Меню

Активный фильтр постоянного тока

Активный фильтр гармоник как средство повышения качества электрической энергии

Внешний вид активного фильтра гармоник АФГ-25-400-4

Авторы: К.В. Замула, Ю.В. Соколов, А.В. Карманов, ООО «Энергия-Т»

На сегодняшний день большинство энергоснабжающих организаций не обладают необходимым оборудованием, обеспечивающим в автоматическом режиме требуемого уровня содержания высших гармоник в сетях. Это порождает острую проблему негативного взаимовлияния технических средств между собой.

Ключевые слова: активный фильтр гармоник, симметрирование нагрузок фаз, компенсация высших гармоник, компенсация реактивной мощности, быстрое преобразование Фурье, SMART GRID.

Введение

Современные комплексы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) работают в сложной электромагнитной обстановке, обусловленной, в том числе, необеспеченностью отдельных показателей качества электроэнергии. Это вызвано ростом удельных характеристик устройств, имеющих низкий коэффициент мощности и работающих по резкопеременным графикам нагрузки. Особо осложняет электромагнитную обстановку работа электроприемников, генерирующих высшие гармонические составляющие (ВГС), с уровнем электромагнитной совместимости, выходящим за рамки диапазонов, определенных ГОСТ 32144-2013 [1]

Перечисленное приводит к неконтролируемым изменениям величины и формы напряжения в точках присоединения потребителей. Ухудшение качества электроэнергии напрямую влияет на снижение срока службы РЭА, является наиболее вероятной причиной ее отказов и выхода из строя, приводит к увеличению потерь энергии во всех элементах системы электроснабжения и, соответственно, влечет к увеличению расхода топливных ресурсов.

Негативные факторы возникающие при эксплуатации современного электрооборудования

Внешний вид активного фильтра гармоник АФГ-25-400-4

Основными негативными факторами при эксплуатации современного электрооборудования являются:

  1. Гармонические составляющие напряжения, как правило, обусловлены нелинейными нагрузками пользователей электрических сетей, подключаемыми к электрическим сетям различного напряжения. Гармонические токи, протекающие в электрических сетях, создают падения напряжений на полных сопротивлениях электрических сетей. Гармонические токи, полные сопротивления электрических сетей и, следовательно, напряжения гармонических составляющих в точках передачи электрической энергии изменяются во времени.
    Дополнительные потери — одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах.
    Наибольший ущерб от высших гармоник составляет увеличение активных потерь и сокращение срока службы изоляции электродвигателей и силовых трансформаторов. [10]
  2. Реактивная мощность. Влияние реактивной мощности на режимы энергосбережения состоит в том, что ее наличие в элементах сети увеличивает значение полного тока и, соответственно, влияет на активные потери электроэнергии в данном элементе сети. [9]
  3. Несимметрия. В электроустановках потребителей находят все большее применение однофазные приемники (крупные электропечи, электронные аппараты, осветительные приборы), что вызывает несимметричный режим питания. Несимметрия токов обусловливает несимметрию напряжения, которая в свою очередь приводит к возникновению дополнительных фазных и междуфазных напряжений. Несимметрия влечет за собой появление очагов местных перегревов роторов синхронных генераторов, нежелательные вибрации их отдельных узлов, в линиях электропередачи и трансформаторах несимметрия снижает пропускную способность трехфазной системы, отрицательно влияет на работу асинхронных двигателей, ухудшает режим работы выпрямителей, делает менее эффективным использование регулирующих и компенсирующих установок. При этом создаются дополнительные потери активной энергии в сетях. [8]

Современное универсальное средство повышения качества электроэнергии

Для компенсации высших гармоник, вызванных действием нагрузки, традиционно применялись и применяются резонансные фильтры. Для энергетических установок это, как правило, последовательные индуктивно-емкостные резонансные цепи, настроенные на соответствующие номера гармоник. Обычно резонансные L-C фильтры настраиваются на гармоники с номерами n = 5, 7, 11, 13.

Такие фильтры выпускаются, как правило, на значительные токи и напряжения, их типоряд существенно дискретный. Для выбора таких фильтров требуется информация о предполагаемом спектре компенсируемых гармоник, величинах токов по каждой гармонике.

Использование резонансных фильтров для компенсации широкого спектра высших гармонических составляющих приводит к неоправданному удорожанию и повышению материалоёмкости всей установки. При этом, номинальные характеристики фильтра могут либо не быть востребованы вовсе, либо реальная нагрузка будет генерировать спектр гармоник, на который не рассчитывался фильтр, и они не будут в должной мере скомпенсированы, так как пассивные фильтры не в состоянии изменять регулируемые ими параметры в режиме «on-line» в резко меняющейся электромагнитной обстановке. [6]

Авторами разработаны активные фильтры гармоник (АФГ), способные обеспечить заданный коэффициент мощности электроустановок и существенно улучшить качество электроэнергии на входе энергетических комплексов мощностью до 10 МВт в режиме «on-line». Таким образом, АФГ может являться элементом SMART GRID.

