Приложение на активни филтри, хармонични филтри, активни хармонични филтри

Ефективен метод за подобряване на качеството на електроенергията

Широкото използване на нелинейни товари, включително силово електронно оборудване: вентилни преобразуватели и устройства за управление на честотата за електрически задвижвания, наситени трансформатори и електродвигатели, мощни електрически пещи и заваръчно оборудване, доведе до необходимостта от разработване и внедряване на системи за коригиране на формата на кривите на тока и напрежението. Един от обещаващите методи за решаване на този проблем е използването на активни филтри.

Има серийни, паралелни и смесени топологии за свързване на активни филтри, но основно се разграничават два вида:

сериен активен
filterparallel активен филтър

Сериен активен филтър

Серийният филтър по същество е контролиран генератор на напрежение и служи като ефективно решение за компенсиране на спадове, дисбаланс трептене и хармоници в мрежовото напрежение. Те обаче имат някои недостатъци. Проектиран за ток на пълно натоварване, той има висока мощност и съответно цената. В допълнение, той не може директно да коригира токовете на натоварване, свързани зад него, като ги засяга само чрез промяна на напрежението. Съществено предимство е коригирането на изкривената форма на вълната на напрежението, независимо от естеството на изкривяването. Принципът на работа и блоковата схема на последователния филтър са показани на фигура 1.

Фиг. 1. Принцип на работа и блокова схема на последователен филтър.

Паралелен активен филтър

Паралелните филтри трябва да бъдат оразмерени само за хармонични токове от нелинейни товари. Друго предимство епринципът на регулиране с корекция на тока (филтър като регулиран източник на ток) и свързаното с това подобряване на захранващото напрежение на другите консуматори. В такива мрежи източниците на смущения са токовете, консумирани от товара (THD(I)%>>THD(U)%). Общото хармонично изкривяване в ток % винаги е по-високо, отколкото в напрежение. Логично и по-бързо е да се коригира първопричината. За сериен филтър в този случай е подходяща задачата за намаляване на въздействието на външни смущения от мрежата, предимно чрез напрежение. Това твърдение може да се оспори, но факторът цена ще подтикне точно такава логика на действие! Така мястото на приложение на паралелния филтър е по-близо до нелинейния товар. Общ при изграждането на филтрите е принципът на регулиране по отклонение от зададена стойност, като и двата включват датчици на измервани сигнали и блокове за генериране на опорни сигнали за напрежение или ток - съответно според вида на филтъра. Следователно те трябва да имат значителна скорост (0,02–0,5 ms) и време за реакция от 0,2–2 ms за 50–60 Hz мрежи. Следователно IGBT_транзисторите се използват като регулиращ елемент. Използва се и принципът на регулиране на ШИМ (регулиране чрез широчинно-импулсна модулация на сигнала). В съвременните условия на наследството на единната енергийна система на Руската федерация, като се има предвид статистиката за редки повреди в централните генераторни съоръжения, в преносните мрежи, задачата за въздействие върху нелинейните потребители в собствената им разпределителна мрежа изглежда по-интересна. Това е предмет на допълнително описание. Така че, ако има токови хармоници в мрежата поради наличието на нелинейни товари, най-добрият и универсален начин за подобряване на качеството на захранването е инсталирането на паралелни активни филтри. Разгледайте този филтър на примермодерна серия APF, произведена от испанската компания CIRCUTOR, издание 2007-2008 г. APF филтрите осигуряват компенсация за хармоници, асиметрия и фазово изместване на мрежовия ток. APF трябва да бъде свързан паралелно със захранващата линия, както е показано на фигура 2.

Фигура 2. Схема на свързване на паралелен активен филтър APF.

След това филтърът компенсира пулсациите, асиметрията и фазовото забавяне, причинени от работата на нелинеен товар, свързан надолу по веригата в посоката на текущия поток. Принципът на хармоничната компенсация се основава на инжектирането на пулсиращ ток в противофаза, който разрушава генерираните от товара хармоници (виж фиг. 3).

