PL232657B1 - Sposób automatycznej regulacji strojonego filtra pasywnego i układ do automatycznej regulacji strojonego filtra pasywnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób automatycznej regulacji parametrów filtra pasywnego umożliwiającej poprawę, jakości energii elektrycznej w sieci zasilającej nieliniowe odbiorniki energii o zmiennym obciążeniu oraz układ do automatycznej regulacji strojonego filtra pasywnego przeznaczony do poprawy, jakości energii elektrycznej.

Większość odbiorników energii elektrycznej podłączonych do sieci zasilającej stanowią odbiorniki nieliniowe o znacznej mocy. Podczas swojej normalnej pracy oddziałują na sieć zasilającą pogarszając parametry jakościowe napięcia zasilającego poprzez zmienny charakter poboru energii oraz mocy biernej. Harmoniczne prądu generowane przez nieliniowe obciążenia należą do najistotniejszych przyczyn powodujących nieprawidłowości w działaniu sprzętu elektrycznego, a także zwiększenie strat energii. W celu poprawy, jakości energii elektrycznej, stosowane są układy filtrów. Do grupy najczęściej stosowanych rozwiązań wpływających na ograniczenie zawartości wyższych harmonicznych w układach zasilających należą filtry pasywne. Filtry te są nastrojone na wybrane harmoniczne uznane za charakterystyczne dla danego odbiornika. W praktyce stosowane są grupy pasywnych filtrów w postaci pojedynczo strojonych układów projektowanych tak, aby każda z filtrowanych częstotliwości miała swój własny obwód filtracyjny dostrojony (poprzez odpowiedni dobór wartości indukcyjności i pojemności) do rezonansu szeregowego dla wybranej częstotliwości filtrowanej harmonicznej.

Zaletami filtrów pasywnych są ich prosta budowa i niska cena. Główną wadą jest ich odstrojenie, spowodowane zmianą częstotliwości napięcia zasilającego, zmianą parametrów odbiornika lub zmianą wartości elementów składowych filtra np. w skutek starzenia się materiałów. Dodatkową wadą filtrów pasywnych jest to że ustawianie ich parametrów dokonuje się zazwyczaj po odłączeniu filtra od sieci zasilającej. W przypadku stosowania pasywnych filtrów wielogałęziowych uszkodzenie jednej z gałęzi pociąga za sobą konieczność wyłączenia filtrów dostrojonych do częstotliwości większych od tej, do której dostrojona jest gałąź uszkodzonego filtra, ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia rezonansu równoległego z siecią zasilającą.

Filtry aktywne, w porównaniu z filtrami pasywnymi, wyróżniają się wieloma zaletami, np. dużą stabilnością pracy, dokładnością, łatwością przestrajania częstotliwości, brakiem tłumienia sygnału użytecznego a nawet możliwością jego wzmacniania, eliminacją kosztownych i niewygodnych, ze względu na duże gabaryty, elementów indukcyjnych (L). Mogą pracować w szerokim zakresie częstotliwości. Filtry aktywne generują sygnały prądu lub napięcia o częstotliwościach takich samych jak zakłócające lecz o przeciwnych fazach.

Połączenia energetycznych filtrów pasywnych LC z układami energetycznych filtrów aktywnych (EFA) nazywa się filtrami hybrydowymi (HEFA). Główną częścią filtru hybrydowego jest filtr pasywny eliminujący wyższe harmoniczne niższego rzędu. Układy EFA, w zależności od topologii filtru hybrydowego, pracują, albo jako sterowanie źródła napięcia, albo jako źródła prądu dodawczego. Ich zadaniem jest przede wszystkim poprawa właściwości kompensacyjno-filtrujących. Dołączenie filtru pasywnego do układu EFA pozwala poprawić jego właściwości energetyczne. W wyniku czego uzyskuje się zmniejszenie napięcia występującego na zaciskach lub prądu wyjściowego EFA, a przez to również jego mocy, co pozwala na zmniejszenie jego rozmiaru i kosztów. Duża popularność tego rozwiązania wynika, również z faktu znacznej ilości pracujących już w systemie elektroenergetycznym filtrów pasywnych.