АФГ является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники (управляемые выпрямители, преобразователи частоты, привода электродвигателей, импульсные источники питания). АФГ компенсирует высшие гармонические составляющие (ВГС) тока нагрузки, генерируя равные им по амплитуде, но противоположные по фазе токи, снижая, таким образом, коэффициент несинусоидальности тока и напряжения сети.

В соответствии с назначением АФГ выполняет следующие функции:

  • Компенсация ВГС до 50-й гармоники включительно;
  • Выбор степени компенсации от 0 до 100% для отдельных гармоник (от 2-ой до 50-й);
  • Контроль перегрузки АФГ по току с последующим автоматическим ограничением мощности;
  • Обеспечение перехода в режим холостого хода при малых токах нагрузки.
  • Компенсация реактивной мощности (полной или до определенного значения коэффициента мощности);
  • Потребление или генерация реактивной мощности индуктивного или емкостного характера определенной величины;
  • Компенсации реактивной мощности при одновременной компенсации нелинейных искажений;
  • Симметрирование токов нагрузки в пределах мощности АФГ;
  • Передача информации о параметрах энергии на входе АФ и параметрах функционирования АФ в автоматизированную систему управления.

АФГ имеют возможность параллельной работы с целью увеличения суммарной компенсируемой мощности.

Номинальное напряжение сети

Номинальный компенсируемый фазный ток, А

Частота сетевого напряжения

Компенсируемые гармоники тока

Индивидуально, до 50-й включительно

Компенсация реактивной мощности по коэффициенту мощности

До 1,0 включительно

Уровень шума, дБ не более

Рассеиваемая мощность, Вт не более

Устройство активного фильтра гармоник

АФГ выполнен по схеме трехфазного мостового инвертора с емкостным накопителем энергии (ЕНЭ) на стороне постоянного тока со средней точкой, и Т-образным LCL — фильтром со стороны питания переменного тока. Схема показана на рисунке 2.

Мостовой инвертор выполнен на основе модулей IGBT – транзисторов с обратными диодами, рассчитанными на полный ток транзистора. IGBT-транзисторы работают одновременно в режиме инвертора и в режиме активного выпрямителя для обеспечения работы звена постоянного тока.

Емкостной накопитель энергии выполнен на основе низкоиндуктивных электролитических конденсаторов, имеет среднюю точку, которая подключается к нейтрали сети при четырехпроводном подключении активного фильтра к нелинейной нагрузке.

Схема АФГ

В силовой схеме АФГ предусмотрены:

  • датчики тока для контроля фазных токов активного фильтра и нагрузки,
  • коммутационная аппаратура,
  • элементы принудительного воздушного охлаждения транзисторных модулей.

Функциональная схема АФГ показана на рисунке 3, где:

  • выходной фильтр – обеспечивает сглаживание выходной формы тока;
  • ЭМС фильтр (фильтр электромагнитных помех) – обеспечивает снижение помех от АФГ на сеть и обратно от сети на АФГ;
  • блок питания – служит для питания модулей и блоков самого АФГ
  • выпрямитель (активный) – обеспечивает поддержание напряжения конденсаторов звена постоянного тока;
  • выпрямитель предварительного заряда – для предварительного заряда звена постоянного тока;
  • инвертор – обеспечивает формирование кривой выходного тока;
  • модуль охлаждения – служит для охлаждения силовой части АФГ;
  • модуль управления – для управления инвертором и защитой фильтра;
  • блок управления силовым модулем – для управления и защиты силовых ключей от модуля управления;
  • входные коммутационно-защитные аппараты служат для защиты блоков и модулей АФГ, а также для автоматизированного ввода в работу АФГ;
  • устройство управления и индикации – человеко-машинный интерфейс АФГ, обеспечивает связь с интеллектуальной системой управления более высокого уровня.

Принципы построения инверторов делятся на несколько основных типов:

  • инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения;
  • инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения;
  • инверторы с произвольной формой выходного напряжения.

Для построения схемы АФГ подходят только инвертора с произвольной формой выходного напряжения, так как только они могут формировать необходимые параметры выходного тока.

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи различных схем получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к необходимому, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора. Принцип так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции» заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора многократно коммутируется на высокой частоте при широтно-импульсном управлении. Причем длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по закону необходимому для компенсации гармоник. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется необходимая составляющая выходного тока инвертора.

Активный выпрямитель (АВ), выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока UD на конденсаторе. Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный автономный инвертор напряжения, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, АВ инвертирует постоянное напряжение конденсатора UD в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока. Эти зажимы связаны с питающей сетью через ШИМ дроссели. В отличие от регулируемой рабочей частоты напряжения на зажимах переменного тока инвертора, рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВ постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВ воспринимаются ШИМ дросселями, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое АВ на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором присутствует преимущественно основная (полезная) гармоника, а высшие гармоники (на частоте коммутации ключей) подавляются выходным фильтром. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока, для заряда накопительного конденсатора.

Читайте также:  Максимально допустимый предельный ток

Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к дросселям со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) дросселя. Изменяя с помощью системы управления АВ параметры основной гармоники его переменного напряжения на сетевых зажимах, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу АФГ с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо емкостным, либо индуктивным коэффициентом мощности. Поэтому АФГ с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.

