DE69730243T2

DE69730243T2 - Aktive filteranordnung

Info

Publication number: DE69730243T2
Application number: DE69730243T
Authority: DE
Inventors: Lars Jonsson
Original assignee: Asea Brown Boveri Jumet SA
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: WO1998040948A1; EP0965159A1; CA2283294C; CA2283294A1; EP0965159B1; DE69730243D1; US6320392B1

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Filteranordnung, die zum Kompensieren der harmonischen Verzerrung in einer Versorgungsleitung bereitgestellt wird, wobei die Anordnung eine Signalverarbeitungseinheit umfasst, die einen ersten Eingang zum Aufnehmen eines elektrischen Stroms und einer Spannung, die an die Versorgungsleitung angelegt ist, aufweist, und so beschaffen ist, dass sie auf der Grundlage des aufgenommenen Stroms und der aufgenommenen Spannung einen Laststromwert für jede harmonische Frequenz einer vorgegebenen ersten Reihe harmonischer Frequenzkomponenten eines Laststroms in der Versorgungsleitung bestimmt, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner so beschaffen ist, dass sie für jede der Oberschwingungen ein Steuersignal auf der Grundlage des Laststromwerts erzeugt, wobei die Anordnung ferner ein Schaltnetzteil umfasst, das einen zweiten Eingang zum Aufnehmen des Steuersignals und eine Leistungsquelle zum Erzeugen eines Kompensationsstroms für jede der Oberschwingungen aufweist.
Eine solche aktive Filteranordnung ist aus dem Artikel "A new high performance active harmonic conditioner based on the current injection mode" von Serge Bernard und Gerard Trochain, herausgegeben von Power Quality Bremen – November 1995, Berichte S. 243 bis 252, bekannt. Die bekannte aktive Filteranordnung ist mit der Versorgungsleitung, die eine Leistungsquelle mit einem Lastkreis verbindet, parallel geschaltet. Der Lastkreis erzeugt Oberschwingungsströme, die in die Versorgungsleitung injiziert werden und welche die durch die Leistungsquelle bereitgestellte Leistung folglich stören. Die aktive Filteranordnung verwendet eine Energieelektronik, um harmonische Komponenten zu erzeugen, um die Oberschwingungsströme in der Versorgungsleitung aufzuheben. Die Signalverarbeitungsvorrichtung überwacht den elektrischen Strom und die elektrische Spannung, der in die Versorgungsleitung eingegeben wird bzw. die an diese angelegt wird, und bestimmt für jede harmonische Frequenz der ersten Reihe harmonischer Frequenzen den Laststrom in der Versorgungsleitung. Auf der Grundlage dieses Laststroms wird ein Steuersignal erzeugt, das dem Schaltnetzteil zugeführt wird. Das Letztere wird bereitgestellt, um unter der Steuerung des Steuersignals den Kompensationsstrom für Jede harmonische Frequenz der ersten Reihe zu erzeugen. Der Kompensationsstrom wird dann in die Versorgungsleitung injiziert, um den Laststrom zu kompensieren. Auf eine solche Art wird der Strom in der Versorgungsleitung von den durch den Lastkreis injizierten Oberschwingungsströmen "gereinigt".
EP-A-0666632 beschreibt auch einen aktiven Filter, der zum Kompensieren einer harmonischen Verzerrung in einer Versorgungsleitung vorgesehen ist. Die letzteren aktiven Filtersteuerungsmittel sind vorgesehen, um unabhängig vom Zustand der Stromquelle die Injektion harmonischer Komponenten in die Versorgungsleitung durch eine Wellenbrücke zu steuern.
EP-A-0600809 beschreibt ferner einen dynamischen Wechselstromkompensator. Der Kompensator bestimmt ein elektrisches Signal, das von dem durch die Leistungsquelle gelieferten Momentanstrom kommt, Eine Steuerschaltung erzeugt auf eine solche Art Steuersignale, dass der Unterschied zwischen dem wirklichen Strom im Netz und dem Gesamtwechselstrom verringert oder unterdrückt wird. Der Kompensator ermöglicht, durch den Lastkreis verursachte Amplituden- und Phasenverzerrungen zu kompensieren.
