автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Анализ и исследование нового класса силовых фильтров для трехфазных промышленных сетей 380 В

На правах рукописи

ггс од

2 з К:-0Н 2Ж1

СТРИКОС ДИМИТРИОС

АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО КЛАС С А СИЛОВЫХ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ТРЕХФАЗНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ 380 В

Специальность 05.09.03 - Элсктротехиологнческие комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

гЧ

Москва — 2000 г.

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Буре И.Р.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Розанов Ю.К.

кандидат технических наук, доцент Егоров А.В.

Ведущее предприятие -

00 "Электропроект-М"

Защита диссертации состоится 09 июня 2000 г. в аудитории N1-214 в Iff час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 053.16.06. Московского энергетического института (технического университета) по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г.Москва, ул.Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "С" Г 2000 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета К 053.16.06

Кандидат технических наук, доцент АнчароваТ.В.

ОШЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛЬОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из существенных аспектов политики энергосбережения в электроэнергетике является проведение широкого круга мероприятий, направленных на уменьшение потерь электрической энергии и повышение сб качества. _

Широкое применение в промышленности регулируемых электроприводов и современной электротехнолог ии в большинстве своем связано с использованием специальных источников питания. >ги источники птания, как правило, имеют в своем составе различные типы вентильных преобразователей (неуправляемые и управляемые выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и т.п.) или регуляторы (мощности, напряжения).

Для питающей сети такие источники являются нелинейной нагрузкой. К нелинейным нагрузкам относят также установки дуговой и контактной электросварки, электролуговые сталеплавильные печи, газоразрядные лампы, силовые трансформаторы и пр., которые приводят к возникновению в питающей сети несинусоидальных режимов, т.е. появлению высших гармоник токов и напряжений, и дефициту реактивной мощности. В связи с этим начинают предъявляться повышенные требования к энергетическим характеристикам нелинейных потребителей. В результате встает вопрос об электромагнитной совместимости ( Г)МС ) приемников электрической энергии, получающих питание от одной распределительной сети предприятия

Для уменьшения негативного влияния нелинейных нагрузок в распределительных сетях промышленных предприятий и цеховых сетях наибольшее распространение получили фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), которые используются одновременно и в качестве фильтров высших гармоник и в качестве устройств компенсации реактивной мощности. Однако существующие ФКУ имеют ряд недостатков, которые в эксплуатации значительно снижают их эффективность

Поэтому совершенствование существующих ФКУ и разработка на их основе устройств, позволяющих существенно снизить уровень высших гармоник тока и напряжения в трехфазных сетях переменного тока, является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является: оценка эффективности работы комбинированного фильтра, выполненного на базе стандартного ФКУ, определение области его применения и анализ его работы и устойчивости с использованием пакета программ Ряркс, адаптированных к расчету силовых трехфазных сетей переменною тока

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие чадами:

- сделана классификация потребителей 'электрической энергии, являющихся источниками высших гармоник в трехфазных сетях переменного тока;

- составлена справочная таблица расчетных выражений для определения токов высших гармонических в питающей сети от различного вида нелинейны* потребителей;

- рассмотрены существующие способы улучшения электромагнитной со-имсстимости в системах электроснабжения промышленных предприятий,

- рассмотрены возможности нового перспективного класса силовых фильтров: активных, гибридных и комбинированного и выбраны для исследований гибридный и комбинированный с последовательным соединением пассивной части и активной;

- исследована возможность использования для анализа и моделирования силовой трехфазной сети с нелинейной нагрузкой и фильтром автоматизированных программ схемотехнического моделирования;

- разработана математическая модель гибридного фильтра;

- исследовано по программам NAP 2 и Pspice влияние параметров сети на подавляющие свойства пассивного, гибридного и комбинированного фнлырои,

- проведен анализ устойчивости работы системы «сеть - комбинированный фильтр - нелинейная нагрузка»;

- проведена оптимизация параметров активной части комбинированного фильтра - источника компенсирующего напряжения;

- проведена оценка эффективности работы комбинированного фильтра.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы принятые в электротехнике, в теориях полупроводниковых преобразователей, электрических фильтров и электрических сетей. Для машинного моделирования использовались автоматизированные программы расчета электронных схем NAP 2 и Pspice.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справедливость теоретических положений подтверждена результатами компьютерного анализа и сравнением последних с экспериментальными данными, расхождение не превышает 30 %.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сделана классификация нелинейных потребителей в трехфазных сетях промышленных предприятий н составлена таблица для определения состава и значений токов высших гармоник в зависимости от вида потребителя, его мощности и питающего напряжения;

- доказана возможность использования автоматизированных программ схемотехнического моделирования для расиста силовых трехфазных схем.