Алгоритмы управления активным фильтром гармоник

Основным алгоритмом анализа гармоник и выделения сигнала ошибки для управления фильтром является разложение общего сигнала на высшие гармонические составляющие c использованием быстрого преобразования Фурье и выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник.

Анализ входящих аналоговых сигналов

Получение дискретизации сигнала осуществляется встроенным в микроконтроллер АЦП. Чтобы взять дискретизацию за 1 период сигнала с частотой 50Гц, через равные промежутки времени АЦП со всех каналов синхронно снимает выборки (условно, т.к. время взятие одной выборки пренебрежимо мало по отношению к интервалу между точками дискретизации). В качестве триггера АЦП выступает аппаратный таймер контроллера.

Расчет спектра сигнала

Спектр сигнала получается выполнением прямого Дискретного Преобразование Фурье (ДПФ). Для вычисления спектра на микроконтроллере в реальном времени, используется Быстрое Преобразование Фурье БПФ.

Алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ) позволяет вычислять спектр сигнала за существенно меньшее количество операций. Сложность БПФ , против у ДПФ.

Когда в дискретизации нет целого числа периодов синусоидального сигнала, разрывы, которые образуются в конечных точках выборки, приводят к расширению спектра анализируемого сигнала вследствие появления дополнительных гармоник.

В случаях когда полученная дискретизация содержит не целое количество периодов, краевые точки не будут совпадать. В этом случае спектр полученный применением БПФ, не будет верным, т. к. из-за изменения временного интервала основные гармоники перераспределяются по высшим частотам. Это влечет за собой расчет гармоник, которых на самом деле не содержится в сигнале и которые могут значительно превышать частоту Найквиста.

Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации. В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг).

Это выглядит будто амплитуда с одних гармоник растекается по другим. Для минимизации эффекта растекания спектра применяется техника оконного преобразования.

Так как в случае изменения частоты сети период сигнала так же незначительно изменяется необходимо изменение размерности дискретизации, для этого применяется интерполяция сигнала. Для уточнения расчета спектра сигнала, снятую с АЦП дискретизацию необходимо интерполировать по количеству точек и по времени для передачи в расчет ДПФ, так как расчет ДПФ выполняется только на дискретизациях размерности кратной 2.

Так же с помощью интерполяции можно эффективно решать проблему растекания спектра, при условии, что временной интервал дискретизации близок к измеряемому периоду.

Блок управления выполняет следующие операции:

  • производит быстрое преобразование Фурье (FFT).
  • производит умножение полученных гармоник на задаваемый коэффициент подавления, полученный результат инвертируется;
  • над нормализованными и инвертированными данными производится обратное преобразование Фурье для получения требуемого тока компенсации АФГ;
  • требуемый ток АФГ интерполируется под частоту ШИМ;
  • интерполируемый под частоту ШИМ требуемый ток преобразуется в задание ШИМ и заносится в генератор ШИМ для формирования сигнала управления силовым модулем. В общем виде задание ШИМ представляется по формуле 1:
    , (1)
    где С — коэффициент зависящий от напряжения сети и напряжения на накопителе;
    y(t) — результат обратного БПФ;
    — управление активным выпрямителем;
    — управление генерацией/потреблением реактивной мощности;
    power — коэффициент обратной связи АФГ.

Осциллограмма включения АФГ в работу:

Осциллограмма включения АФГ в работу

Опыт эксплуатации АФГ в действующих электроустановках

Показания измерителя ПКЭ

Лабораторные испытания АФГ-25 и АФГ-100 при мощности нелинейной нагрузки соизмеримой с установленной мощностью фильтра подтвердили возможность устойчивой работы разработанных изделий в электроустановках с изменяемой по величине нелинейной нагрузкой типа: неуправляемый выпрямитель различной пульсности. Удалось достичь существенного улучшения синусоидальности потребляемого тока и кривой напряжения в точке присоединения АФГ (см. рисунок 4).

После включения АФГ в работу (появление сигнала тока компенсации) форма кривой тока со стороны источника электроэнергии стала практически синусоидальной при неизменной существенно несинусоидальной кривой тока нагрузки.

Некоторые результаты проведенных испытаний на функционирование АФГ приведены ниже. Показания приборов ПКЭ во время испытаний до и после включения АФГ в работу приведены в таблице, на рисунке 5 а, б. В результатах приведены доминирующие гармоники.

Источник

Активные фильтры

Фильтры — это электронные схемы, которые допускают определенные частотные компоненты и / или отклоняют некоторые другие. Возможно, вы столкнулись с фильтрами в учебнике по теории сетей. Они являются пассивными и представляют собой электрические цепи или сети, которые состоят из пассивных элементов, таких как резистор, конденсатор и (или) индуктор.

В этой главе подробно рассматриваются активные фильтры .

Типы активных фильтров

Активные фильтры — это электронные схемы, которые состоят из активного элемента, такого как операционный усилитель (и), наряду с пассивными элементами, такими как резистор (ы) и конденсатор (ы).

Активные фильтры в основном подразделяются на следующие четыре типа на основе полосы частот, которые они разрешают и / или отклоняют —

  • Активный фильтр нижних частот
  • Активный фильтр высоких частот
  • Активный полосовой фильтр
  • Активный полосовой стоп-фильтр

Активный фильтр нижних частот

Если активный фильтр допускает (пропускает) только низкочастотные компоненты и отклоняет (блокирует) все другие высокочастотные компоненты, то он называется активным фильтром нижних частот .