Ein Nachteil der bekannten aktiven Filteranordnung ist, dass die Reaktion der Versorgungsleitung beim Eingeben des Kompensationsstroms nicht genau bestimmt ist, weil sich die Topologie der Versorgungsleitung ständig ändert.
Es ist eine Aufgabe der betreffenden Erfindung, eine aktive Filteranordnung bereitzustellen, die ermöglicht, die Reaktion der Versorgungsleitung hinreichend zu überwachen, wenn ein Kompensationsstrom darin eingegeben wird.
Eine aktive Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit so beschaffen ist, dass sie unter einer zweiten Reihe von Frequenzwerten wenigstens einen Frequenzwert (f) auswählt und durch das Verschieben des ausgewählten Frequenzwerts f über einen ersten (g1 ≠ 0)-Wert bzw. über einen zweiten (g2 ≠ 0)-Wert in der Weise, dass f1 = f + g1 und f2 = f – g2 ist, einen ersten Frequenzwert (f1) bzw. einen zweiten Frequenzwert (f2) bestimmt, wobei die erste Frequenz f1 und die zweite Frequenz f2 von den harmonischen Frequenzen versetzt sind, wobei das Schaltnetzteil so beschaffen ist, dass es einen ersten Überwachungsstrom bzw. einen zweiten Überwachungsstrom mit der ersten Frequenz f1 bzw. mit der zweiten Frequenz f2 in die Versorgungsleitung injiziert, wobei die Signalverarbeitungseinheit so beschaffen ist, dass sie aus dem aufgenommenen Strom und der aufgenommenen Spannung, einen Ansprechstrom misst, der in der Versorgungsleitung beim Injizieren des Überwachungsstroms erzeugt wird, und dass sie aus dem Ansprechstrom eine Übertragungsfunktion von einer Spannung der Leistungsquelle auf einen Netzstrom in der Versorgungsleitung mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz bestimmt, und dass sie aus der Übertragungsfunktion eine Phasenverschiebung von der Spannung zu dem Netzstrom mit dem Frequenzwert f bestimmt und aus der Phasenverschiebung das Steuersignal bestimmt, wobei das Schaltnetzteil so beschaffen ist, dass es unter der Steuerung des Steuersignals den Kompensationsstrom erzeugt. Durch das Injizieren eines Überwachungsstroms mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz, die von der harmonischen Frequenz verschieden sind, wird ein Ansprechstrom mit diesen Frequenzen in der Versorgungsleitung erzielt, was auf eine solche Art ermöglicht, das Ansprechen der Versorgungsleitung zu überwachen. Da der Ansprechstrom auf einer von der Oberschwingung verschiedenen Frequenz ist, wird der Ansprechstrom dem Laststrom nicht mit den berücksichtigten harmonischen Frequenzen hinzugefügt. Dann wird eine zuverlässige Messung des Ansprechstroms erreicht. Aus dem Ansprechstrom wird eine Übertragungsfunktion von einer Spannung der Leistungsquelle auf einen Netzstrom mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz bestimmt. Dies ermöglicht, die Phasenverschiebung von der Spannung zu dem Netzstrom mit der Frequenz f zu bestimmen. Diese Phasenverschiebung wird dann für das Erzeugen des Steuersignals verwendet. Ein genauerer Kompensationsstrom wird folglich durch eine Messwertverschiebung von der harmonischen Frequenz erzeugt.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform einer aktiven Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reihe von Frequenzwerten der ersten Reihe harmonischer Frequenzkomponenten entspricht. Auf eine solche Art ist der Frequenzwert f die berücksichtigte Oberschwingung, wobei f1 und f2 auf beiden Seiten der berücksichtigten Oberschwingung liegen.
Vorzugsweise sind die Absolutwerte von g1 und g2 gleich. Dies erleichtert die Transformation in Richtung der Oberschwingung bei der Bestimmung der Phasenverschiebung, da ein Durchschnittswert bestimmt ist.
