Силовые активные и пассивные фильтры

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Институт/ 

Факультет     –          Энергетический институт                                      .

Направление – Электроснабжение промышленных предприятий

                     ____________________________________________________

Кафедра        –    Электроснабжения                                          .

                    _____________________________________________________ 

Силовые активные и пассивные  фильтры

^{Наименование  реферата}

     Реферат

     по  курсу «                   Качество электроэнергии                        »

                                                ^{Наименование учебной  дисциплины}

Выполнил студент  гр.9А93Т1      _______        Насибов Р.М.

                                               ^{Подпись             Дата                     И.О.Фамилия}

Проверил    доцент     ________ _______  Герасимов Д.Ю.

                        ^{должность         Подпись             Дата                     И.О.Фамилия} 
 

Томск – 2012

Введение 

     Фильтром  называется электронное устройство, которое в определенном

диапазоне частот пропускает сигнал, и не пропускает сигнал в остальном

диапазоне частот. То есть назначение фильтра ─ передавать сигнал одного диапазона частот и задерживать сигнал другого диапазона.

В этой части теории мы остановимся на передаче и задерживании сигналов синусоидальной формы.  Зная, как фильтр передаёт сигналы синусоидальной формы, нетрудно определить, как он будет передавать сигналы другой формы. В электронике используются и аналоговые, и цифровые фильтры.

В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют  в цифровую форму, а в цифровых фильтрах перед обработкой сигналов такое преобразование выполняется.

Аналоговые  фильтры могут быть как пассивными (на резисторах, конденсаторах, индуктивностях), так и активными (на транзисторах, на операционных усилителях). Кроме того, фильтры могут быть силовыми и информативными. Требования, предъявляемые к тому и другому типу фильтров различные. Для фильтров силовой электроники важен такие показатели как КПД и минимальные размеры. Строятся силовые фильтры обычно на пассивных элементах. Фильтры информативной электроники разрабатываются на основе активных элементов. Такие фильтры в настоящее время разрабатываются  с использованием операционных усилителей. Фильтры, которые построены на основе активных элементов, называются активными. В интегральном исполнении активные фильтры  имеют меньшие габариты и вес. Активные фильтры способны усиливать сигнал.

К недостаткам  активных фильтров можно отнести  следующее:

• активные фильтры не могут работать на таких  высоких частотах, на

которых операционные усилители уже не способны усиливать сигнал.

• активные фильтры нуждаются в источниках питания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Активные  фильтры 

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

Многотактные фильтры

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

Многоуровневые  фильтры

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

Каскадные фильтры

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

Рис. 1. Схема многотактного активного фильтра

 

Рис. 2. Схема многоуровневого  активного фильтра

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 4. Схема активной фильтрации токов  сетив приводе вентилятора

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 5. Токи преобразователя  вентилятора и  активного фильтра

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пассивные фильтры 

LC-фильтры  были первыми фильтрами, которые использовались в устройствах передачи сигналов.

Пассивный фильтр, реализующий характеристики Баттерворта или Чебышева,  представляет лестничную LC-цепь,  включенную между резистивным сопротивлением источника сигнала и нагрузкой Rн (рис. 32.6). Элементы фильтра рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности в полосе пропускания. 

 

С помощью  лестничной LC-цепи можно реализовать  только переда-

точные  функции, нули передачи которых расположены на мнимой оси. Однако это не является серьезным ограничением, так как нули передачи частотноселективных фильтров, как правило, расположены на мнимой оси, включая начало координат и бесконечность.

В простейшем случае нули передачи находятся в  бесконечности. Таким

свойством обладают передаточные функции фильтров нижних частот Баттерворта и Чебышева. Продольные ветви LC-цепи  содержат индуктивности,

а поперечные – емкости. Если нули передачи расположены в начале координат (фильтр верхних частот), то продольные ветви содержат емкостные элементы,  а поперечные –  индуктивные.  Отличие фильтров Баттерворта и Чебышева в этом случае заключается только в разных значениях реактивных

элементов, получаемых в процессе расчета. Количество реактивных элементов определяется порядком фильтра n. Пару нулей передачи на мнимой оси можно реализовать с помощью последовательного колебательного контура в поперечной ветви или параллельного колебательного контура в продольной ветви. Резонансные частоты контуров совпадают с нулями передачи фильтра.

Лестничный LC-фильтр,  включенный между генератором и нагрузкой,

может начинаться как с продольной,  так и поперечной ветви.  Если порядок

фильтра n четный, оба варианта равноценны. Если n – нечетное число, выбирают структуру, которая содержит минимальное число индуктивных элементов.

Методы  синтеза LC-фильтров хорошо разработаны.  Существует обширная справочная литература,  которая содержит данные о фильтрах различных порядков. Процедура расчета фильтра сводится к выбору типа и порядка фильтра.

Пассивные фильтры устойчивы, не требуют источников питания, имеют низкую чувствительность характеристик к изменениям номиналов эле-

ментов. Их основной недостаток при работе на частотах меньше 100 МГц –

большие габариты и вес, обусловленные размерами  индуктивных катушек.

В настоящее  время LC-фильтры почти вытеснены цифровыми и аналоговыми активными RC-фильтрами. Однако пассивные фильтры по-прежнему

используются  на частотах, превышающих 100 кГц. Кроме того, многие методы реализации цифровых фильтров и активных RC-фильтров со стабильными