Принципиальная схема активного фильтра нижних частот показана на следующем рисунке —

Фильтр низких частот

Мы знаем, что электрическая сеть, которая подключена к неинвертирующему выводу операционного усилителя, является пассивным фильтром нижних частот . Таким образом, вход неинвертирующего терминала операционного усилителя является выходом пассивного фильтра нижних частот.

Обратите внимание, что вышеуказанная схема напоминает неинвертирующий усилитель . Он имеет выход пассивного фильтра нижних частот в качестве входа на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Следовательно, он производит вывод, который в l e f t ( 1 + f r a c R f R 1 r i g h t ) умножен на вход, присутствующий на неинвертирующей клемме.

Мы можем выбрать значения R f и R 1 , чтобы получить желаемое усиление на выходе. Предположим, если мы рассмотрим значения сопротивления R f и R 1 как ноль и бесконечность, то вышеупомянутая схема выдаст выходной сигнал фильтра нижних частот с единичным усилением .

Активный фильтр высоких частот

Если активный фильтр разрешает (пропускает) только высокочастотные компоненты и отклоняет (блокирует) все остальные низкочастотные компоненты, то он называется активным высокочастотным фильтром .

Принципиальная схема активного фильтра верхних частот показана на следующем рисунке —

Фильтр верхних частот

Мы знаем, что электрическая сеть, которая подключена к неинвертирующему выводу операционного усилителя, является пассивным фильтром верхних частот . Таким образом, вход неинвертирующего терминала операционного усилителя является выходом пассивного фильтра верхних частот.

Теперь вышеприведенная схема напоминает неинвертирующий усилитель . Он имеет выход пассивного фильтра верхних частот в качестве входа на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Следовательно, он производит вывод, который в l e f t ( 1 + f r a c R f R 1 r i g h t ) умножен на вход, представленный на его неинвертирующей клемме.

Мы можем выбрать значения R f и R 1 соответствующим образом, чтобы получить желаемое усиление на выходе. Предположим, если мы рассмотрим значения сопротивления R f и R 1 как ноль и бесконечность, то вышеупомянутая схема выдаст выходной сигнал фильтра верхних частот с единичным усилением .

Активный полосовой фильтр

Если активный фильтр допускает (пропускает) только одну полосу частот, то он называется активным полосовым фильтром . В общем, эта полоса частот лежит между диапазоном низких частот и диапазоном высоких частот. Таким образом, активный полосовой фильтр отклоняет (блокирует) как низкочастотные, так и высокочастотные компоненты.

Принципиальная схема активного полосового фильтра показана на следующем рисунке.

Active Band Pass

Обратите внимание, что на принципиальной схеме активного полосового фильтра есть две части : первая часть — активный фильтр верхних частот, а вторая часть — активный фильтр нижних частот.

Выходной сигнал активного фильтра верхних частот применяется как входной сигнал активного фильтра нижних частот. Это означает, что как активный фильтр верхних частот, так и активный фильтр нижних частот каскадируются , чтобы получить выходные данные таким образом, чтобы он содержал только конкретный диапазон частот.

Активный фильтр верхних частот , который присутствует на первом этапе, допускает частоты, которые превышают нижнюю частоту среза активного полосового фильтра. Таким образом, мы должны выбрать значения R B и C B соответственно, чтобы получить желаемую более низкую частоту среза активного полосового фильтра.

Точно так же активный фильтр нижних частот , который присутствует на втором этапе, допускает частоты, которые меньше, чем более высокая частота среза активного полосового фильтра. Таким образом, мы должны выбрать значения R A и C A соответственно, чтобы получить желаемую более высокую частоту среза активного полосового фильтра.

Следовательно, схема на схеме, рассмотренной выше, будет выдавать активный полосовой фильтр на выходе.

Активный полосовой стоп-фильтр

Если активный фильтр отклоняет (блокирует) определенную полосу частот, то он называется активным полосовым фильтром . В общем, эта полоса частот лежит между диапазоном низких частот и диапазоном высоких частот. Таким образом, фильтр запрета активной полосы позволяет (пропускает) как низкочастотные, так и высокочастотные компоненты

Читайте также:  Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током можно определить используя

Блок-схема активного фильтра остановки полосы показана на следующем рисунке —

Активный полосовой стоп-фильтр

Заметьте, что блок-схема активного полосового фильтра на первом этапе состоит из двух блоков: активного фильтра нижних частот и активного фильтра верхних частот. Выходы этих двух блоков применяются в качестве входов для блока, который присутствует на втором этапе. Таким образом, суммирующий усилитель создает выход, который является усиленной версией суммы выходов активного фильтра нижних частот и активного фильтра верхних частот.

Следовательно, выходные данные вышеуказанной блок-схемы будут выходными сигналами остановки активной полосы , когда мы выбираем частоту среза фильтра низких частот меньше частоты среза фильтра высоких частот.