Filtry aktywne i hybrydowe są urządzeniami przekształtnikowymi o złożonej budowie i wyrafinowanym sposobie sterowania, a techniki chroniące sieć zasilającą przed wnikaniem wyższych harmonicznych napięcia, realizowane w oparciu o ich wykorzystanie, są bardziej skomplikowane i kosztowne niż zastosowanie filtrów pasywnych. W znanych z literatury filtrach pasywnych przestrajanych i dostrajanych, regulacja odbywa się przez zmianę indukcyjności lub pojemności, ale po odłączeniu filtru od sieci zasilającej. Zmiana pasma tłumienia dla tych filtrów jest praktycznie nierealizowalna. Filtry są przestrajane na ogół ręcznie przez zmianę wartości C lub ich stosunków.

Znane są z opisów patentowych np.US005406437 lub US20050057949 sposoby regulowania impedancji filtra poprzez przestrajanie ich z zastosowaniem zaworów i uzwojeń pomocniczych. Sposoby te wymagają zastosowania zaworów odłączających lub przyłączających elementy układów, w celu zmiany impedancji filtrów, przez co utrudniona jest realizacja automatycznego sterownia parametrami filtrów. W związku z przedstawionymi wadami klasycznych filtrów pasywnych opracowany został filtr pasywny, który można przestrajać w sposób ciągły lub skokowy a jego układ został opisany w artykule: prof. V.l. Hudym, prof. O.L. Kovaliov, mgr D. Mamcarz, mgr J. Pawlik, „Vpliv elektrozvarQvalnogo agre-gata z kierovanim filtrom ctrumy na systemu elektropostaćanna”, Elektrotechnika i energetika, Donieck, No 1(16) 2014. Układ opisany w artykule zawiera filtr pasywny LC, przy czym element indukcyjny stanowi strona pierwotna transformatora natomiast strona wtórna obciążona jest dwójnikiem złożonym z szeregowo połączonych regulowanych elementów R i L. Wartości elementów R i L decydują o właściwościach filtracyjnych. Koncepcja ujawniona w przedmiotowym artykule nie została zaprezentowana, jako rozwiązanie techniczne nadające się do zastosowania przemysłowego. Z niemieckiego opisu patentowego DE 102005019215 znany jest układ przestrajania filtra, który zawiera, jako element indukcyjny transformator, którego uzwojenie pierwotne jest elementem filtra pasywnego LC, natomiast do uzwojenia wtórnego przyłączony jest układ prostownikowy obciążony impe-dancją regulowaną poprzez zawór, zbudowanym na pojedynczym elemencie sterowanym (tranzystor IGBT) i służący do zmniejszania skuteczności filtracji. Układ i sposób przedstawiony w przedmiotowym patencie uniemożliwia nadążne sterowanie filtrem w warunkach gdy moc obciążenia filtrowanego układu podlega dynamicznym zmianom.

Celem wynalazku jest określenie sposobu automatycznego sterowania filtrem przestrajalnym pasywnym na drodze energoelektronicznej, poprzez regulację obciążenia wtórnej strony transformatora , którego pierwotna strona stanowi element indukcyjny gałęzi przestrajalnego filtra pasywnego oraz zaprojektowanie układu sterowania, który na drodze energoelektronicznej umożliwia regulacje indukcyj-ności obwodu głównego filtra, poprzez regulację obciążenia wtórnej strony transformatora.

Istotą sposobu sterowania strojonego filtru pasywnego według wynalazku jest jego nadążne regulowanie na podstawie wyznaczonego uchybu, w oparciu o zmierzone sygnały prądu płynącego w sieci zasilającej i prądu płynącego przez układ filtru oraz zadanego przebiegu prądu wzorcowego.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że mierzy się wartość chwilową prądu płynącego w linii zasilającej iz(t), równocześnie mierzy się wartość chwilową prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtra iL2(t) oraz wartość chwilową napięcia w sieci zasilającej uz(t). Następnie generuje się, na podstawie wartości chwilowej napięcia w sieci zasilającej uz(t), wzorcowy sinusoidalny sygnał prądu w sieci zasilającej iw(t), o amplitudzie wyznaczonej na podstawie harmonicznej podstawowej prądu odbiornika, który jest przesunięty względem napięcia sieci zasilającej o 90°. Zmierzone sygnały odnosi się do wartości maksymalnej prądu znamionowego odbiornika l0(t) i wyznacza się wartości względne, a następnie na postawie wartości względnych prądu płynącego w linii zasilającej irz i prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtru t[2 oraz sygnału wzorcowego wyznacza się wartość uchybu zgodnie ze wzorem:

a otrzymany sygnał ΔΚ podaje się, jako uchyb regulacji, na wejście regulatora prądu, który wyznacza sygnał napięcia wyjściowego przekształtnika u£, sterującego pracą modulatora szerokości impulsów PWM, generującego sygnały załączające tranzystory falownika, a zmiana czasu załączenia tranzystorów wpływa na kształt i wartość prądu w obwodzie wtórnym transformatora Tr.

