АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИК
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

Михаил Пронин, к.т.н., начальник бюро электроприводов переменного тока
ОАО «Силовые машины», филиал «Электросила», г. Санкт-Петербург

В энергосистемах, содержащих мощные потребители энергии с полупроводниковыми преобразователями, обычно существенно искажаются напряжения и токи электросетей. Особенно велики искажения при наличии в системах мощных преобразователей на однооперационных тиристорах. Коммутационные процессы в этих устройствах также приводят к возникновению в сетях резонансных явлений.
В большинстве случаев для снижения искажений напряжения сети применяют резонансные LC-фильтры, а также RC-цепи. Вместе с тем современное состояние силовых полупроводниковых систем позволяет для улучшения качества электроэнергии использовать активные фильтры, построенные, например, на модулях IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) [1–14]. Эти устройства могут выполнять и другие задачи: компенсировать реактивную мощность электросетей, восстанавливать симметрию напряжений. В качестве мощных активных фильтров рассматривается применение многоуровневых, многотактных и каскадных полупроводниковых преобразователей. Разрабатываются также преобразователи других типов.

Многотактные фильтры

Схема активного фильтра с многотактным преобразователем представлена на рис. 1 (аналог описан в [13]).
Активный фильтр содержит многообмоточный трансформатор Тr, несколько транзисторных мостовых выпрямительных мостов, включенных параллельно и работающих совместно с общей конденсаторной батареей C, и трехфазную RC-цепь, подключенную к электросети. В трансформаторе Тr вторичные обмотки могут быть выполнены без сдвига по фазе, что существенно упрощает его конструкцию. Управление транзисторными мостами в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется путем сравнения пилообразных опорных напряжений с трехфазной системой напряжений управления. Опорные напряжения различных мостов взаимно сдвинуты по фазе на углы, равные отношению 2p к количеству мостов. Для всех мостов используется одна и та же трехфазная система напряжений управления, которая формируется регуляторами, обеспечивающими поддержание заданного напряжения конденсатора C, подавление неосновных составляющих токов и напряжений сети, компенсацию реактивной мощности сети и т. д. Для улучшения качества фильтрации токов и напряжений сети каждый транзисторный мост работает на повышенной частоте ШИМ, например 4–10 кГц. При шести параллельно включенных мостах эквивалентная частота ШИМ по отношению к сети составляет 24–60 кГц. На этих частотах обеспечивается достаточно точная фильтрация высших гармонических токов сетей в диапазоне частот, определенном ГОСТ 13109-97 – до 2000 Гц (при частоте основных составляющих 50 Гц). Фильтруются также составляющие более высоких частот. Вместе с тем на частотах 24–60 кГц и выше активный фильтр является генератором гармонических составляющих и для их подавления используются RC-цепи.
К особенностям многотактных систем относится то, что преобразовательная часть систем сравнительно низковольтна. Среди достоинств таких фильтров можно отметить, что в них ток нагрузки конденсатора в звене постоянного напряжения существенно уменьшается при увеличении количества параллельно работающих мостов.

Другое направление развития силовой преобразовательной техники – разработка активных фильтров с многоуровневыми полупроводниковыми преобразователями. На рис. 2 представлена одна из возможных схем активного фильтра с 5-уровневым преобразователем.
Активный фильтр содержит транзисторный мост, подключенный к электросети через фазные дроссели L, и RC-цепи. В каждом плече моста содержатся несколько последовательно включенных транзисторов. Напряжения между ними делятся при использовании последовательно включенных конденсаторов в звене выпрямленного напряжения и дополнительных диодов. «Гладкая» составляющая напряжения фазы сети формируется при работе в режиме ШИМ сначала одного транзистора в плече моста, потом другого и т. д. В каждый момент времени в каждом плече моста в режиме ШИМ работает только один транзистор. За счет этого в 5-уровневом преобразователе, по сравнению с двухуровневым, амплитуда пульсаций напряжений фаз на частотах ШИМ меньше в 4 раза (в 7-уровневом мосте амплитуда пульсаций меньше в 6 раз), в несколько раз меньше динамические потери энергии в полупроводниковых элементах. При этом обеспечиваются возможности повышения частоты ШИМ, например до 20 кГц.
Частоты пульсаций напряжений сети соответствуют частотам переключения транзисторов. На частотах ШИМ и выше активный фильтр является генератором гармоник, и для их подавления используются RC-цепи.
Достоинством многоуровневых преобразователей является возможность их выполнения высоковольтными без трансформаторов. Токовые нагрузки конденсаторов в многоуровневом преобразователе выше, чем в многотактном. При практическом применении должен быть решен вопрос равномерного распределения напряжений между последовательно включенными конденсаторами.

