Активный фильтр-стабилизатор переменного напряжения

Использование: полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для стабилизации напряжения на шинах нелинейных потребителей с устранением всего спектра токов высших гармоник, поступающих в сеть.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества электрической энергии при повышении надежности предлагаемого устройства, за счет введения в функциональную схему интеллектуальных блоков.

Технический результат достигается тем, что в фильтре-стабилизаторе, состоящим из первого дросселя, включенного между входным выводом для подключения к сети, и выходным выводом для подключения нелинейной нагрузки, и регулирующего устройства, которое может быть выполнено в виде активного узла, в который входит управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный состоящий из четырех транзисторных ключей и емкостного накопителя энергии, второго дросселя и конденсатора фильтра, а так же модулятора, работающего по релейному закону с гистерезисом и имеющего инвертирующий и неинвертирующий выход, датчиков действующего значения входного и выходного напряжения, напряжения на конденсаторе активного узла, тока нагрузки и тока активного узла, в отличие от прототипа дополнительно введены наблюдатель состояния на микроконтроллере, индикаторный блок и задатчик режимов работы и эталонных сигналов, причем второй дроссель одним выводом подсоединен к выходному выводу (для подключения нелинейной нагрузки), вторым к точке соединения эмиттера транзисторного ключа с коллектором транзисторного ключа, конденсатор фильтра одним выводом подключен к выходному выводу, вторым к общему выводу, емкостной накопитель энергии одним выводом подключен к общей точки соединения коллекторов транзисторных ключей, второй к общей точки соединения эмиттеров транзисторных ключей, причем эмиттер транзисторного ключа соединен с коллектором транзисторного ключа и общим выводом, а базы транзисторного ключа и транзисторных ключей соединены между собой и первым выходом модулятора, а базы транзисторных ключей соединены между собой и со вторым инвертирующим выходом модулятора, первый вход модулятора соединен с датчиком тока активного узла, а второй вход модулятора соединен с первым выходом наблюдателя состояния на микроконтроллере, второй выход наблюдателя состояния на микроконтроллере соединен со входом индикаторного блока, первый вход наблюдателя состояния на микроконтроллере соединен с задатчиком режимов работы и эталонных сигналов, второй - с датчиком действующего значения тока активного узла, третий - с датчиком действующего значения тока нагрузки, четвертый с датчиком действующего значения выходного напряжения, а пятый - с датчиком действующего значения входного напряжения.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для стабилизации напряжения на шинах нелинейных потребителей с устранением всего спектра токов высших гармоник, поступающих в сеть.

Известен фильтр-стабилизатор переменного напряжения, содержащий дроссель, включенный между одним из входных выводов и одним из выходных выводов, и регулирующий блок, первым выходным выводом подключенный к выводу дросселя, соединенному с упомянутым входным выводом фильтра-стабилизатора, а вторым с общим входным и выходным выводом (Электротехника 1993, N 1, с.57-61).

Основной недостаток известного фильтра-стабилизатора заключается в том, что он фильтрует только небольшую часть спектра высших гармоник тока нагрузки и искажает форму выходного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому является активный фильтр стабилизатор переменного напряжения (патент RU 2094935 H02M 1/15, G05F 1/44, 1997.10.27), состоящий из дросселя, включенного между входным выводом для подключения к сети, и выходным выводом для подключения нелинейной нагрузки, и регулирующего устройства, которое может быть выполнено в виде активного узла, в который входит управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный состоящий из четырех транзисторных ключей и емкостного накопителя энергии, а также дросселя и конденсатора фильтра, модулятора, датчиков действующего значения входного и выходного напряжения, напряжения на конденсаторе активного узла, тока нагрузки, токов активного узла и формирователя сигнала задания тока, а так же формирователя.

Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является его многоканальность и перегруженность функциональной схемы, что снижает ее надежность. Кроме того, устройство предполагает дискретное переключение каналов, что для силовых установок сопряжено с большими коммутирующими токами.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества электрической энергии при повышении надежности предлагаемого устройства, за счет введения в функциональную схему интеллектуальных блоков.