Istota układu, według wynalazku, dla realizacji sposobu sterowania filtrem pasywnym, posiadającym element indukcyjny L w postaci dławika D oraz uzwojenia pierwotnej strony transformatora, którego wtórna strona jest obciążona mostkiem prostowniczym, do wyjścia, którego dołączone jest regulowane obciążenie, charakteryzuje się tym, że obciążenie stanowi układ przekształtnika impulsowego prądu przemiennego DC/AC, na wyjściu, którego podłączona jest szeregowo impedancja a układ zapewnia sterownie przekształtnika, na podstawie parametrów prądu płynącego w linii zasilającej, prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtra oraz napięcia sieci zasilającej, realizujące ciągłe dopasowywanie parametrów filtra do zmieniających się warunków zasilania, poprzez odpowiednią zmianą wartości obciążenia, które stanowi dwójnik o indukcyjności L.

Układ do automatycznej regulacji strojonego filtra pasywnego według wynalazku posiada obwód główny filtra składający się kondensatora połączonego szeregowo z dławikiem i z uzwojeniem pierwotnym transformatora. Do uzwojenia wtórnego transformatora dołączony jest prostownik zasilający układ przekształtnikowy, który obciążony jest na wyjściu dwójnikiem w postaci indukcyjności. Regulacja parametrów obwodu głównego filtra odbywa się poprzez zmianę czasu trwania załączania tranzystorów układu przekształtnikowego, który wpływa na wartość prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika. W ten sposób realizowana jest dyskretna regulacja wartości indukcyjności dodatkowej dołączonej po stronie wtórnej transformatora filtra.

Wartość indukcyjności dodatkowej Ld oblicza się, ze wzoru na częstotliwość rezonansową dla drugiej harmonicznej obwodu głównego filtra. Wartość indukcyjności dodatkowej przelicza się ze strony pierwotnej na stronę wtórną transformatora Tr według wzoru:

gdzie: fi - wartość częstotliwości podstawowej harmonicznej,

Cf - wartość pojemności filtra strojonego,

Urri - wartość napięcia znamionowego strony pierwotnej transformatora Tr, U2T1·- wartość napięcia znamionowego strony wtórnej transformatora Tr,

Układ automatycznej regulacji działa jak regulator prądu (działa na wzorzec zadawanego prądu iw w sieci zasilającej), na którego wejście podawany jest sygnał uchybu prądu ΔΚ, a na wyjściu występuje sygnał Uf sterujący napięciem wyjściowym przekształtnika. Uchyb prądu obliczany jest według formuły:

jako różnicę pomiędzy sygnałem wzorcowym if,, a sygnałami zmierzonymi prądu płynącego w linii zasilającej if oraz prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika i[2 wyrażonymi w jednostkach względnych (indeks górny r wskazuje na jednostki względne - wartości sygnałów podzielone przez wartość maksymalną prądu znamionowego odbiornika /0). Sygnał wzorcowy prądu irw wyrażony w jednostkach względnych przyjmuje postać sygnału sinusoidalnego o amplitudzie wyznaczonej na podstawie harmonicznej podstawowej prądu odbiornika oraz częstotliwości podstawowej harmonicznej napięcia zasilającego. Jest on synchronizowany napięciem sieci zasilającej, a kąt przesunięcia fazowego pomiędzy nimi wynosi 90°. Sygnał uf steruje przekształtnikiem metodą modulacji szerokości impulsów (PWM), współczynnik modulacji amplitudy może zmieniać się w zakresie od 0,2 do 0,8.

Sposób i układ według wynalazku umożliwia szybkie osiągnięcie zadanych parametrów filtra, bez konieczności regulowania intuicyjnego, mogącego prowadzić do chwilowego stanu pogorszenia parametrów, jakości energii elektrycznej.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania układu do sterowania strojonego filtru pasywnego. Układ jest uwidoczniony na rysunku Fig. 1, który przedstawia ogólnie schemat filtra, Fig. 2 przedstawia schemat blokowy układu sterowania. Fig. 3 przedstawia wykres przebiegu prądu w linii zasilającej przy włączonym i wyłączonym filtrze, a Fig. 4 przedstawia wykres przebiegu napięcia zasilającego przy włączonym i wyłączonym filtrze.