Vorzugsweise ist das Schaltnetzteil so beschaffen, dass es eine Spannung mit einer Nullphase erzeugt und den Überwachungsstrom aus der Spannung ableitet, wobei die Signalverarbeitungseinheit so beschaffen ist, dass sie die Phase des Ansprechstroms bestimmt. Wenn die zum Erzeugen des Überwachungsstroms angelegte Spannung eine Nullphase aufweist, wird die Bestimmung der Übertragungsfunktion leichter, während die Phase des Ansprechstroms die Phasenverschiebung bei der berücksichtigten harmonischen Frequenz direkt aus der Übertragungsfunktion anzeigt.
Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungseinheit so beschaffen, dass sie das Steuersignal als ein Impulsbreiten-moduliertes Signal erzeugt. Ein Impulsbreiten-moduliertes Signal ist besonders als Steuersignal für einen Leistungstransistor geeignet, mit dem das Schaltnetzteil ausgestattet ist.
Die Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen:
1 schematisch eine an eine Versorgungsleitung angeschlossene aktive Filteranordnung zeigt;
2 schematisch die Funktionsweise einer aktiven Filteranordnung zeigt;
3 eine Ausführungsform eines Schaltnetzteils als Teil einer aktiven Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung zeigt;
4 detaillierter und schematisch den Aufbau der Signalverarbeitungseinheit als Teil einer aktiven Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung zeigt;
5 ein Beispiel für die Filterkapazität einer aktiven Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung zeigt;
6 ein Beispiel darstellt, dass veranschaulicht, wie die Filterkapazität über verschiedene harmonische Frequenzen verteilt werden kann; und
7 den Anschluss einer aktiven Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung an eine Versorgungsleitung zeigt, die Hochspannungen führt.
In den Zeichnungen ist ein gleiches Bezugszeichen einem gleichen oder analogen Element zugeordnet worden.
Die Verwendung von Energieelektronik-Bauelementen in der Industrie hat den Bedarf an Filteranordnungen erhöht, die bereitgestellt werden, um die Qualität der bei verschiedenen Belastungen angelegten Versorgungsspannung zu verbessern. Die Qualität der Versorgungsspannung verschlechtert sich stark bei einer großen Anzahl von Antrieben mit stark veränderlicher Geschwindigkeit, die mehr und mehr bei industriellen Prozessen verwendet werden.
1 zeigt schematisch den Anschluss einer aktiven Filteranordnung an eine Versorgungsleitung. Die Versorgungsleitung 1 verbindet eine Stromquelle 2, die vorzugsweise durch das Stromversorgungsnetz gebildet wird, mit einem Lastkreis 3. Die aktive Filteranordnung 4 ist mit der Versorgungsleitung parallel geschaltet und umfasst eine Signalverarbeitungseinheit 5 und ein Schaltnetzteil 6. Die aktive Filteranordnung 4 ist auf eine solche Art mit der Versorgungsleitung 1 verbunden, dass ein Eingang der Signalverarbeitungseinheit 5 dem Schaltnetzteileingang vorgeschaltet an der Seite der Leistungsquelle 2 angeschlossen ist, während das Schaltnetzteil 6 an der Lastseite angeschlossen ist. Auf eine solche Art wird ein durch das Schaltnetzteil 6 in Richtung der Leistungsquelle in die Versorgungsleitung 1 injizierter Überwachungsstrom leicht durch die Signalverarbeitungseinheit überwacht.
Wie in 2 gezeigt ist, stellt die Leistungsquelle 2 eine im Wesentlichen saubere Spannung mit der Sinuswellenform (a₁) mit der Grundfrequenz 50 oder 60 Hz (a₂) für die Versorgungsleitung bereit. Der Lastkreis 3 erzeugt auf Grund von Nichtlinearitäten eine Reihe von Klirrsignalen (b₁, c₂) mit harmonischen Frequenzen bei der Grundfrequenz 50 oder 60 Hz. Diese Klirrsignale werden in die Versorgungsleitung injiziert und verzerren die von der Leistungsquelle 2 bereitgestellte Spannung. Der Zweck der aktiven Filteranordnung 4 ist jetzt, jene Verzerrungssignale durch das Erzeugen des Spiegelbilds des durch den Lastkreis verbrauchten Oberschwingungsstroms zu kompensieren.
In allen Fällen:
ist der Speisestrom der Leistungsquelle = Laststrom + der durch die aktive Filteranordnung injizierte Strom.
