами 5, 6, 7, 8, 9 и 10.

Представленное описание позволяет вполне однозначно утверждать, что реализация заявляемого технического решения, несомненно, обеспечивает решение поставленной задачи. Устройство-прототип, незначительно увеличив свои массо-габаритные показатели, получило вполне работоспособную систему управления, состоящую из достаточно небольшого числа элементов, на сегодня освоенных электронной промышленностью.

В описании также приводится алгоритм, благодаря использованию которого работа предлагаемого устройства может существенно снизить долю высших гармоник в силовой трёхфазной сети, тем самым повысив КПД установки в целом.

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является создание системы управления полупроводниковыми ключевыми элементами, которая обеспечивает компенсацию вредного влияния высших гармоник, создаваемых источником питания. Для этого предложен активный фильтр высших гармоник трехфазной сети, состоящий из выпрямителя, трехфазного мостового инвертора напряжения на шести полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах, каждый из которых снабжён встречно-параллельным диодом, и конденсатора, соединенного с соответствующими выходами выпрямителя. При этом в фильтр введены три датчика напряжения, микроконтроллер и шесть оптронов с закрытым оптическим каналом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Активный фильтр высших гармоник трехфазной сети, состоящий из выпрямителя, трехфазного мостового инвертора напряжения на шести полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах, каждый из которых снабжён встречно-параллельным диодом, и конденсатора, соединенного с соответствующими выходами выпрямителя, отличающийся тем, что в фильтр введены три датчика напряжения, микроконтроллер и шесть оптронов с закрытым оптическим каналом, причём первые входы каждого из датчиков напряжения предназначены для соединения с соответствующими фазами контролируемой трехфазной сети, вторые входы каждого из датчиков напряжения соединены между собой по схеме «звезда», выход каждого из датчиков напряжения соединён с соответствующим входом микроконтроллера, соответствующие выходы которого соединены с анодами светодиодов каждого из оптронов с закрытым оптическим каналом, а фотоприёмник каждого из оптронов с закрытым оптическим каналом соединён с затвором соответствующего полностью управляемого полупроводникового ключевого элемента, входы выпрямителя предназначены для соединения с соответствующими фазами источника питания, а выходы выпрямителя соединены с общими шинами инвертора, выходы которого предназначены для соединения с соответствующими фазами источника питания.

2. Активный фильтр высших гармоник трехфазной сети по п.1, отличающийся тем, что каждый датчик напряжения состоит из двух катушек, имеющих общую ось и соединённых между собой согласно, и расположенного между этими катушками на той же оси аналогового датчика Холла, выход которого служит выходом датчика напряжения, а свободные клеммы катушек являются первым и вторым входами датчика напряжения.