Видове паралелни филтри AF_APF

В зависимост от конфигурацията има няколко вида паралелни активни филтри:

Еднофазен (AF 2) - за елиминиране на хармоници, генерирани от еднофазен товар (2_жични линии), включително компютърни линии. Трифазен 3-жилен (AF3_W) - филтрите от този тип са предназначени да елиминират хармониците на трифазна симетрична система без неутрален проводник - включително смущения от UPS (UPS) непрекъсваеми захранвания. Трифазни 4-проводни многофункционални паралелно активни: Филтрите APF-4W, произведени от Circutor, принадлежат именно към универсалния тип.

Филтрите могат да решават четири задачи едновременно:

балансиране на напрежението (индиректно чрез токово балансиране) на мрежата (Network balancing);
свързаното намаляване до почти 0 неутрален ток;
потискане на тока (и следователно подобряване на THD(I) и THD(U)) хармоници; PF_correction или компенсация на реактивната мощност (cosφ увеличение).

Приоритетът на тези функции е програмируем. Дизайнът съдържа инвертор с 4изходи, работещи на принципа на генериране на противофазен противофазен ток с “огледална” форма по отношение на изкривявания в тока на натоварване. Важна характеристика на дизайна на APF е блоковият принцип на организация на капацитета, който улеснява увеличаването на необходимия инсталиран капацитет. Основното предимство на 4-жичните филтри е способността да компенсират всички видове хармоници, включително токове с нулева последователност, а в случай на небалансирани товари те също така могат да балансират токовете между различните фази, за да минимизират неутралния ток.

Поведение на APF филтъра при текущи ограничителни условия

APF филтрите работят като източници на ток и тяхната ефективност е ограничена от собствения им номинален ток. Този ограничаващ ток се нарича Ilimit и се използва за елиминиране на хармоници, дисбаланс и фазово забавяне. При нормални работни условия, ако необходимият ток не достигне Ilimit, APF ще компенсира всички реактивни компоненти: хармоници, дисбаланс и фазово забавяне. Ако товарът изисква компенсация с номинален ток, по-висок от Ilimit, тогава компенсацията на фазовото забавяне (в зависимост от настройката) може да бъде автоматично деактивирана и целият номинален ток ще се използва за компенсиране на хармониците и фазовото забавяне. Ако товарът изисква компенсиращ ток над Ilimit, тогава дисбалансът или хармоничната компенсация (в зависимост от настройките) също ще бъдат автоматично деактивирани и цялата мощност на филтъра ще бъде дадена на функцията с най-висок приоритет. В случай, че е активирана само функцията за хармонична компенсация и товарът изисква ток, по-висок от Ilimit, хармоничната компенсация ще бъде само частична. Функцията за настройка при стартиране позволява програмиране на приоритетите между функциите за компенсация (хармоници,дисбаланс или фазово забавяне), освен това е възможно да се избере приоритет за компенсиране на единичен хармоничен компонент. Когато е правилно конфигуриран, филтърът не може да бъде претоварен, той може само да извърши недостатъчно компенсиране на смущенията в %, дори ако мощността му е избрана например неправилно.

Характеристики на използването на паралелни активни филтри APF

APF филтрите са специално проектирани да елиминират хармониците, дисбаланса и фазовото забавяне в разпределителни системи с ниско напрежение - до 1000 V с множество еднофазни (или фаза към фаза) товари, които генерират такива реактивни компоненти. Неутралния ток на APF е 1,5 пъти по-голям от фазовия ток. Това означава, че в балансирана система APF може да компенсира до 40% от третата хармонична фаза, без да достигне Ilimit (максимално възможен) неутрален ток. За по-високи хармоници остатъчният ток остава на неутрала. APF може да се инсталира паралелно с други настроени филтри или с кондензаторни банки, но само ако има филтри с прорези. Cosφ компенсацията трябва да бъде осигурена от денастроени филтри, настроени на p=7%, p=14% или p=5,6%. С анализатора на качеството и количеството на електроенергията CVMk2, вграден в шкафа, филтърът APF е система за наблюдение и регулиране на качеството на електрическата енергия.

Автор: Жигарев Сергей Викторович, технически директор на ООО "ТРИУМФ"