Еще одно направление разработки активных фильтров – системы с каскадными преобразователями, или так называемые системы с «плавающими» конденсаторами. Одна из возможных схем такого фильтра представлена на рис. 3.
Активный фильтр содержит полупроводниковый преобразователь, в каждой фазе которого несколько низковольтных однофазных преобразователей соединены последовательно, образуя высоковольтный преобразователь, который может быть подключен непосредственно к электросети. Каждый однофазный преобразователь работает в режиме ШИМ и обеспечивает поддержание заданного напряжения на своей конденсаторной батарее. Кроме этого, путем регулирования напряжений управления обеспечивается фильтрация токов и напряжений сети. По свойствам активные фильтры с «плавающими» конденсаторами близки к фильтрам с многоуровневыми преобразователями.

Рис. 1. Схема многотактного активного фильтра

Рис. 2. Схема многоуровневого активного фильтра

Рис. 3. Схема активного фильтра с «плавающими» конденсаторами

Рис. 4. Схема активной фильтрации токов сетив приводе вентилятора

Рис. 5. Токи преобразователя вентилятора и активного фильтра

В качестве примера рассмотрим возможности фильтрации токов, потребляемых из сети 12-пульсным тиристорным преобразователем ТПЧ2-6-03 привода вентилятора главного проветривания рудника «Северный Глубокий» [4, 5]. Мощность привода 3,7 МВт, напряжение сети 6 кВ, частота 50 Гц.
Схема фильтрации представлена на рис. 4. Выпрямительные мосты преобразователя вентилятора подключены к электросети через трансформаторы Tr1 и Tr2, через которые привод вентилятора потребляет из сети токи I_v1, I_v2, I_v3. (см. рис. 5). Для фильтрации токов сети использован активный фильтр, который содержит трех-уровневый транзисторный мост, подключенный к сети через трансформатор Tr3. Система управления выделяет из токов i_vn привода вентилятора неосновные гармонические составляющие и обеспечивает формирование активным выпрямителем таких же гармонических составляющих токов i_tn (n = 1, 2, 3), но в противофазе.
В результате в сети осуществляется взаимная компенсация высших гармонических составляющих токов привода вентилятора и активного фильтра и токи сети i_sn приближаются по форме к синусоиде. Токи в системе, рассчитанные на математической модели для номинального режима работы, изображены на рис. 5.
В рассматриваемом случае мощность активного фильтра 550 кВА (15% от мощности привода вентилятора). Частота ШИМ активного фильтра 8 кГц. После включения фильтрации коэффициент искажения синусоидальности токов сети уменьшился в 4,5 раза. В модели системы учтены особенности привода вентилятора в соответствии с [4, 5]. В том числе учтены неточности регулирования выпрямленных напряжений тиристорных мостов, неточности распределения токов между мостами. Указанные погрешности системы отражаются на неполной компенсации в токах, потребляемых 12-пульсным выпрямителем, 5-й, 7-й, а также ряда других гармонических составляющих.
Активные фильтры, в отличие от резонансных, подавляют все неосновные составляющие токов в определенном диапазоне частот, в том числе указанные канонические, а также неканонические и низкочастотные составляющие.

1. В отличие от резонансных фильтров, активные фильтры подавляют все неосновные составляющие токов сетей в определенном диапазоне частот, в том числе неканонические и низкочастотные составляющие.
2. Активные фильтры являются многофункциональными устройствами и, кроме фильтрации токов и напряжений электросетей, могут обеспечивать компенсацию реактивной мощности и симметрирование трехфазных систем токов и напряжений.
3. Активные фильтры могут быть выполнены многотактными, многоуровневыми, каскадными. Многообразие исполнений фильтров, широкие возможности формирования их параметров позволяют при современной элементной базе синтезироватьактивные фильтры с высокими технико-экономическими показателями для использования их в промышленных электросетях и электроприводах.