Технический результат достигается тем, что в фильтре-стабилизаторе, состоящим из первого дросселя, включенного между входным выводом для подключения к сети, и выходным выводом для подключения нелинейной нагрузки, и регулирующего устройства, которое выполнено в виде активного узла, в который входит управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный состоящий из четырех транзисторных ключей и емкостного накопителя энергии, второго дросселя и конденсатора фильтра, а так же модулятора, работающего по релейному закону с гистерезисом и имеющего инвертирующий и имеющего неинвертирующий выход, датчика мгновенного значения входного напряжения и датчика мгновенного значения выходного напряжения, датчика мгновенного значения напряжения на конденсаторе активного узла, датчика мгновенного значения тока нагрузки и датчика мгновенного значения тока активного узла, в отличие от прототипа дополнительно введены наблюдатель состояния на микроконтроллере, индикаторный блок и задатчик режимов работы и эталонных сигналов, причем второй дроссель одним выводом подсоединен к выходному выводу (для подключения нелинейной нагрузки), вторым к точке соединения эмиттера транзисторного ключа с коллектором транзисторного ключа, конденсатор фильтра одним выводом подключен к выходному выводу, вторым к общему выводу, емкостной накопитель энергии одним выводом подключен к общей точки соединения коллекторов транзисторных ключей, второй к общей точки соединения эмиттеров транзисторных ключей, причем эмиттер транзисторного ключа соединен с коллектором транзисторного ключа и общим выводом, а базы транзисторных ключей соединены между собой и первым выходом модулятора, а базы транзистторных ключей соединены между собой и со вторым инвертирующим выходом модулятора первый вход модулятора соединен с датчиком тока активного узла, а второй вход модулятора соединен с первым выходом наблюдателя состояния на микроконтроллере, второй выход наблюдателя состояния на микроконтроллере соединен со входом индикаторного блока, первый вход наблюдателя состояния на микроконтроллере соединен с задатчиком режимов работы и эталонных сигналов, второй - с датчиком мгновенного значения тока активного узла, третий - с датчиком мгновенного значения тока нагрузки, четвертый с датчиком мгновенного значения выходного напряжения, а пятый - с датчиком мгновенного значения входного напряжения.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом. На фиг. изображена общая схема фильтра-стабилизатора.

Активный фильтр-стабилизатор состоит из первого дросселя 1, включенного между входным выводом 2 для подключения к сети 3, и выходным выводом 4 для подключения нелинейной нагрузки 5, и регулирующего устройства, которое может быть выполнено в виде активного узла 6, в который входит мостовой преобразователь постоянного тока в переменный, состоящий из четырех транзисторных ключей 7, 8, 9, 10 и емкостного накопителя энергии 11, второго дросселя 12 и конденсатора фильтра 13, а так же модулятора 14, работающего по релейному закону с гистерезисом и имеющего инвертирующий и не инвертирующий выход, датчика мгновенного значения входного напряжения 15 и датчика мгновенного значения выходного напряжения 16, датчика мгновенного значения напряжения на конденсаторе активного узла 17, датчика мгновенного значения тока нагрузки 18 и датчика мгновенного значения тока активного узла 19, в отличие от прототипа дополнительно введены наблюдатель состояния на микроконтроллере 20, индикаторный блок 21 и задатчик режимов работы и эталонных сигналов 22, причем второй дроссель 12 одним выводом подсоединен к выходному выводу (для подключения нелинейной нагрузки) 4, вторым к точке соединения эмиттера транзисторного ключа 7 с коллектором транзисторного ключа 9, конденсатор фильтра 13 одним выводом подключен к выходному выводу 4, вторым к общему выводу 23, емкостной накопитель энергии 11 одним выводом подключен к общей точке соединения коллекторов транзисторных ключей 7 и 8, второй к общей точке соединения эмиттеров транзисторных ключей 9 и 10, причем эмиттер транзисторного ключа 8 соединен с коллектором транзисторного ключа 10 и общим выводом 23, а базы транзисторных ключей 7 и 10 соединены между собой и первым выходом модулятора 14, а базы транзисторных ключей 8 и 9 соединены между собой и со вторым инвертирующим выходом модулятора 14, первый вход модулятора 14 соединен с датчиком тока активного узла 19, а второй вход модулятора 14 соединен с первым выходом наблюдателя состояния на микроконтроллере 20, второй выход наблюдателя состояния на микроконтроллере 20 соединен со входом индикаторного блока 21, первый вход наблюдателя состояния на микроконтроллере 20 соединен с задатчиком режимов работы и эталонных сигналов 22, а второй - с датчиком мгновенного значения тока активного узла 19, третий - с датчиком мгновенного значения тока нагрузки 18, четвертый соединен с датчиком мгновенного значения выходного напряжения 16, а пятый - с датчиком мгновенного значения входного напряжения 15.