- показано, что за основной параметр, характеризующий эффективность работы компенсирующего источника и частотные свойства комбинированного фильтра может быть принят коэффициент пропорциональности межлу напряжением источника и током фильтра - р;

- разработана математическая модель комбинированного фильтра;

- показана эффективность работы комбинированного фильтра, работающего по принципу компенсации падений напряжения на активных сопротивлениях резонансных контуров и имеющего один компенсирующий источник в активной части.

Основные практические результаты.

1. Определены амплитуды токов высших гармоник от мостового преобразователя при работе его на чисто активную нагрузку, показано, что амплитуда 5-ой гармоники больше, а остальных гармоник - меньше по сравнению с приведенными в литературе значениями.

2. Сложный фильтр типа ФКУ следует рассматривать как единую систему из-за взаимодействия отдельных ветвей простых фильтров и настраивать па фиксированные частоты необходимо не отдельные ветви, а оптимизирован, сложный фильтр в целом.

3 Показано, что большую эффективность даст оптимизация ФКУ fio минимуму тока гармоник в питающей сети или по минимуму напряжения на фильтре.

4. Индуктивность питающей сети оказывает влияние на оптимизируемый параметр и се необходимо учитывать при оптимизации гибридного филыра Эффективность работы гибридного фильтра гем выше, чем больше индуктивность сети.

5. Сформулированы условия устойчивости системы «сеть - гибридный фильтр - нелинейная нагрузка», необходимость соблюдения которых не позволяет снизить активные сопротивления ветвей фильтра ниже, чем до 30 "i. от их номинальных значений.

6. Комбинированный фильтр позволяет снизить уровень высших гармоник в сети в большей степени, чем пассивный фильтр тина ФКУ.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на Ви>-рой международной научно-технической конференции «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики» (Москва, 1995 г.) и на научно-технической конференции «Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование» (Новомосковск, ¡998 г.)

&

Публикации. Но теме диссертации опубликованы 2 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Список литературы насчитывает 70 наименования. Общий объем 162 страницы, из них 96 страниц машинописного текста, 60 рисунков на 47 страницах, 21 таблица па 19 страницах, список литературы на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана обшая характеристика работы.

В первой главе рассмотрено влияние высших гармоник тока и напряжения на элементы системы электроснабжения и работу потребителей электрической энергии. Показано, что задачу обеспечения электромагнитной совместимости необходимо решать комплексно, учитывая также свойства системы электроснабжения.

Проведен обзор и сделана классификация основных источников высших гармоник в промышленных сетях, на основании которого составлена справочная таблица расчетных выражений для определения состава и значений токов высших гармонических в питающей сети в зависимости от вида потребителя, его мощности и напряжения литания.

Рассмотрены существующие методы и способы улучшения ЭМС в СЭС. Наиболее эффективным и экономичным способом уменьшения несинусоидальности напряжения, особенно в сетях до 1000 В, являются силовые резонансные фильтры. Для дальнейших исследований с целью улучшения ЭМС в цеховых сетях 380 В с нелинейными потребителями выбраны силовые фильтры.

Во второй главе рассматриваются схемы современных силовых фильтров для трехфазных сетей с целью использования их в системах электроснабжения предприятий.

Наиболее распространенными в настоящее время являются резонансные однозвенные или многозвенные фильтры, настроенные на отдельные гармоники, а также фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Эти фильтры просты и экономичны. Однако, они имеют ряд недостатков: фиксированная частота настройки, возможность появления резонанса в электрической сети и перекомпенсации, а также значительные габариты.

Анализ литературы показал, что в последние годы вей больше внимания уделяется вопросам исследования, разработки и практического исполь-

зования схем силовых активных и гибридных фильтров, применение кшормх позволяет устранить недостатки, характерные для резонансных филыров высших гармоник.

Силовой активный фильтр представляет собой дополнительный источник токов высших гармоник, равных по амплитудному значению и противоположных по знаку токам высших гармоник нелинейной нагрузки и должен быть рассчитан на полную мощность компенсируемых гармоник.

Гибридные сочетают в своей схеме активный фильтр и пассивные резонансные контуры, обычно настроенные на 5 и 7-ую гармоники. Совместное использование фильтрующих активных и пассивных злементов позволяем устранить те недостатки, которые присущи каждому фильтру при самостоятельной их работе.