Um eine Filterwirkung bei den Klirrsignalen zu erhalten, muss das Schaltnetzteil der Filteranordnung einen Kompensationsstrom mit einer Phasenverschiebung von 180° in Bezug auf die Oberschwingungen des Lastkreises injizieren. Wenn der Kompensationsstrom richtig erzeugt wird, ist das Ergebnis eine perfekte Sinuswelle, die keine Oberschwingung enthält. Es ist Jedoch wesentlich, dass die Phasenverschiebung des Ansprechstroms richtig bestimmt wird. Dann kann auch die Phasenverschiebung des Kompensationsstroms richtig bestimmt werden.
Wie aus 2 ersichtlich ist, nimmt die Amplitude der Klirrströme, die durch den Lastkreis verursacht werden, mit zunehmendem Wert der Oberschwingung ab. Eine Begrenzung kann bei den zu kompensierenden Oberschwingungen folglich geschaffen werden, ohne die Filterkapazität erheblich zu beeinflussen.
Vorzugsweise wird diese Begrenzung aus einer ersten Reihe festgelegt, die die zweite Oberschwingung bis zur fünfundzwanzigsten Oberschwingung umfasst. per Kompensationsstrom wird dann je nach der verfügbaren Filterkapazität und der durch den Lastkreis verursachten Verzerrung für einige Oberschwingungen oder sogar für alle Oberschwingungen, die zu dieser ersten Reihe gehören, bestimmt, wie nachstehend beschrieben wird.
Um für jede der Oberschwingungen, die zu der ersten Reihe gehören, den durch das Schaltnetzteil in die Versorgungsleitung zu injizierenden Kompensationsstrom zu bestimmen, ist es wichtig, die Versorgungsleitung genau zu überwachen. Das Letztere wird durch die Signalüberwachungseinheit 5 ausgeführt, die einen ersten Eingang aufweist, bei dem der elektrische Strom und die elektrische Spannung, der in die Versorgungsleitung eingegeben wird bzw. die an diese angelegt wird, eingegeben werden. Die bei diesem ersten Eingang eingegebenen bzw. angelegten Strom- und Spannungswerte werden mit beispielsweise 1, 2, 8 Abtastwerten je 20 ms abgetastet. Die Letzteren sind die Periodendauer eines 50 Hz-Signals. Vorzugsweise werden nicht alle Oberschwingungen zwischen der ersten Oberschwingung und der fünfundzwanzigsten Oberschwingung berücksichtigt, da dies zu viel Verarbeitungskapazität erfordern würde. Die achte bis neunte Oberschwingung ist bei den tatsächlich verfügbaren Prozessoren eine geeignete Wahl.
Der Gesamtstrom und die Gesamtspannung, die in der Versorgungsleitung vorhanden sind, werden zum Zweck der Abtastung berücksichtigt. Der Entzug der Oberschwingungen der ersten berücksichtigten Reihe wird bei den erhaltenen Abtastwerten ausgeführt. Das Schaltnetzteil 6 erzeugt für jede berücksichtigte Oberschwingung einen ersten I_M1-, bzw. einen zweiten I_M2-Überwachungsstrom mit einer ersten Frequenz f1 bzw. einer zweiten Frequenz f2. Die Überwachungsströme I_M1 und I_M2 werden in die Versorgungsleitung injiziert. Das Ergebnis davon ist, dass ein Ansprechstrom in der Versorgungsleitung hervorgerufen wird. Dieser Ansprechstrom kann dann durch die Signalverarbeitungseinheit, während er ihrem ersten Eingang zugeführt wird, gemessen werden.
Die erste Frequenz f1 und die zweite Frequenz f2 werden in der Weise gewählt, dass sie von der berücksichtigten Oberschwingung versetzt liegen. Deshalb werden f1 und f2 ausgehend von einem Frequenzwert f und einem ersten g1-Wert und einem zweiten g2-Wert auf eine solche Art gewählt, dass f1 = f + g1 und f2 = f + g2 ist.
Vorzugsweise ist |g1| = |g2|, wobei || für den Absolutwert steht. Dies hat den Vorteil, dass f1 und f2 dann symmetrisch auf beiden Seiten der gewählten Frequenz fliegen, was die Berechnung vereinfacht, wie nachstehend beschrieben wird.