Strojony jednogałęziowy filtr pasywny, stanowi połączenie szeregowe kondensatora Cf (3), dławika D (4) oraz transformatora Tr (5). Układ filtra jest włączony równolegle do źródła zasilania Us (1). Transformator Tr (5) posiada uzwojenie pierwotne Li połączone szeregowo z kondensatorem Cf (3) oraz dławikiem D (4), będące elementem gałęzi głównej filtra LC oraz sprzężone magnetycznie z uzwojeniem wtórnym L2, stanowiące element gałęzi regulacyjnej filtra LC. Do uzwojenia wtórnego L2 podłączony jest układ przekształtnikowy zbudowany z prostownika (6) oraz falownika mostkowego (7) regulowanego metodą modulacji szerokości impulsów (PWM) i obciążonego indukcyjnością Ld (8).

Wyjścia układu pomiaru napięcia w sieci zasilającej (11), układu pomiaru prądu płynącego w sieci zasilającej (9) oraz układu pomiaru prądu płynącego w uzwojeniu wtórnym transformatora filtra (10) połączone są z wejściem układu sterującego (12). Odpowiednie wyjścia układu sterującego (12) podłączone są do tranzystorów T1-TA układu przekształtnikowego (7). Układ sterujący (12) wykonany jest w oparciu o układ mikroprocesorowy.

Sygnały analogowe pochodzące z układów pomiarowych (9), (10) oraz (11) podane na wejście układu sterującego (12) poddane są dyskretyzacji. W układzie (12) na podstawie zadanej amplitudy prądu odbiornika generowany jest sygnał wzorcowy prądu irw, przeliczany na jednostki względne oraz przesunięty względem zmierzonego sygnału napięcia zasilającego o 90°. Sygnały cyfrowe odpowiadające prądowi płynącemu w linii zasilającej oraz w uzwojeniu wtórnym transformatora przeliczane są na wartości względne. Układ sterowania działa na wzorzec prądu zadawanego i oparty jest na regulatorze prądu na wejście, którego podawany jest sygnał uchybu obliczany według wzoru:

Na wyjściu regulatora otrzymuje się sygnał sterujący % metodą modulacji szerokości impulsów (PWM) napięciem wyjściowym przekształtnika (7).

Przekształtnik (7) sterowany jest metoda bipolarna, unipolarna jednogałęziowa lub unipolarna dwugałęziowa.

Na rysunku, Fig. 2 przedstawia schemat blokowy układu sterowania, na którym uwidoczniony jest przebieg sygnałów oraz bloki przetwarzające zmierzone sygnały.

Sygnał wzorcowy prądu irw, wyznaczany jest w bloku generatora sygnału prądu wzorcowego, na podstawie maksymalnej wartości prądu znamionowego odbiornika l0 oraz sygnału napięcia w sieci zasilającej uz. Sygnał wzorcowy irw, jest przesunięty względem napięcia uz o kąt 90°, co realizowane jest w blokach detekcji przejścia przez zero i bloku układu synchronizacji oraz przeliczany na jednostki względne. W celu zilustrowania działania układu automatycznej regulacji strojonego filtra pasywnego według wynalazku, na rysunku Fig. 3 przedstawiony jest przebieg prądu płynącego w linii zasilającej iz(t) oraz na Fig. 4 przebieg napięcia uz(t) dla obciążenia (2), które stanowi jednofazowy prostownik tyrystorowy pracujący z kątem załączenia vz = 72°. W przedziale od 0 do 0,1 s układ pracuje bez załączonego układu filtracyjnego, a przebiegi prądu jak i napięcia są znacznie odkształcone. W chwili t = 0.1 s zostaje dołączony równolegle z odbiornikiem układ pasywnego filtra strojonego pracującego według wynalazku, a kształt przebiegu napięcia oraz prądu ulega znaczącej poprawie.

Układ według wynalazku został zrealizowany w skali laboratoryjnej a badanie jego funkcjonowania wykazało skuteczność działania i pozytywny wpływ sposobu automatycznej regulacji parametrów filtra pasywnego na poprawę, jakości energii elektrycznej w sieci zasilającej nieliniowy odbiornik energii o zmiennym obciążeniu.