Однако анализ известных по публикациям схсм активных и гибридных фильтров показал, что они имеют ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются: генерация преобразователем фильтра высших гармоник и сложность алгоритмов их управления, а также большие аппаратурные затраты для их реализации. При больших мощностях нелинейных на! рузок возрастают стоимость и габариты АФ, что экономически, особенно ;ьтя низковольтных сетей, может быть не оправдано.

Указанные недостатки активных и гибридных фильтров в значительной мере устранены в разработанном на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий комбинированном фильтре.

Комбинированный фильтр (КФ) состоит из стандартного ФКУ, настроенного на 5, 7, II и 13-ую гармоники, и активного фильтра, включенною последовательно с ФКУ при выполнении условия равенства резонансных сопротивлений контуров пассивной части комбинированного фильтра, т с ФКУ

г|ре1 г?р01 2у|1с! . (i)

11рипципналы1ая схема КФ показана на рис. I.

Активный элемент комбинированного фильтра обеспечивает компенсацию активног о сопротивления ( ~ 0) контуров на их резонансной частоте не <а-висимо от отклонений параметров пассивных элементов и часто(ы источника переменного тока, т.е. активный элемент выполняет роль "отрицательного сопротивления''.

Для проверки пре,чложенного принципа фильтрации высших гармоник и работы КФ в различных режимах как установившихся, так и переходных на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий была создана же-

исримсшаш.иая устишшка, моделирующая цеховую сеть с нелинейной нагрузкой, и физическая модель комбинированного филмра (рис. I).

Исследования разработанного КФ проводились двумя путями: экспериментально и с помощью машинного моделирования, которое позволяет оценить работу фильтра в таких режимах, которые экспериментально трудно осуществимы.

Третья глава посвящена анализу фильтров типа ФКУ (гибридных и комбинированного) с помощью программ схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Такие фильтры представляют собой сложную электротехническую систему с точки зрения электромагнитного взаимодействия её элементов.

При параллельной работе LC - контуров неизбежно их влияние друг на друга. В гибридных и комбинированном фильтрах эта сложная система работает ещё и совместно с активной частью, генерирующей дополнительную мощность во всю систему.

Поэтому при разработке, проектировании и создании таких сложных электротехнических устройств приходится искать наряду с традиционными и новые технические решения.

Одним из них является применение автоматизированных универсальных программ анализа, которые требуют описание схемы устройства на привычном электротехническом языке и без труда перестраиваются не только на другие значения элементов схемы, но и другую ей структуру.

Компьютерный анализ комбинированного фильтра выполнялся при помощи автоматизированных программ расчета электронных схем NAP 2 и Pspice . Исходной для анализа послужила схема экспериментальной установки (рис 1) с нелинейной нагрузкой в виде «трансформатора с неуправляемым мостовым выпрямителем», подключенного к сети через регулируемые реакторы Lc, которые моделируют индуктивность сети. На вход нелинейной нагрузки могут подключаться либо пассивный фильтр типа ФКУ, либо комбинированный с пассивной частью (тем же ФКУ) и активной частью.

С помощью автоматизированных профамм были проведены исследования системы "трехфазная сеть трехфазный пассивный фильтр - мостовой выпрямитель". Определены состав и амплитуды высших гармоник тока, потребляемого силовым преобразователем из сети при чисто активной нагрузке с учетом индуктивности сети, показано, что относительная амплитуда 5-ой гармоники больше, а остальных гармоник меньше по сравнению с приведенными в литературе значениями. Полученные результаты спектрального анализа и характеристики коэффициентов гармоник тока К) и напряжения Кп, коэффициентов мощности X и cos <pi соответствуют положениям теорий

Принипмшльмая схема чкспсримсмraju.iitni усташшкм с комбкнирокакнмм фильтром

Рис 1

Эквивалентная схема системы "сеть сложный фильтр - источник высших гармоник"

J,

»Г

-■ГГиГ.,

<v =

<6,Ъ0н I

1Л

750k 350Я, 550ГЧ бЬОГч

W \ '■j- 1 '?<J.Jrr'l ( «V i

: < =

р,-

I

=

•то* I

<> -

п

I !

iA (^

j - I'd 7

у

'■К

flic

полупроводниковых преобразователей и электрических фильтров, что подтверждает возможность использования автоматизированных программ расчета электронных схем NAP 2 и Pspice для расчётов силовых электрических схем с достаточной достоверностью.