Принимая сигналы с датчиков действующего значения входного 15 и выходного 16 напряжения, напряжения на конденсаторе активного узла 17, тока нагрузки 18 и тока активного узла 19, наблюдатель состояния на микроконтроллере 20, в зависимости от сигнала с задатчика режимов работы и эталонных сигналов 22 формирует управляющий сигнал активного узла.

Задатчика режимов работы и эталонных сигналов 22 формирует эталонные сигналы входного напряжения, выходного напряжения, сигнал эталонной синусоиды и напряжения на конденсаторе активного узла. Принимая сигналы с датчиков мгновенного значения входного и выходного напряжения, напряжения на конденсаторе активного узла 17, тока нагрузки 18 и тока активного узла 19, наблюдатель состояния на микроконтроллере 20 вычисляет необходимые их действующие значения и в зависимости от сигнала с задатчика режимов работы и эталонных сигналов 22 формирует управляющий сигнал активного узла.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом.

В начальный момент времени наблюдатель состояния на микроконтроллере 20 получает сигналы с задатчика режимов и эталонных сигналов 22 и формирует в постоянном запоминающем устройстве микроконтроллера массив эталонной синусоиды с амплитудой равной заданной амплитуде входного сигнала сети. Кроме того, с задатчика режимов и эталонных сигналов 22 вводится значение контролируемого выходного напряжения, сдвинутого по фазе на 90 градусов в сторону опережения (емкостной характер тока). Ток из сети течет через активный узел 6 и заряжает накопительный конденсатор 11. Происходит заряд накопительного конденсатора 11 до напряжения, значение которого равно амплитуде напряжения сети. Напряжение на накопительном конденсаторе 11 измеряется датчиком напряжения на конденсаторе активного узла 17, выход которого подключен ко второму входу наблюдателя состояния на микроконтроллере 20. После заряда конденсатора активного узла 17 наблюдатель состояния на микроконтроллере 20 реализует первый режим работы.

Первый режим обеспечивает фильтрацию токов высших гармоник и реализует функцию активного фильтра, при этом сигнал пропорциональный току нагрузки снимается датчиком 18 и поступает в наблюдатель состояния на микроконтроллере, усиливается, инвертируется и записывается в первую ячейку оперативной памяти наблюдателя состояния на микроконтроллере 20. При этом этот исходный сигнал содержит все гармоники, включая первую, тока нагрузки в противофазе. Одновременно сигнал с датчика напряжения на конденсаторе активного узла 17 поступает в наблюдатель состояния на микроконтроллере 20, сравнивается с эталонным сигналом конденсатора активного узла, сигнал рассогласования усиливается и перемножается с сигналом эталонной синусоиды, синхронизированной с выходным напряжением, но стабилизированной по амплитуде, перемноженный сигнал усиливается и вычитается из сигнала, записанного в первой ячейке оперативной памяти наблюдателя состояния на микроконтроллере. Полученный сигнал управления записывается во вторую ячейку оперативной памяти наблюдателя состояния на микроконтроллере. Таким образом, напряжение на конденсаторе 11 поддерживается выше амплитудного значения напряжения сети.

Второй режим работы активного фильтра-стабилизатора предназначен для быстрого реагирования на изменение входного напряжения сети в целях стабилизации выходного напряжения и регулирования реактивной мощности. Во втором режиме сигнал с датчика 15 мгновенного значения входного напряжения поступает в наблюдатель состояния на микроконтроллере 20, вычисляется значение действующего напряжения, сравнивается с эталонным значением входного напряжения, усиливается, перемножается с сигналом эталонной синусоиды, причем сигнал эталонной синусоиды сдвинут по фазе на 90 градусов в сторону опережения (емкостной характер тока). Полученный сигнал управления хранится в третьей ячейке оперативной памяти наблюдателя состояния на микроконтроллере 20. Таким образом, при уменьшении входного напряжения активный узел 6 начинает генерировать реактивный ток емкостного характера, при этом вектор напряжения на втором дросселе 12 складывается с вектором входного напряжения и напряжение на выходе стабилизируется, при увеличении входного напряжения реактивный ток меняет характер на индуктивный и выходное напряжение уменьшается относительно входного за счет соответствующего вектора напряжения на втором дросселе 12.