Der Frequenzwert f wird innerhalb einer zweiten Reihe von Frequenzwerten gewählt. Vorzugsweise umfasst die zweite Reihe ebenso viel Frequenzwerte wie die erste Reihe harmonischer Frequenzkomponenten, wobei sie einander entsprechen. So gibt es beispielsweise für jede harmonische Frequenz f_h in der ersten Reihe eine Frequenz f in der zweiten Reihe, so dass f = f_h ist. Die Anordnung ist jedoch nicht auf Reihen beschränkt, bei denen f = f_h ist.
Beim Auswählen der Werte von f, g1 und g2 ist es wichtig, dass f1 < f_h < f2 ist, sodass f1 und f2 auf beiden Seiten der berücksichtigten Oberschwingung liegen.
Es wird beispielsweise angenommen, dass die 5. Oberschwingung von 50 Hz, d. h. f_5h = 250 Hz, berücksichtigt wird. Wenn f = f_5h, ist, dann ist f = 250 Hz. Es wird auch angenommen, dass |g1| = |g2| = 20 Hz ist, dann ist: f1 = f + g1 = 270 Hz f2 = f – g2 = 230 Hz,so dass f1 und f2 auf beiden Seiten von f_h liegen. Alternativ hätte f = 240 Hz vorgegeben werden können, wobei mit |g1| = |g2| = 20 Hz, f1 = 260 Hz und f2 = 220 Hz auch eine erste Frequenz f1 und eine zweite Frequenz f2 auf beiden Seiten von f_h = 250 Hz bereitgestellt werden würden. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass f1 ≠ f2 ≠ f_kh ist, da f1 und f2 von jeder zu berücksichtigenden k-ten harmonische Frequenz f_kh verschieden sein müssen.
Zwecks Klarheit wird in der weiteren Beschreibung f_k = f_kh angenommen, wobei k die berücksichtigte Oberschwingung ist.
Um den Beitrag einer k-ten harmonische Frequenz innerhalb des Laststroms in der Versorgungsleitung zu bestimmen, injiziert das Schaltnetzteil einen ersten I_M1- und bzw. einen zweiten I_M2-Überwachungsstrom in die Versorgungsleitung. Das Schaltnetzteil erzeugt deshalb eine beliebige Spannung von beispielsweise V₁ = 20 Volt und mit der Phase φ_k = 0° mit einer ersten Frequenz f1k und einer zweiten Frequenz f2k. Das Schaltnetzteil injiziert dann einen Überwachungsstrom mit der Frequenz f1k und f2k in die Versorgungsleitung.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Schaltnetzteils 6, das bereitgestellt wird, um die Spannung zu erzeugen und um den ersten Überwachungsstrom I_M1 und den zweiten Überwachungsstrom I_M2 zu injizieren. Das Schaltnetzteil ist für Dreiphasenstrom vorgesehen und hat deshalb eine entsprechende Anzahl von Ausgangsleitungen 10. Jede Ausgangsleitung umfasst eine Reihenschaltung von zwei Drosseln L1, L2, wobei L1 >> L2 ist. Ein durch die Kondensatoren C1, C2 und C3 gebildetes Ausgangsfilter wird in der Verbindung zwischen L1 und L2 parallel geschaltet. Der Wert der Drosseln L und der Kondensatoren C wird hauptsächlich von den berücksichtigten Oberschwingungen der ersten Reihe bestimmt. Das Schaltnetzteil umfasst ferner eine PMW-Phasenumkehrschaltung (Impulsbreiten-modulierte Phasenumkehrschaltung), die durch eine Reihenschaltung von zwei IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gatter) (T1, T2), die mit einer Reihenschaltung von zwei Dioden parallel geschaltet sind, gebildet wird. Die Reihenschaltung der Drosseln ist an den Anschlusspunkt der beiden IGBTs angeschlossen. Eine Gleichstromquelle 11, die beispielsweise durch einen Kondensator und eine geeignete Ladeschaltung gebildet wird, ist mit der Reihenschaltung der IGBTs parallel geschaltet.