Был проведен анализ ФКУ во временной и частотной областях. Эквивалентная схема для определения амплитудно - частотной и фазо - частотной харакзеристик системы «сеть - сложный фильтр» показана на рис.2. В этой схеме выпрямитель представлен источником синусоидального тока с амплитудой I А и диапазоном изменения частоты от 0 до 700 Гц. Внугреннес сопротивление источника питания принято равным нулю. На схеме обозначены токи. I, ток источника высших гармоник на задаваемой частоте f и

указанного диапазона; If - общий ток сложног о фильтра, 1|Х - ток сети.

Проводимость сложного фильтра Yf, состоящего из п простых фильтров, есть сумма проводимостей отдельных ветвей Y|,

У,-¿У,,- (2)

t I

где

V 1 Л ^'^'.'».J I (3)

Гели определять to, как частоту, на которой (фаза Yf) = (фаза Zf) = 0, то из решения этого уравнения получим комбинацию частот ю, и число их будет в общем случае равно (2п - 1). При этом каждая из частот ш, не обязательно равна резонансной частоте ок отдельно взятой ветви сложного фильтра.

Расчеты АЧХ были проведены для разных значений индуктивности сети. Анализ АЧХ (рис.3) и ФЧХ (рис.4) показал, что частоты экстремумов токов Ii t и If не совпадают с резонансными частотами (250, 350, 550, 650 Гц), как не совпадают с ними и частоты, где фаза Zf ~ 0.

Проведенные расчёты параметров, характеризующих систему «сеть -фильтр», напряжение фильтра Иг, ток фильтра If, отношение токов сети и фильтра \\J If, модуль реактанса фильтра|/г|„м, и его фаза - (фаза Zf), - в

диапазоне частот от 0 до 700 Гц позволили выявить частоты, на которых эти параметры имеют экстремальные значения, и установить, что они зависят от индуктивности сети Ц-. Кроме того, наблюдается сильная зависимость параметров от частоты.

Ампл1пудно - частотная характеристика с южнот фильтра при 1 м! н

Рис 1

Фаю - частотная характеристика сложного фильтра

Рис 4

Из проведенного анализа следует, что настраивать на фиксированные частоты необходимо не отдельные ветви, а оптимизировать сложный фильтр в целом. Для прояснения этого вопроса была проведена оптимизация по каждому из параметров {1!г = (Щ*,™; = (ЬД«,,; 1Г= (1,)мн„; 1и/ 1г = Ои/ 1|)м„и; |2,(= ¡2г|ммь фаза 0). При оптимизации оставались неизменными значения емкостей Сг, всех ветвей фильтра, а значения иидуктивностей ветвей Ь,, изменялись в к; раз относительно базового значения (одновременно К( ; изменялось в к, раз). Этими изменениями добивались, чтобы сложный фильтр был оптимален по какому-либо из параметров именно на фиксированных часто-

тах 250 Гц, 350 Гц, 550 Гц и 650 Гц, причем на всех одновременно. Значения L|, и Rr, on шмалышх фильтров сведены в табл. 1

Сравнение эффективности действия оптимальных но различным параметрам фильтров между собой и с неоптимизированным фильтром показало, что значения коэффициента гармоник тока К| и коэффициента искажения синусоидальности напряжения Кц не сильно завися т от того, по какому параметру оптимизирован фильтр Тем не менее, наименьшее значение Кг ~ 21,4% и Ки = 2,58 и 2,6 имеют фильтры, оптимизированные по минимуму тока сети lu или минимуму напряжения на фильтре Ut. Номиналы компонентов этих фильтров наиболее близки друг другу (табл. I).

Система "сеть выпрямитель", рабо тающая без фильтра, имеет при ~ 5 мГп коэффициенты К| - 26,6% и Кц - 3,55, т.е. снижение за счСт использования фильтра коэффициента К| составляет 19,5%, а коэффициента Кц 27,3%.

Следует заметить, что номиналы компонентов оптимального фильтра зависят от значения индуктивности сети Ц. Гели изменить значения Lc, то частота, на которой ток lu минимален, будет изменяться и по девиации частоты минимума можно количественно оценить влияние Ц-.