Принципиальная электрическая схема фильтра запрета активной полосы показана на следующем рисунке —

Активная группа Stop Eg

Мы уже видели принципиальные схемы активного фильтра нижних частот, активного фильтра верхних частот и суммирующего усилителя. Заметьте, что мы получили приведенную выше принципиальную схему фильтра запрета активной полосы, заменив блоки соответствующими схемами в блок-схеме фильтра остановки активной полосы.

Источник

Активные фильтры

Электрическим фильтром называется устройство для передачи электрических сигналов, пропускающее токи в определенной области частот и препятствующее их прохождению вне этой области. В радиотехнике и электронике электрические фильтры подразделяют на пассивные и активные. Схемы пассивных фильтров содержат только пассивные элементы: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

В схемы активных фильтров помимо указанных элементов входят такие активные изделия, как транзисторы или интегральные микросхемы. Фильтрующие свойства устройства определяются его амплитудно-частотной характеристикой, которой называется зависимость коэффициента усиления этого устройства от частоты сигнала. В некоторой области частот, которая называется полосой пропускания или полосой прозрачности, электрические колебания передаются фильтром с входа на выход практически без ослабления. Вне полосы прозрачности расположена полоса затухания или задерживания, в пределах которой частотные составляющие сигнала ослабляются. Между полосой прозрачности и полосой задерживания находится частота, называемая граничной. В связи с тем что существует плавный переход между полосой прозрачности и полосой затухания, граничной обычно считается частота, на которой ослабление сигнала оказывается равным -3 дБ — то есть по напряжению в √2 раз меньше, чем в полосе прозрачности.

Всегда интересно получить крутой переход амплитудно-частотной характеристики между полосой прозрачности и полосой затухания. В пассивных фильтрах увеличения крутизны такого перехода добиваются усложнением схемы и применением многозвенных систем. Сложные фильтры требуют громоздких расчетов и точной настройки. Активные фильтры благодаря использованию обратной связи оказываются значительно проще и дешевле.

Принято подразделять фильтры на четыре категории в зависимости от расположения полосы прозрачности:
• фильтры нижних частот (0 ≤ f ≤ f);
• фильтры верхних частот (f ≥ f);
• полосовые фильтры (f01 ≤ f ≤ f02);
• заграждающие или режекторные фильтры (0 ≤ f ≤ f01 и f ≥ f02).

Здесь f — частота сигналов, проходящих через фильтр; f -граничная частота; f01 — нижняя граничная частота; f02 — верхняя граничная частота. Таким образом, фильтр нижних частот nponycкает составляющие сигнала, частота которых меньше граничной частоты; фильтр верхних частот пропускает составляющие сигнала, частота которых больше граничной частоты; полосовой фильтр пропускает составляющие сигнала, частота которых находится между нижней граничной частотой f01 и верхней граничной частотой f02; наконец режекторный фильтр ослабляет сигналы, частота которых находится между нижней граничной f01 и верхней граничной f02 частотами. Существуют и более сложные фильтры специального назначения, например гребенчатый фильтр, применяемый в цветном телевидении, пропускающий много узких полос и ослабляющий промежутки между ними.

Электрические фильтры находят широкое применение в электротехнике, радиотехнике и электронике. Так на выходе выпрямителей используется фильтр нижних частот, пропускающий только постоянную составляющую выпрямленного тока и ослабляющий прохождение пульсаций. В радиоприемниках широко используются полосовые фильтры, которые позволяют выделить из принятых антенной сигналов множества радиостанций только один, полоса частот которого оказывается в полосе прозрачности фильтра.

Принято еще одно деление всех фильтров на две категории: фильтры, схема которых содержит катушки индуктивности, и фильтры без индуктивностей, RC-фильтры или резисторно-конденсаторные фильтры.

Активные резисторно-конденсаторные фильтры имеют огромное преимущество перед их пассивными аналогами, особенно на частотах ниже 10 кГц. Пассивные фильтры для низких частот должны содержать катушки большой индуктивности и конденсаторы большой емкости. Поэтому они получаются громоздкими, дорогостоящими, а их характеристики оказываются далеко не идеальными.

Большая индуктивность достигается за счет большого числа витков катушки и применения ферромагнитного сердечника. Это лишает ее свойств чистой индуктивности, так как длинный провод многовитковой катушки обладает заметным сопротивлением, а ферромагнитный сердечник подвержен влиянию температуры на его магнитные свойства. Необходимость же использования большой емкости вынуждает применять конденсаторы, обладающие плохой стабильностью, например электролитические. Активные фильтры в значительной мере лишены указанных недостатков.

Схемы дифференциатора и интегратора, построенные с применением операционных усилителей, представляют собой простейшие активные фильтры. При выборе элементов схемы в определенной зависимости от частоты дифференциатор становится фильтром верхних частот, а интегратор — фильтром нижних частот. Далее будут рассмотрены примеры других более сложных и наиболее универсальных фильтров. Большое количество других возможных схем активных фильтров вместе с их детальным математическим анализом можно найти в разных учебниках и пособиях.