Wie schon erwähnt wurde, erzeugt das Schaltnetzteil eine Spannung unter der Steuerung eines Steuersignals, das durch die Signalverarbeitungseinheit erzeugt wird. Diese Spannung wird an dem Ausgang des IGBTs ausgegeben und durch die Drosseln L und die Kondensatoren C in einen Strom umgewandelt. Der somit gebildete Strom wird dann über die Ausgangsleitungen 10 in die Versorgungsleitung 1 injiziert.
Dem Gatter der IGBTs (T1, T2) wird ein von der Signalverarbeitungseinheit 5 erzeugtes PWM-Signal zugeführt. Das den IGBTs T2 zugeführte Signal ist in Bezug auf das bei T1 zugeführte Signal zeitlich versetzt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Da die IGBTs T1 und T2 entgegengesetzt vorgespannt sind, würde beispielsweise das Schließen von T1, während gleichzeitig T2 geschlossen wird, einen Kurzschluss verursachen. Durch das Zuführen eines PWM-Signals zum Gatter des jeweiligen IGBTs werden die Überwachungsströme an den Ausgangsleitungen 10 ausgegeben und folglich in die Versorgungsleitung injiziert. Die gewählten Frequenzen f1 und f2 werden erhalten, indem die entsprechenden PWM-Signale dem Gatter der IGBTs zugeführt werden. Folglich werden unter der Steuerung der Signalverarbeitungseinheit PWM-Signale erzeugt, um die Überwachungsströme I_M1 und I_M2 mit den gewählten Frequenzen f1k und f2k auszugeben. Die Überwachungsströme haben vorzugsweise einen niedrigen Wert von beispielsweise 12 A, da es nicht notwendig ist, hohe Stromwerte zu verwenden, weil der einzige Zweck dieser Ströme ist, die Versorgungsleitung zu überwachen. Hohe Ströme würden nur zu einem höheren Energieverbrauch führen, ohne die Genauigkeit der Messung zu verbessern.
Die Folge des Injizierens des Überwachungsstroms in die Versorgungsleitung ist, dass ein Ansprechstrom in dieser Versorgungsleitung erzeugt wird. Der Ansprechstrom wird bei den Frequenzen f1 und f2 des Überwachungsstroms liegen und folglich von der zu berücksichtigenden Oberschwingung fkh versetzt sein.
Der Laststrom bei der Oberschwingung fkh stört den Ansprechstrom folglich praktisch nicht, so dass eine genauere Bestimmung, wie die Versorgungsleitung auf den Überwachungsstrom reagiert, möglich ist und folglich eine zuverlässigere Analyse davon bereitgestellt wird, was in der Versorgungsleitung geschieht.
Die Messung des Ansprechstroms wird mittels der Signalverarbeitungseinheit realisiert. Nach dem Abtasten des Ansprechstroms bestimmt die Signalverarbeitungseinheit eine Übertragungsfunktion von einer Spannung der Leistungsquelle auf einen Netzstrom mit der ersten Frequenz fk1 und der zweiten Frequenz fk2 für die berücksichtigte Oberschwingung fkh. Die Bestimmung der Übertragungsfunktion f_k(t), g_k(t) ist schematisch in 4a gezeigt, die die angewendete mathematische Operation zeigt: fk(t) = Icos·(ωk – ω1)t + Icos(ωk + ω2)t gk(t) = Isin·(ωk – ω1)t + Isin(ωk + ω2)t,wobei I der Gesamtstrom ist, wie er an dem Eingang der Signalverarbeitungseinheit gemessen wird. ωk = 2πfkh ω1 = 2πf1 ω2 = 2πf2
Danach wird eine mathematische Integrierung ausgeführt:
wobei I c / kf bzw. I s / kg die Kosinus- bzw. die Sinuskomponente der Amplitude des Stroms für die k-te Oberschwingung bezeichnet, T die Periodendauer der berücksichtigten Welle ist.
Der Überwachungsstrom kann auch in der komplexen Formulierung ausgedrückt werden,
wobei
und φ_k die Phase des Ansprechstroms ist. Wenn die an die IGBTs zum Erzeugen des Überwachungsstroms angelegte Spannung V_rk bekannt ist, wird die folgende mathematische Operation angewendet:
Vorzugsweise ist φ0 = 0, so dass sich
ergibt.