Таблица 1

Численные значения сопротивлений и нндустнвностен оптимальных филы ров

оптимальность rto параметру.. Значение АЛИ... Ночср &СТВИ фильтр«

1 ■» 1 4

ИС\П 1Ш.1С ШЛЧСНИЯ ком-шшешов филырэ I.i. мГ ii III. Ом 75.IKKI 16.100 6X.200 ______ 17 100 72 (. »4 17.647 7H, «X) 17,41« 54,1(X> JV'»

. U|-(U/|mhh Li. мГн Ri.Om XI (ИХ) 16.914 80.649 17,659 56. m 15,890

lie (ll.C)MHIl l.c Чм[н Li. мГн Ri.Om XV250 17.174 7VM7 I7.RU 81.119 17.71(1 4>.60H 15.928

...Пс-ЦЬомин Lc-ЗОмГи ...Li. mTh Ri. Ом 77.250 16.541 70.5X7 17, ТУ 7 7V.OK1 17,487 55.658 15.704

II (Щчакс Li. mI ii Hi, Om 6У.<КХ) 15.614 65 111 16.711 71,415 16.906 52,458 15.110

U c/ir-<IU'/IOMHH Li, мГн Ri.Om 7,1.7H5 If.. 177 6K.XX2 17.185 7X.«XI 17.400 55.250 15.716

mod! 7.Г; - (modiZP,)«"« Li. мГн Ri.Om 71.50« 16,1V. 68.541 17.143 7XKX) 17,400 55.115 15,717

...(|ma!ZP,-o Li. мГи ...Ri. Ом 77.54» 16.575 67.W.X 17.0 VI 78.100 I7.4M) 51.008 15.4)1

В дальнейших исследованиях использовались параметры фильтра оптимизированного по минимуму тока сети 1|А.

Сравнительно небольшое улучшение качества сетевого тока lu, характеризуемое уменьшением Кг и Кц, даже для фильтров, оптимизированных по параметру lu ~ OuW.i, связано с большой величиной активного сопротивления обмоток реакторов фильтра.

Для количественной опенки влияния сопротивлений на параметры системы был поставлен численный эксперимент. В качестве изменяемого параметра был выбран коэффициент уменьшения значения сопротивления филы -ра К«. Результаты численного эксперимента показали, что значение активного сопротивления реакторов весьма существенно влияет на коэффициент гармоник по току К| и в меньшей мерс на коэффициент гармоник по напряжению Ки- При уменьшении активного сопротивления обмоток реакторов в 50 раз К| снижается с 21,9% до 5,2%, т.е. в 4 раза, коэффициент К и при этом снижается всего на 30%.

Из сравнения временных диаграмм тока сети I|t следует, что уменьшение активных сопротивлений реакторов фильтров эффективно улучшает форму сетевого тока. На практике достичь этого можно либо путем увеличения сечения обмоток, что не рационально, либо с помощью введения положительной обратной связи по току фильтра для компенсации его активных сопротивлений, как это сделано в комбинированном или гибридных фильтрах.

Четвертая глава посвящена компьютерному анализу комбинированного фильтра и сравнению результатов машинного и физического моделирования.

В комбинированном фильтре близким по принципу действия к гибридным фильтрам компенсация активног о сопротивления ветвей может быть осуществлена путем включения последовательно с ними источника напряжения, противоположного по знаку падению напряжения на сопротивлении. Глубина компенсации зависит от соотношения напряжения источника и падения напряжения на сопротивлении. При равенстве этих напряжений по амплитуде и фазе может быть получена полная компенсация. Напряжение компенсирующего источника, являющегося активной частью (АФ) как гибридного, так и комбинированного фильтра, должно быть функцией протекающего через фильтр тока.

Если через i-ую ветвь фильтра протекает ток амплитудой I, м и фазой <р„ то амплитуда напряжения на активном сопротивлении i-ой ветви R, будет равна

а фаза будет равна <р,.

ы

Общин ток фильтра имеет амплитуду !| м и фату ф| и является суммой токов всех ветвей фильтра. Мели компенсирующий источник с напряжением '-«»up включен последовательно с фильтром в целом, а коэффициент пропорциональности между F.,:,,,,,,, и I) равен (- р), то амплитуда напряжения Ut„„p,M компенсатора вычисляется как

Utnmp.M ~ - р ■ If М < (5)

а фата U,.,,,,,,, совпадает с фатой Ь.