Фильтры нижних частот
Если объединить схему инвертирующего усилителя со схемой интегратора, образуется схема фильтра нижних частот первого порядка, которая показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема активного фильтра нижних частот первого порядка

Такой фильтр представляет собой инвертирующий усилитель, обладающий постоянным коэффициентом усиления в полосе прозрачности от постоянного тока до граничной частоты f. Видно, что в пределах полосы прозрачности, пока емкостное сопротивление конденсатора достаточно велико, коэффициент усиления схемы совпадает с коэффициентом усиления инвертирующего усилителя:

Граничная частота этого фильтра определяется элементами цепи обратной связи в соответствии с выражением:

Амплитудно-частотная характеристика — зависимость амплитуды сигнала на выходе устройства от частоты при постоянной амплитуде на входе этого устройства — представлена на рис.2.

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот первого порядка

В полосе затухания выше граничной частоты f усиление уменьшается с интенсивностью 20 дБ/декада (или 6 дБ/октава), что означает уменьшение коэффициента усиления по напряжению в 10 раз при увеличении частоты также в 10 раз или уменьшение коэффициента усиления в два раза при каждом удвоении частоты.

Если такой крутизны наклона амплитудно-частотной характеристики в полосе затухания недостаточно, можно использовать фильтр нижних частот второго порядка, схема которого показана на рис.З.

Рис. З. Принципиальная схема активного фильтра нижних частот второго порядка

Коэффициент усиления фильтра нижних частот второго порядка такой же, как у фильтра первого порядка, в связи с тем что суммарное сопротивление резисторов в цепи инверсного входа, как и ранее, выражается значением R1:

Граничная частота при выполнении условия R1C1 = 4R2C2 также выражается прежней формулой:

Что касается амплитудно-частотной характеристики этого фильтра, представленной на рис. 4, то она отличается повышенной крутизной наклона, которая составляет 12 дБ/октава.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот второго порядка

Таким образом, в полосе затухания при увеличении частоты вдвое напряжение сигнала на выходе фильтра уменьшается в четыре раза.

Фильтры верхних частот
Аналогично построена схема фильтра верхних частот, которая представлена на рис.5. Такой фильтр является инвертирующим усилителем с постоянным коэффициентом усиления в полосе прозрачности от частоты f0 и более. В полосе прозрачности коэффициент усиления схемы такой же, как у инвертирующего усилителя:

Рис.5. Принципиальная схема активного фильтра верхних частот первого порядка

Граничная частота f на уровне -3 дБ задается входной цепью в соответствии с выражением:

Крутизна наклона амплитудно-частотной характеристики, которая представлена на рис.6, в области граничной частоты составляет 6 дБ/октава.

Рис.6. Амплитудно-частотная характеристика фильтра верхних частот первого порядка

Как и в случае фильтров нижних частот, можно собрать активный фильтр верхних частот второго порядка в целях повышенного подавления сигнала в полосе затухания. Принципиальная схема такого фильтра показана на рис.7.

Рис.7. Принципиальная схема активного фильтра верхних частот второго порядка

Крутизна наклона амплитудно-частотной характеристики фильтра верхних частот второго порядка в области граничной частоты составляет 12 дБ/октава, а сама характеристика показана на рис.8.

Рис.8. Амплитудно-частотная характеристика фильтра верхних частот второго порядка

Полосовые фильтры
Если объединить активный фильтр нижних частот с активным фильтром верхних частот, то в результате образуется полосовой фильтр, принципиальная схема которого приведена на рис.9.

Рис. 9 . Принципиальная схема активного полосового фильтра

Эту схему иногда называют избирательным усилителем с ин-тегродифференцирующей обратной связью. Подобно усилителям, содержащим колебательные контуры, полосовой фильтр также имеет амплитудно-частотную характеристику с выраженным максимумом на определенной частоте. Называть такую частоту резонансной нельзя, так как резонанс возможен только в контурах, образованных индуктивностью и емкостью. В других случаях частоту такого максимума обычно называют частотой квазирезонанса. Для рассматриваемого полосового фильтра частота квазирезонанса f0 определяется элементами цепи обратной связи:

Амплитудно-частотная характеристика этого полосового фильтра показана на рис. 10.

Рис.10. Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра

Максимальный коэффициент усиления на частоте квазирезонанса оказывается равным:

Относительная полоса пропускания на уровне -3 дБ:

Принципиальная схема еще одного полосового фильтра приведена на рис. 11.

Рис. 11. Принципиальная схема полосового фильтра с двойным Т-фильтром

Здесь в цепь отрицательной обратной связи включен двойной Т-фильтр, образованный резисторами R2, R3, R5 и конденсаторами Cl, С2, СЗ.

Как известно, если выполняются следующие условия:

амплитудно-частотная характеристика двойного Т-фильтра содержит квазирезонанс, частота которого равна

Читайте также:  Как происходит утечка тока в автомобиле

причем на частоте квазирезонанса коэффициент передачи двойного Т-фильтра равен нулю. Поэтому активный фильтр с двойным Т-фильтром, включенным в цепь отрицательной обратной связи, является полосовым фильтром с максимумом амплитудно-частотной характеристики на частоте квазирезонанса. Три такие характеристики представлены на рис. 12. Характеристики различаются разными сопротивлениями резистора R4: нижняя соответствует R4 = 100 кОм, средняя — R4 = 1 МОм, верхняя — R4 = ∞ .