Da I_rk und V_rk jetzt bekannt sind, kann der Phasenwert φ_k für den letzteren Ausdruck bestimmt werden.
Die Bestimmung der Amplitude von V_rk für die berücksichtigte Oberschwingung wird durch das Kontrollieren der Verstärkung des gemessenen Stroms in der Versorgungsleitung realisiert, wobei die angelegte Spannung jedes Mal korrigiert wird. Das Kennen der richtigen Phase φ_k des Ansprechstroms ist von größerer Wichtigkeit, während eine nicht korrekte Phase des Kompensationsstroms in keiner Weise ermöglicht, die durch den Lastkreis induzierten Oberschwingungen richtig zu kompensieren. Dieselbe Operation wird natürlich bei jeder der berücksichtigten Oberschwingungen ausgeführt. Durch das Bestimmen der Übertragungsfunktion auf der Grundlage des Ansprechstroms bei den Frequenzen f1 und f2, die von den zu berücksichtigenden Oberschwingungen versetzt sind, ist es möglich, eine aktive Filteranordnung zu realisieren, die unabhängig von der Änderung, die in dieser Versorgungsleitung auftritt, eine dauerhafte Kenntnis von der Impedanz der Versorgungsleitung hat. Dies ermöglicht, eine aktive Filteranordnung ohne ein vorbereitendes, teures und zeitraubendes Netzstudium einzubauen, wie es bei passiven Filteranordnungen erforderlich ist. Da eine ununterbrochene Überwachung der Versorgungsleitung möglich ist, ist eine ununterbrochene Anpassung der Filterparameter an die Zustände in der Versorgungsleitung möglich. Tatsächlich kann der Ansprechstrom regelmäßig bestimmt werden, was ermöglicht, die PWM-Steuersignale und folglich den Kompensationsstrom regelmäßig zu aktualisieren.
5 zeigt ein Beispiel für eine Beschränkung, die in Abhängigkeit von der Kapazität des Schaltnetzteils auftreten könnte. In dem gezeigten Beispiel kann das Schaltnetzteil einen 200 A_RMS-Kompensationsstrom für die fünfte Oberschwingung erzeugen, während sich diese Kapazität auf Grund einer Zunahme der Impedanz (ωL) der Drosseln bei höheren Oberschwingungen vermindert. Tatsächlich lässt der Spannungspegel der Gleichstromkondensatoren die Erzeugung von 200 A bei höheren Oberschwingungen als die fünfte Oberschwingung nicht zu. Bei diesen höheren Oberschwingungen nimmt die Filterkapazität um fünf mal k^–1 ab. Jedoch ist diese Beschränkung nicht entscheidend, da der Einfluss von diesen höheren Oberschwingungen kleiner als der Einfluss von der 1. bis zur 5. Oberschwingung ist.
6 zeigt, wie der durch das Schaltnetzteil erzeugte verfügbare Kompensationsstrom über die zu berücksichtigenden verschiedenen Oberschwingungen verteilt werden kann. Angenommen das Schaltnetzteil kann einen 200 A_RMS-Strom erzeugen. Dieser könnte durch das Bereitstellen eines 200 A_RMS-Stroms nur für die 5. Oberschwingung, eines 141 A_RMS-Stroms für die 1. und die 5. Oberschwingung oder eines 50 A_RMS-Stroms für die 1. Oberschwingung, eines 150 A_RMS-Stroms bzw. 100 ARMS-Stroms, eines 50- und 50 A_RMS-Stroms für die 5. bzw. die 7., die 11. und die 13. Oberschwingung verteilt werden. Um ein solches Verteilungsmuster über eine Anzahl von vorher ausgewählten Oberschwingungen zu realisieren, genügt es, die Signalverarbeitungseinheit dadurch zu programmieren, dass den verschiedenen Oberschwingungen Maximalstromwerte zugewiesen werden. Bei der Erzeugung der PWM-Steuersignale werden diese Maximalstromwerte dann berücksichtigt.