Для более точной стабилизации предусмотрен третий режим работы, включающий канал отрицательной обратной связи по действующему значению выходного напряжения. Этот канал должен быть достаточно инерционным для обеспечения устойчивой работы системы. В процессе работы сигнал с датчика мгновенного значения выходного напряжения на нагрузке поступает в наблюдатель состояния на микроконтроллере, вычисляется сигнал действующего значения, сравнивается с эталонным сигналом действующего выходного напряжения, сигнал рассогласования усиливается и суммируется с сигналов управления третьей ячейки оперативной памяти наблюдателя состояния на микроконтроллере, перемножается на сдвинутый по фазе сигналом эталонной синусоиды. Полученный сигнал управления хранится в четвертой ячейке оперативной памяти наблюдателя состояния на микроконтроллере. Такая система позволяет стабилизировать и действующее значение напряжения на нагрузке, и фильтровать токи высших гармоник. При этом, если входное напряжение искажено, то выходное также искажается, это связано с тем, что через второй дроссель 12 проходит ток только первой гармоники (активный и реактивный) и, следовательно, напряжение на нем синусоидально. При этом режиме возможна и стабилизация мгновенного значения напряжения на нагрузке. В этом случае, используется сигнал непосредственно с датчика мгновенного значения и идет его сравнение с опорным сигналом - сигналом эталонной синусоиды, синхронизированной с сетью.

Каждый из вновь вводимых режимов работы дополняет предыдущий режим, не исключая его.

Сигналы всех режимов периодически обновляются и поступают из оперативной памяти на второй вход модулятора 14 (работающего по релейному закону), на первый вход которого поступает сигнал с датчика тока активного узла 19. Сигнал с первого выхода модулятора управляет 7 и 10 ключами активного узла 6, а сигнал со второго выхода управляет 8 и 9 ключами активного узла 6.

После каждого периода входного напряжения значения (показания) всех датчиков отображаются на индикаторном блоке 21, обеспечивающим наглядность процесса стабилизации.

Активный фильтр-стабилизатор переменного напряжения, состоящий из первого дросселя, включенного между входным выводом для подключения к сети и выходным выводом для подключения нелинейной нагрузки, и регулирующего устройства, которое выполнено в виде активного узла, в который входит управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный, состоящий из четырех транзисторных ключей и емкостного накопителя энергии, второго дросселя и конденсатора фильтра, а также модулятора, работающего по релейному закону с гистерезисом и имеющего инвертирующий и не инвертирующий выход, датчика мгновенного значения входного напряжения и датчика мгновенного значения выходного напряжения, датчика мгновенного значения напряжения на конденсаторе активного узла, датчика мгновенного значения тока нагрузки и датчика мгновенного значения тока активного узла, отличающийся тем, что дополнительно введены наблюдатель состояния на микроконтроллере, индикаторный блок и задатчик режимов работы и эталонных сигналов, причем второй дроссель одним выводом подсоединен к выходному выводу, вторым - к точке соединения эмиттера транзисторного ключа с коллектором транзисторного ключа, конденсатор фильтра одним выводом подключен к выходному выводу, вторым - к общему выводу, емкостной накопитель энергии одним выводом подключен к общей точки соединения коллекторов транзисторных ключей, вторым - к общей точке соединения эмиттеров транзисторных ключей, причем эмиттер транзисторного ключа соединен с коллектором транзисторного ключа и общим выводом, а базы транзисторных ключей соединены между собой и первым выходом модулятора, а также со вторым инвертирующим выходом модулятора, первый вход модулятора соединен с датчиком тока активного узла, а второй вход модулятора соединен с первым выходом наблюдателя состояния на микроконтроллере, второй выход наблюдателя состояния на микроконтроллере соединен с индикаторным блоком, первый вход наблюдателя состояния на микроконтроллере соединен с задатчиком режимов работы и эталонных сигналов, второй - с датчиком мгновенного значения тока активного узла, третий - с датчиком мгновенного значения тока нагрузки, четвертый соединен с датчиком мгновенного значения выходного напряжения, а пятый - с датчиком мгновенного значения входного напряжения.