Рис. 12. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром в цепи отрицательной обратной связи

Режекторные фильтры
Тот же самый двойной Т-фильтр может быть включен не в цепь отрицательной обратной связи, как это сделано при создании полосового фильтра, а в цепь входного сигнала. При этом образуется активный режекторный фильтр, схема которого приведена на рис, 13.

Рис.13. Принципиальная схема режекторного фильтра с двойным Т-фильтром

При выполнении прежних условий

амплитудно-частотная характеристика активного фильтра, имеющего во входной цепи двойной Т-фильтр, содержит квазирезонанс, частота которого по-прежнему определяется фор мулой (8). Но на частоте квазирезонанса коэффициент усиления этого активного фильтра равен нулю. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром во входной цепи показана на рис.14.

Рис. 14. Амплитудно-частотная характеристика активного фильтра с двойным Т-фильтром во входной цепи

Сложные фильтры
Несколько активных фильтров можно соединять последовательно для получения амплитудно-частотной характеристики с повышенной крутизной наклона. Кроме того, соединенные последовательно секции простых фильтров имеют пониженную чувствительность. Это означает, что небольшое отклонение величины одного из компонентов схемы (отклонение сопротивления резистора или емкости конденсатора от нормы) будет приводить к меньшему влиянию на окончательную характеристику фильтра, чем в случае аналогичного сложного фильтра, построенного на одном операционном усилителе.

Рис. 15. Принципиальная схема ступенчатого фильтра

На рис. 15 показан ступенчатый фильтр, собранный из трех операционных усилителей. Популярность таких фильтров резко возросла после появления в продаже интегральных микросхем, содержащих несколько операционных усилителей в одном корпусе. Достоинствами этого фильтра являются низкая чувствительность к отклонениям величин компонентов и возможность получения трех выходов: верхних частот Uвых1, полосового Uвых2 и нижних частот UвыхЗ.

Фильтр составлен из суммирующего усилителя DA1 и двух интеграторов DA2, DA3, которые соединены в виде замкнутой петли. Если элементы схемы выбраны согласно условию

то граничная частота оказывается равной

Выходы верхних и нижних частот имеют крутизну наклона амплитудно-частотной характеристики, равную 12 дБ/октава, а полосовой выход имеет треугольную характеристику с максимумом на частоте f с добротностью Q, которая определяется резисторами установки усиления микросхемы DA1.

Источник



Применение активных фильтров — эффективный метод улучшения качества электроэнергии

Повсеместное использование нелинейных нагрузок, включающих в себя силовое электронное оборудование: вентильные преобразователи и устройства частотного регулирования электропривода, насыщенные трансформаторы и электродвигатели, мощные электрические печи и сварочное оборудование — привело к необходимости разработки и внедрения систем коррекции формы кривых тока и напряжения. Один из перспективных методов решения указанной задачи — применение активных фильтров.

Существуют последовательная, параллельная и смешанная топологии подключения активных фильтров, принципиально же различают два типа:

  • последовательный активный фильтр;
  • параллельный активный фильтр.

Последовательный активный фильтр

Последовательный фильтр по сути является управляемым генератором напряжения и служит эффективным решением для компенсации провалов, фликера несимметрии и гармонических составляющих в напряжении сети.

Однако он имеет некоторые недостатки. Расчитанный на полный ток нагрузки, он имеет высокую мощность и, соответственно, стоимость. Кроме того, не может прямо исправлять токи нагрузки, подключенной за ним, влияя на них только посредством изменения напряжения. Существенным преимуществом является исправление искаженной формы напряжения независимо от природы возникновения искажений.

Принцип действия и блок-схема последовательного фильтра показана на рисунке 1.

Параллельный активный фильтр

Параметры параллельных фильтров должны быть подобраны только для величин гармонических токов от нелинейной нагрузки. Еще одно преимущество — принцип регулирования с коррекцией тока (фильтр как регулируемый источник тока) и связанное с этим улучшение напряжения питания остальных потребителей. В таких сетях источники возмущений — потребляемые нагрузкой токи (THD(I) %>>THD(U)%). Суммарные гармонические искажения по току % всегда выше, чем по напряжению. Логично и более быстродействующе исправлять первопричину. Для последовательного же фильтра в этом случае подходит задача уменьшения воздействия от внешних возмущений из сети, прежде всего по напряжению. Это утверждение можно оспаривать, но стоимостной фактор подскажет именно такую логику действий! Таким образом, место применения параллельного фильтра — ближе к нелинейной нагрузке.

Общим в построении фильтров является принцип регулирования по отклонению от заданной величины, они оба включают в себя датчики измеренных сигналов и блоки формирования опорных сигналов по напряжению или току — по типу фильтра, соответственно. Следовательно, должны обладать значительным быстродействием (0,02-0,5 мс) и временем отклика 0,2-2 мс для сетей 50-60 Гц. Поэтому в качестве регулирующего элемента применяют IGBT-транзисторы. Используется также принцип ШИМ-регулирования (регулирование с использованием широтноимпульсной модуляции сигнала).