Компенсирующим действием будет обладат ь не все напряжение Wl(>mp, а только та сю часть U"c„,p.4 , которая является проекцией вектора напряжения U„,„,r на вектор (>Kj

irv,mp.« ^ - р ' lis,' cos(ф, - (рг). (б)

Поскольку фаза U~u,,„,,_, совпадает с фазой тока i-ой ветви фильтра I, и фазой напряжения |)к , остаточное напряжение на активном сопротивлении

i-ой ветви фильтра U,,.4 I равно

И,«., ^ 1,м 'К. - Р • Ii«• cos (ip, -ф|). (7)

Аналогично можно определить как остаточное, нсскомпснсированнос акт ивное сопротивление i-ой ветви фильтра

Тогда коэффициен т уменьшении значения активного сопротивления фильтра К|< будет равен

Поскольку отношение 1| м/ !1М и значение cos (ф, - ф() являются параметрами i-ой ветви фильтра и если эти значения неизменны, то Kr, есть линейная функция р.

Выражения (4) - (9) являются математической моделью активной части гибридного фильтра с последовательным включением пассивной и активной части, а вместе с выражениями (!) (3) дают полную математическую модель гибридного фильтра.

Анализ результатов показывает, что при изменении р от 0 до 20 Ом, т.е. увеличении напряжения компенсирующего источника, девиация частоты при L<; ~ 5 мГн доходит до 4,3%, что очень много для избирательной системы. При 1< - 30 мГн это значение меньше и составляет 2%

Введение компенсирующего источника позволяет при фиксированных частотах, т.е. при настройке каждой из входящих в сложный фильтр ветвей на собственную частоту, получить снижение тока высших гармоник в сети на 20 25% при Ц- 5 мГн. С увеличением индуктивности сети эффективность введения компенсирующего источника при тех же значениях р выше

(8)

К: *

IM

(9)

Ii

при Ц- r 30 мГн получили снижение тока 1|Л н 2 и более раз в зависимости от номера ветки.

Для остальных ветвей эти зависимости аналогичны, они наглядно показывают, как влияют резонансные ветви в сложном фильтре друг на лрут а: минимальные значения тока сети 1|Х наблюдаются не на частотах настройки контуров - 250 Гц, 350 Гц, 550 Гц, 650 Гц, а на более низких (например, при Lc = 5 мГн это - 241, 335, 541, 630 Гц, соответственно).

При этом снижение тока на этих частотах (р = 17,5 Ом) получаем в 20 25 раз, а не на 20 - 25% как при фиксированных частотах, причем независимо от индуктивности сети. То есть практически весь ток высших гармоник, генерируемый источником, замыкается через фильтр.

Следовательно, если и сложном фильтре изменить настройку резонансных ветвей в сторону увеличения частот, то можно найти такую собственную резонансную частоту для каждой ветви, при которой при работе компенсирующего источника токи высших гармоник в сети пыли бы минимальны на канонических частотах 250 Гц, 350 Гц, 550 Гц, 650 Гц.

Однако при этом встает вопрос об устойчивости системы " сет ь гибридный фильтр - источник высших гармоник так как при таком резком изменении тока гибридного фильтра, работающего с положительной обратной связью, возможно нарушение устойчивости его работы.

Был проведен анализ работы гибридных фильтров в частотной области. Для потери устойчивости системы "сеть - гибридный фильтр - выпрямитель" необходимо одновременное выполнение условий

где 1т(Х| ) мнимая часть импеданса 7,<

Анализ показал, что эти условия выполняются для !<• = 5 мГп при р 20 Ом в диапазонах всех частот близких к резонансным, при р = 17,5 Ом к диапазонах частот 7, 11 и 13 гармоник. При более низких значениях р оба условия одновременно не выполняются, хотя при р, лежащем в диапазоне 12,5... 15 Ом можно ожидать заметных искажений формы гока сети в связи с довольно существенным заходом вектора Zrв отрицательную полуплоскость.

Таким образом, максимальным значением р следует считать рш„,с 12,5 Ом. На рис.5 показана зависимость коэффициента гармоник К[ от р.

Для проверки теоретических положений был исследован комбинированный фильтр экспериментальной установки (рис. 1).

В комбинированном фильтре источник компенсирующего напряжения, т.е. активная часть фильтра, схемотехнически реализован на эмитгерном по-

abs J Re (Zf)/Im(Zr)} > 1 и Re (Z,) < 0,

(10) (II)

Зависимость коэффициента гармоник Кг от коэффициента р моле.ш гибридного фильтра

зз ---- ■ ■

л

£

— it J •6-■О-

О 1 » э

а в 7 ■ • Ю 11 13 1* Ъ4 1«

Коэффициент р. ¡Ом!