Sposób i układ automatycznej regulacji parametrów filtra pasywnego są przeznaczone dla eliminowania wpływu zakłóceń na sieć zasilającą.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób regulacji przestrajalnego filtra pasywnego, przyłączonego równolegle do jednofazowej linii zasilającej, składającego się z szeregowo połączonego kondensatora C, dławika D i uzwojenia pierwotnego Li transformatora Tr, a do oddzielonego galwanicznie uzwojenia wtórnego l_2, transformatora Tr, przyłączony jest mostek prostowniczy oraz przekształtnik impulsowy prądu przemiennego DC/AC, który regulowany jest przez układ sterowania zawierający modulator PWM sterowany metodą bipolarną, unipolarną jednogałęziową lub unipolarną dwuga-łęziową, zaś na wyjściu przekształtnika impulsowego prądu przemiennego DC/AC podłączona jest szeregowo impedancja o znanych parametrach, a sterowanie odbywa się na podstawie parametrów prądu płynącego w linii zasilającej, prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtra oraz napięcia sieci zasilającej, których mierzone wartości przesyłane są do układu sterującego, znamienny tym, że: • mierzy się wartość chwilową prądu płynącego w linii zasilającej iz(t), • mierzy się wartość chwilową prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtra iL2(t), • mierzy się wartość chwilową napięcia w sieci zasilającej uz(t), • generuje się, na podstawie wartości chwilowej napięcia w sieci zasilającej uz(t), wzorcowy sinusoidalny sygnał prądu w sieci zasilającej iw(t), o amplitudzie wyznaczonej na podstawie harmonicznej podstawowej prądu odbiornika, który jest przesunięty względem napięcia sieci zasilającej o 90°, • odnosi się zmierzone sygnały do wartości maksymalnej prądu znamionowego odbiornika i wyznacza się wartości względne, a następnie na postawie wartości względnych prądu płynącego w linii zasilającej irz i prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtru i[2 oraz sygnału wzorcowego irw wyznacza się wartość uchybu zgodnie ze wzorem:

a otrzymany sygnał Air podaje się, jako uchyb regulacji, na wejście regulatora prądu, który wyznacza sygnał napięcia wyjściowego przekształtnika urs, sterującego pracą modulatora szerokości impulsów PWM, generującego sygnały załączające tranzystory falownika, a zmiana czasu załączenia tranzystorów wpływa na kształt i wartość prądu w obwodzie wtórnym transformatora Tr.

2. Układ regulacji przestrajalnego filtra pasywnego przyłączonego równolegle do jednofazowej linii zasilającej, składającego się z szeregowo połączonego kondensatora C, dławika D i uzwojenia pierwotnego Li transformatora Tr, a do oddzielonego galwanicznie uzwojenia wtórnego l_2, transformatora Tr, przyłączony jest mostek prostowniczy oraz przekształtnik impulsowy prądu przemiennego DC/AC, na wyjściu którego podłączona jest szeregowo impedancja o znanych parametrach, zaś sterowanie odbywa się na podstawie parametrów prądu płynącego w linii zasilającej, prądu płynącego w obwodzie wtórnym dławika filtra oraz napięcia sieci zasilającej, znamienny tym, że gałąź główna regulowanego filtra zbudowana jest z szeregowo połączonego kondensatora Cf (3), dławika filtra D (4) oraz uzwojenia pierwotnego transformatora Tr (5), którego uzwojenie wtórne zasilane jest przez układ przekształtnikowy zbudowany z prostownika (6) oraz falownika mostkowego (7) obciążonego indukcyjnością Ld (8), przy czym sterowanie tranzystorami T1-T4 układu przekształtnikowego (7) realizowane jest przez układ sterujący (12), którego odpowiednie wyjścia połączone są z bazami odpowiednich tranzystorów T1-T4 a do wejść układu sterującego (12) przyłączone są wyjścia; układu pomiaru napięcia w sieci zasilającej (11), układu pomiaru prądu płynącego w sieci zasilającej (9) oraz układu pomiaru prądu płynącego w uzwojeniu wtórnym transformatora filtru (10).

3. Układ regulacji przestrajalnego filtra pasywnego według zastrz. 2, znamienny tym, że wartość indukcyjności dodatkowej Ld, wpiętej pomiędzy emiter tranzystora T1 i kolektor tranzystora T2 a emiter tranzystora T3 a kolektor tranzystora T4, oblicza się, ze wzoru na częstotliwość rezonansową dla drugiej harmonicznej obwodu głównego filtra i wylicza według wzoru;

gdzie: /1 - wartość częstotliwości podstawowej harmonicznej, Cf - wartość pojemności filtra strojonego, Utm - wartość napięcia znamionowego strony pierwotnej transformatora Tr, U2Tr- wartość napięcia znamionowego strony wtórnej transformatora Tr.