В современных условиях наследия единой энергетической системы РФ, учитывая статистику нечастых сбоев на центральных генерирующих мощностях, в передающих сетях, представляется более интересной задача влияния нелинейных потребителей на собственную распределительную сеть.

Этому посвящено дальнейшее описание.

Итак, если в сети присутствуют гармоники тока из-за наличия нелинейных нагрузок, наилучшим и универсальным способом повышения качества электропитания является установка параллельных активных фильтров. Рассмотрим данный фильтр на примере современной серии APF производства испанской фирмы CIRCUTOR, выпуск 2007-2008 гг.

Фильтры APF обеспечивают компенсацию гармоник, асимметрии и фазового сдвига тока сети. APF должен быть подключен параллельно питающей линии, как показано на рисунке 2. Тогда фильтр скомпенсирует пульсацию, асимметрию и отставание по фазе, вызванные работой нелинейной нагрузки, подключенной ниже по направлению протекания тока. Принцип компенсации гармоник основан на инжектировании пульсирующего тока в противофазе, что уничтожает гармоники, генерируемые нагрузкой.

Типы параллельных фильтров AF-APF

В зависимости от конфигурации разделяют несколько типов параллельных активных фильтров:

Однофазные (AF 2) — для устранения гармоник, генерированных однофазной нагрузкой (2-проводные линии), в том числе и компьютерные линии.

Трехфазные 3-проводные (AF3-W) — фильтры такого типа предназначены для устранения гармоник трехфазной симметричной системы без нейтрального проводника — в том числе помех от ИБП(UPS) источников бесперебойного питания.

Трехфазные 4-проводные многофункциональные параллельные активные: фильтры APF-4W производства Circutor принадлежат именно к универсальному типу.

Фильтры могут решить одновременно четыре задачи:

  • симметрирование напряжений (опосредованно через симметрирование токов) сети (Network balansing);
  • связанное с этим снижение практически до 0 тока нейтрали;
  • подавление токовых (и следовательно улучшения THD(I) и THD(U)) гармоник;
  • PF-коррекция или компенсация реактивной мощности (повышение cosφ).

Приоритет этих функций программируется. Конструкция содержит инвертор с 4 выводами, действующий по принципу генерации встречного противофазного тока «зеркальной» формы по отношению к искажениям в токе нагрузки. Важной особенностью конструкции APF является блочный принцип организации мощностей, что позволяет легко наращивать требуемую установленную мощность. Основным преимуществом 4-проводных фильтров является возможность компенсации всех типов гармоник, включая токи нулевой последовательности, и, в случае несимметричных нагрузок, они также способны балансировать токи между разными фазами для минимизации тока нейтрали.

Поведение APF-фильтра в условиях ограничения тока

APF-фильтры работают в качестве источников тока и их эффективность ограничена собственным номинальным током. Такой ограничивающий ток обозначается как Ilimit и используется для устранения гармоник, асимметрии и запаздывания фаз.

При нормальных условиях работы, если необходимый ток не достигает Ilimit, APF скомпенсирует все реактивные составляющие: гармоники, асимметрию и запаздывание фаз. Если нагрузке требуется компенсация с номиналом тока выше Ilimit, тогда компенсирование запаздывания фаз (в зависимости от уставки) может быть автоматически отключено, а весь номинальный ток будет пущен на компенсирование гармоник и запаздывания фаз. Если все-таки нагрузке требуется компенсирующий ток выше Ilimit, тогда компенсирование асимметрии или гармоник (в зависимости от уставок) будет также автоматически отключено и вся мощность фильтра будет предоставлена на выполнение функции с наивысшим приоритетом.

В случае если активирована только функция компенсирования гармоник, а нагрузке требуется ток выше Ilimit, компенсирование гармоник будет только частичным. Функция set-up при пуске позволяет выполнить программирование приоритетов между функциями компенсирования (гармоник, асимметрии или запаздывания фаз), кроме того, возможен выбор приоритета для компенсирования отдельной гармонической составляющей. При правильной настройке фильтр не может перегрузиться, он может только недовыполнить в % компенсацию возмущений, в случае если даже его мощность была подобрана, например, неверно.

Особенности применения параллельных активных фильтров APF

Фильтры APF разработаны специально для устранения гармоник, асимметрии и запаздывания фаз в низковольтных распределительных системах — до 1000 В с несколькими однофазными нагрузками (или междуфазными), которые генерируют такие реактивные составляющие.

Ток нейтрали фильтра APF в 1,5 раза больше фазного тока. Это означает, что в сбалансированной системе APF может скомпенсировать до 40% третьей гармоники по фазе без достижения Ilimit (max-возможного) тока на нейтрали. Для высших гармоник остаточный ток остается на нейтрали.

APF может быть установлен параллельно с другими настроенными фильтрами или с конденсаторными установками, но только при условии наличия режекционных фильтров. Компенсация cosφ должна обеспечиваться расстроенными фильтрами с настройкой на p=7%, p=14% или p=5,6%.

Со встроенным в шкаф анализатором качества и количества электроэнергии CVMk2 фильтр APF представляет собой систему мониторинга и регулирования качества электрической энергии.

C. В. ЖИГАРЕВ,
нач. технического отдела ООО «Вымпел»,
г. Москва.

Источник