Рис. 5

К оценке ^стойчизосги комбинированного фильтра

И it

I: /

_0£S ax <ass «л

Oh 0 2Kb 3 «h С СГ.1 У i ж» . All I «11

• i<Mwi(vu'.o/!(i>ir./>«':«iii9i.':<n!'>'«u>u><v:iMi.'>«>»iii>i • о

Частотная зависимость коэффициента р

£ геч'жпсу

Рис 6

Частотные характеристики тока сети и напряжения на фильтре

вторителе, являющемся усилителем, и двух трансформаторах: тока ТТ (датчик тока) и напряжения T1I (выходной трансформатор усилителя).

Напряжение на вторичной обмотке ТН, являющееся компенсирующим напряжением, противофазно с током первичной обмотки ТТ, т.е. током фильтра. Имеет место положительная обратная связь. Коэффициент пропорциональности между током и напряжением определяется соотношением чисел витков обмоток трансформаторов и коэффициентом передачи базового тока эмиттерного повторителя.

Наличие трансформаторов в контуре обрат ной связи означает, что коэффициент пропорциональности р между током фильтра и компенсирующим напряжением фактически является комплексным числом. В этом отличие реальной модели компенсирующего источника от идеальной, представленной » предыдущем разделе.

Для потери устойчивости системой " сеть - гибридный фильтр - выпрямитель " необходимо одновременное выполнение условий (10) и (11) где теперь под Zf понимается импеданс всего комбинированного фильтр в целом, с учётом как пассивной части, так и трансформаторов ТТ и ТН активной части.

Учитывая сложную структуру комбинированного фильтра, параметры активной части: трансформаторов ТТ и ТН, а также шунтирующего резистора Rp на вторичной стороне ТТ определялись методом мног овариантног о анализа. В результате были выбраны следующие обеспечивающие устойчивость системы параметры: L| = 2,13 мГн; L2 ~ Ls ~ 64,5 мГн; L.| - L5 = 7,7 мГн; U - 57,3 мГн; Ксп = 0,92; Rp = 70 Ом.

На рис.6 показана частотная зависимост ь р и отмечены значения р на фиксированных частотах 250 Гц, 350 Гц, 550 Гц, 650 Гц.

На рис.7 покачана частотная зависимость, доказывающая устойчивосчь работы системы при выбранных параметрах ТТ и ТН, поскольку в диапазоне частот 30... 1300 Гц зависимость не пересекает линию нуля.

Частотные характеристики напряжения на фильтре Ut и тока фильтра I, представлены на рис.8. Хорошо видно, что минимумы напряжения Uf приходятся на иные, нежели фиксированные частоты 250 Гц, 350 Гц, 550 Гц, 650 Гц. Требуется оптимизация параметров фильтра с учбтом параметров активной части.

Спектральный анализ (по 37-ую гармонику включительно) временных диаграмм дает значения Кг ~ 18,9% и Кц = 3,54%.

Для оценки адекватности моделирования силовых систем по программам NAP 2 и PSpicc (" трехфазная сеть мостовой выпрямитель " трехфаз-

пая сеть - пассивный фильтр т ипа ФКУ - мостовой выпрямитель гибридного фильтра и комбинированною фильтра в системе " трехфазная сеть -фильтр мостовой выпрямитель ") и достоверности полученных результатов было проведено их сравнение с экспериментальными исследованиями, проводившимися на физической модели мощностью 2 кВт.

Результаты сравнения приведены в табл.2, они показывают, что разница между расчётными и экспериментальными данными не превышает 30%, что свидетельствует' об адекватности расчётного и физического моделирования.

Таблица 2

Гармический анализ напряжения нафилыре при 1| - 4 А, !<■ ' 5 мГн.

Ьм и7 п„ 11 и

Л % % % %

Машинное моделирование 4,078 2,24 1,2 1,2 0,72

Эксперимент (100%) 3,8 3,18 1,89 1,1 0,86

Разброс результатов 29,5% 12,6% 9% 16,3%

В табл .3 приведены экспериментальные и расчётные значения коэффициента Ко, вычисленные но четырём гармоникам напряжения для трёх случаев работы мостового выпрямителя: без фильтра, с пассивным фильтром и с комбинированным

Таблица 3

Расчетные и экспериментальные значения коэффициента Кц при 1)м 4Л, 30 мГн. Коэффициент искажения сипу-

Режим работы выпрямителя

Без фильтра С пассивным фильтром С комбинированным фильтром

соидальности напряжения, % Машинный анализ, Ки.г

________14,8

2,9

2,22

Эксперимент, К-нэксп

от 10,9 до 19,95

от 5,5 до 6,04 от 1,5 до 1,9

лк,,

^пчии 26%

К,,,.

