Публикации »

Фильтр-стабилизатор переменного напряжения с функциями АБП

С развитием электроэнергетики проблема улучшения качества электроэнергии приобретает все большее значение. В настоящее время большинство современных потребителей электроэнергии, таких как электронная вычислительная техника и бытовая электроника, представляют собой нелинейную нагрузку, оказывающую негативное влияние на сеть.

Это вызвано тем, что такая нагрузка потребляет искаженный ток, содержащий высшие гармоники. В результате этого напряжение питания данных устройств искажается. Особенно это проявляется в сетях ограниченной мощности. Однако эти устройства предъявляют повышенные требования к качеству напряжения питания. Поэтому задача улучшения качества электроэнергии питания таких устройств на сегодняшний день является очень актуальной. Наиболее перспективные способы решения этой задачи — применение устройств активной фильтрации высших гармоник тока и напряжения. Фильтр-стабилизатор переменного напряжения (ФСПН) с функциями АБП (агрегата бесперебойного питания) — это устройство, предназначенное для поддержания напряжения на питаемой нагрузке в заданном диапазоне при отклонениях напряжения сети от номинального значения, а также для компенсации неактивной мощности нагрузки, заключающейся в активной фильтрации высших гармоник тока и компенсации реактивной мощности нагрузки.

ФСПН содержит последовательный и параллельный активные фильтры (АФ). На стороне постоянного тока этих фильтров включен общий накопительный конденсатор С1. Основными компонентами последовательного АФ являются: четырехквадрантный преобразователь напряжения ПН1 [1], LC-фильтр (L2, C2), согласующий трансформатор Т1. Параллельный АФ содержит четырехквадрантный преобразователь напряжения ПН2 и фильтрующий дроссель L1 на стороне переменного тока преобразователя. Датчики напряжения Дн1–Дн3 и тока Дт1–Дт3 используются соответственно для измерения напряжений сети, нагрузки, накопительного конденсатора и токов сети, параллельного АФ и нагрузки. Контакторы К1–К4предназначены соответственно для подключения сети, нагрузки, шунтирования трансформатора Т1 и зарядного резистора R1.

Последовательный АФ компенсирует высшие гармоники напряжения сети, а также отклонение напряжения сети от номинального значения, обеспечивая тем самым стабилизацию напряжения нагрузки. Параллельный АФ компенсирует высшие гармоники тока нагрузки, а также обеспечивает компенсацию реактивной мощности нагрузки. При полном исчезновении сетевого напряжения параллельный АФ обеспечивает питание нагрузки в течение некоторого времени, в зависимости от емкости накопительного конденсатора. Таким образом, ФСПН обеспечивает бесперебойное питание нагрузки при кратковременных провалах напряжения сети. При необходимости время резервирования может быть увеличено за счет подключения аккумуляторных батарей параллельно (или вместо) накопительному конденсатору. Установленная мощность ПН2 равна неактивной мощности нагрузки, мощность ПН1 определяется диапазоном стабилизации напряжения сети. Система управления выполнена на основе микроконтроллера, имеющего достаточное количество каналов АЦП и каналов управления транзисторами.

Принцип действия фильтра-стабилизатора переменного напряжения. Функцию стабилизации напряжения выполняет последовательный АФ. Напряжение сети измеряется датчиком напряжения Дн1 и поступает на АЦП микроконтроллера (МК). Полученное значение напряжения сети сравнивается с эталонным (номинальным) значением напряжения нагрузки. Разница этих напряжений является напряжением задания последовательного АФ, который создает напряжение методом широтной импульсной модуляции (ШИМ) при помощи аппаратного модуля ШИМ МК, в соответствии с алгоритмом, реализующим 3-уровневый метод модуляции. Модуляция осуществляется на частоте 40 кГц. На стороне переменного тока ПН1 стоит LC-фильтр, фильтрующий высокочастотную модуляционную составляющую напряжения ПН1. На первичной обмотке трансформатора Т1 (включенной между сетью и нагрузкой) формируется напряжение, равное разнице текущего значения напряжения сети и эталонного. Если сетевое напряжение меньше номинального, то напряжение на первичной обмотке совпадает по фазе с напряжением сети, а если превышает, то сдвинуто относительно него на 180°. Таким образом, напряжение на нагрузке поддерживается на номинальном уровне.

Функцию фильтрации токов высших гармоник и компенсации реактивной мощности нагрузки выполняет параллельный АФ. Значение тока нагрузки измеряется датчиком тока Дт3 и оцифровывается АЦП МК. Программно из сигнала тока нагрузки выделяется сигнал, равный сумме реактивной составляющей и высших гармоник тока нагрузки. Это реализуется при помощи известных алгоритмов синхронизации и фильтрации. Далее МК, используя алгоритм релейной модуляции тока (сравнивается текущее значение тока АФ, измеренное датчиком Дт2, с сигналом задания), выдает сигналы управления на транзисторы ПН2. В результате ток параллельного АФ равен неактивному току нагрузки (сумма реактивного тока и тока высших гармоник), но противоположен ему по фазе, что обеспечивает компенсацию неактивного тока нагрузки. При этом из сети потребляется только активная составляющая тока нагрузки. В течение интервала времени от 0 до 0,02 сек.в сеть поступает ток высших гармоник нагрузки, так как АФ не функционирует. Этот ток искажает сетевое напряжение. При включении АФ высшие гармоники тока и реактивная мощность нагрузки компенсируются. Ток сети содержит только активную составляющую, поэтому напряжение сети не искажено. Параллельный АФ поддерживает на постоянном уровне напряжение на накопительном конденсаторе, т. к. в процессе работы последовательный АФ отдает или потребляет активную мощность в зависимости от величины отклонения напряжения сети от номинального значения. Система управления, используя показания датчика Дн3, добавляет или вычитает из тока задания параллельного АФ активную составляющую тока. В результате этого в дросселе L1 протекает активный ток, необходимый для подзарядки (при пониженном напряжении сети) или разряда (при повышенном напряжении сети) конденсатора C1.

В установившемся режиме работы ток сети имеет только активную составляющую, равную сумме активных токов нагрузки и параллельного АФ. При возникновении короткого замыкания со стороны сети (спад напряжения сети до нуля) или недопустимо высокого уровня напряжения сети, что определяется по показанию датчика Дн1, система управления отключает последовательный АФ и осуществляет управление параллельным АФ методом релейной модуляции с током задания, равным полному току нагрузки. Вследствие этого питание в нагрузку продолжает поступать после отключения сети. Длительность питания нагрузки определяется уровнем энергии, запасенной в накопительном конденсаторе.

Автор: Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, В. В. Cазонов
Дата: 05.06.2006
Журнал Стройпрофиль 4-06
Рубрика: электротехническое оборудование




«« назад