Die aktive Filteranordnung gemäß der betreffenden Erfindung kann auch bei Hochspannungen, d. h. wenn mehr als 400 V in der Versorgungsleitung vorhanden sind, verwendet werden. Im letzteren Fall ist die Anordnung, statt direkt, über einen Kondensator 30 mit der Versorgungsleitung (7) gekoppelt. Der Kondensator 30 sorgt auf eine solche Art für die Grundspannung, dass sich die Filteranordnung nur mit dem Oberschwingungsstrom befassen muss.

Claims

Aktive Filteranordnung (4), die zum Kompensieren der harmonischen Verzerrung in einer Versorgungsleitung (1) bereitgestellt wird, wobei die Anordnung eine Signalverarbeitungseinheit (5) umfasst, die einen ersten Eingang zum Aufnehmen eines elektrischen Stroms und einer Spannung, die an die Versorgungsleitung angelegt ist, aufweist, wobei die Signalverarbeitungseinheit ein erstes Mittel aufweist, um auf der Grundlage des aufgenommenen Stroms und der aufgenommenen Spannung einen Laststromwert für jede harmonische Frequenz einer vorgegebenen ersten Reihe harmonischer Frequenzkomponenten eines Laststroms in der Versorgungsleitung zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungseinheit ein zweites Mittel aufweist, um für jede der harmonischen Frequenzkomponenten ein Steuersignal auf der Grundlage des Laststromwertszu erzeugen, wobei die Anordnung ferner ein Schaltnetzteil (16) umfasst, das einen zweiten Eingang zum Aufnehmen des Steuersignals und eine Leistungsquelle zum Erzeugen eines Kompensationsstroms für jede der harmonischen Frequenzkomponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit mit einem dritten Mittel versehen ist, um unter einer zweiten Reihe von Frequenzwerten wenigstens einen Frequenzwert (f) auszuwählen, und um einen ersten (f1) bzw. einen zweiten (f2) Frequenzwert zu bestimmen durch das Verschieben des ausgewählten Frequenzwerts f über einen ersten (g1 ≠ 0)-Wert bzw. über einen zweiten (g2 ≠ 0)-Wert in der Weise, dass f1 = f + g1 und f2 = f – g2 ist, einen ersten Frequenzwert (f1) bzw. einen zweiten Frequenzwert (f2) zu bestimmen, wobei die erste Frequenz f1 und die zweite Frequenz f2 von den harmonischen Frequenzen versetzt sind, wobei das Schaltnetzteil ein viertes Mittel umfasst, um einen ersten Überwachungsstrom bzw. einen zweiten Überwachungsstrom mit der ersten Frequenz f1 bzw. mit der zweiten Frequenz f2 in die Versorgungsleitung zu injizieren, wobei die Signalverarbeitungseinheit ein fünftes Mittel umfasst, um aus dem aufgenommenen Strom und der aufgenommenen Spannung, einen Ansprechstrom (Irk) zu messen, der in der Versorgungsleitung beim Injizieren des Überwachungsstroms erzeugt wird, und um aus dem Ansprechstrom eine Übertragungsfunktion von einer Spannung der Leistungsquelle auf einen Netzstrom in der Versorgungsleitung mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz zu bestimmen, und um aus der Übertragungsfunktion eine Phasenverschiebung von der Spannung zu dem Netzstrom mit dem Frequenzwert f zu bestimmen, und um aus der Phasenverschiebung das Steuersignal zu bestimmen, wobei das Schaltnetzteil ein sechstes Mittel umfasst, um unter der Steuerung des Steuersignals den Kompensationsstrom zu erzeugen.
Aktive Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reihe von Frequenzwerten der ersten Reihe harmonischer Frequenzkomponenten entspricht.
Aktive Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutwerte von g1 und g2 gleich sind.
Aktive Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltnetzteil mit Mitteln versehen ist, um eine Spannung mit einer Nullphase zu erzeugen und um den Überwachungsstrom aus der Spannung abzuleiten, wobei die Signalverarbeitungseinheit mit Mitteln versehen ist, um die Phase des Ansprechstroms zu bestimmen.
Aktive Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit mit Mitteln versehen ist, um das Steuersignal als ein Impulsbreitenmoduliertes Signal zu erzeugen.