10«

47°

Расчеты коэффициента Кц по леем гармоникам до 40-ой дают для комбинированного фильтра следующие значения: из экспериментальных данных Киэксп ~ 3,22%, по результатам машинного анализа Кц,г - 3,54%.

Сравнение показывает, что результаты эксперимента и машинного моделирования близки. Меньшие значения Кц.г по сравнению с К-иэксн при работе пассивного фильтра можно объяснить более точными при машинном моделировании значениями параметров конгуров, рассчитанных из условия резонанса, на практике же всегда существует разброс параметров.

Заключение

Проведенные теоретические исследования и результаты машинного моделирования нового класса силовых фильтров для трёхфазных сетей переменного тока позволяют сделать следующие основные выводы:

1. На основании анализа литературы составлена сводная таблица для определения состава и значений токов высших гармоник в зависимости от вида нелинейного потребителя, его мощности и питающего напряжения.

2. Анализ российских и зарубежных публикаций показал, что наиболее перспективными в новом классе силовых фильтров являются гибридные фильтры и близкий к ним по принципу действия комбинированный фильтр, разработанный на кафедре Электроснабжения МЭИ.

3. Проведенные исследования системы "трехфазная сет ь - трехфазный пассивный фильтр - мостовой выпрямитель" с помощью автоматизированных программ расчёта электронных схем NAP 2 и PSpicc показали, что эти программы можно использовать и для расчета силовых схем.

4. Проведенный по программам NAP 2 и PSpicc анализ ФКУ во временной и частотной областях показал, что такой сложный фильтр необходимо оптимизировать в целом, а не настраивать на фиксированные частоты отдельные ветви. Большую эффективность дает оптимизация по минимуму тока сети или минимуму напряжения на фильтре, при которой коэффициент искажения напряжения снижается на 27% по сравнению с ФКУ с индивидуальной настройкой контуров.

5. Разработана математическая модель гибридного фильтра с последовательно включенными пассивной частью и активной.

6. Показано, что за основной параметр, характеризующий эффективность работы компенсирующего источника и частотные свойства фильтра, можег быть принят коэффициент пропорциональности между напряжением источника и током фильтра - р.

on

7 Компьютерный анализ комбинированного фильтра покачал, ч m необходимость соблюдения условий не позволяет снизить активные сопротивления ветвей ниже, чем до 30°о от их поминальных значений Ii результате при нсоптимизированном фильтре значения коэффициент» гармоник тока и напряжения улучшаются не намного: коэффициент К, - на 16%, К„ - на б %. Поэтому требуется оптимизация комбинированною фильтра в целом.

8. Введение компенсирующего источника трансформаторами тока и напряжения и усилителем расстраивает фильтр, поэтому требуется оптимизация параметров комбинированного фильтра в целом и с учетом параметров питающей сети.

9. Комбинированный фильтр, работающих по принципу компенсации падений напряжения на активных сопротивлениях резонансных контуров и имеющий один компенсирующий источник, позволяет уменьшить коэффициент искажения напряжения в сети по сравнению с пассивным фильтром и при оптимальных парамсгрлх можно ожидат ь его снижения па %.

10. Адекватность машинного моделирования физическому и достоверность полученных при компьютерном анализе результатов подтверждена их совпадением с экспериментальными данными в пределах 30 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Буре И.Г., Самотонн Ю.Ю., Стрнкос Д, Активные фильтры переменного тока для улучшения качества электрической энергии в цепях промышленных потребителей .// И Междунар. Науч. Техн. конф. 3-5 октября 1995. Новые методы и средства экономии энсргоресурсов и экологические проблемы энергетики. Тез. докл. - Москва, 1987. - С. 325-327.

2. Стрнкос Д. Компьютерный анализ фильтров высших гармоник в системе электроснабжения промышленных предприятий // Науч. Техн. конф 20 ноября 1998 г Энергоснабжение, электроснабжение, элсктрооборудровлннс. Тез. докл. - Новомосковск, 1998. -С 139-141.

Iк'ч. л. / ;; /; _Тираж ¡ОС Заказ

/М)

Типография МЭИ, Красноказарменная. 13.