Классификация активных сглаживающих фильтров

Все схемные решения активных фильтров можно разделить на 5 основных групп: параллельно-параллельного типа (сигнал снимается с параллельной реактору ветви и подаётся также на параллельную, но в противофазе); параллельно-последовательного типа; последовательно-последовательного типа, последовательно-параллельного и смешанного типа. Классификация активных СФ приведена на рисунке 42.

Анализ работоспособности и применимости наиболее распространённых схем сглаживающих фильтров

В настоящее время промышленность выпускает транзисторы, на которых можно создать усилитель мощности в несколько сотен ватт, и при этом напряжение на его выходе может быть не более 100 В (оно определяется допустимым для существующих транзисторов напряжением питания усилителя). Поэтому на данном этапе развития полупроводниковой техники по технико-экономическим соображениям предпочтительнее выполнить составной фильтр, включающий в себя два звена: в первом использовать часть существующего резонансного фильтра тяговой подстанции; во втором — активный фильтр. Такой двухзвенный фильтр получил название активно-пассивного фильтра. Принципиальная схема активно-пассивного фильтра для тяговой подстанции показана на рисунке 43.

Пассивное звено в зависимости от качества первичного напряжения и режима работы тяговой подстанции может выбираться с различным количеством параллельных цепочек. Первое звено необходимо для предварительного снижения уровня переменной составляющей выпрямленного напряжения до величины, допустимой по условиям работы усилителя активного звена фильтра.

Активное звено фильтра 11 (рисунок 44) содержит входной контур и усилитель мощности, а также необходимые средства защиты как входных цепей усилителя от мощного сигнала, так и выходных цепей усилителя от мощных волн перенапряжений в системе выпрямленного напряжения 3,3 кВ.

Входной контур активного звена фильтра состоит из емкости С и изолировочного трансформатора ИТ с коэффициентом трансформации, равным единице. Назначение емкости — разделить переменную и постоянную составляющие выпрямленного напряжения. Параметры емкости С и трансформатора ИТ выбираются таким образом, чтобы резонанс напряжений между конденсатором и первичной обмоткой трансформатора был на возможно более низкой частоте. В этом случае исключается влияние этой цепи на величину и фазу гармоники с частотой 50 Гц.

Устройство содержит поперечную ветвь из конденсатора 6, включенного параллельно цепи из конденсатора 7 и датчика 8, и продольную ветвь из реакторов 4 и 5. Следящее устройство включает датчик 8, фазовый корректор 9, блок 10 сравнения фаз и инвертирующий усилитель 11. Сигнал, снятый с датчика 8, усиливается и подается в противофазе к входному сигналу на реактор 5. При этом блок сравнения фаз гармонических составляющих управляет фазовым корректором для минимизации фазовых искажений в цепи «вход датчика — реактор 5». Этим достигается необходимый коэффициент сглаживания.

Устройство работает следующим образом [11]. На входы 1 и 3 подается пульсирующее выпрямленное напряжение. Первое звено фильтра из реактора 4 и конденсатора 6 сглаживает канонические гармоники с частотами 300 Гц, 600 Гц и т. д., снижая мощность переменной составляющей, которая прикладывается ко второму активному звену фильтра. Конденсатор 7 служит для отделения переменной составляющей выпрямленного напряжения от постоянной составляющей. В следящем блоке с датчика 8 снимается сигнал и подается на вход фазового корректора 9, управляемого от блока 10 сравнения фаз, а с его выхода — на вход инвертирующего усилителя 11. Блок 10 сравнения фаз получает сигнал с входа и выхода усилителя 11, сравнивает фазы и вырабатывает сигнал, пропорциональный фазовой ошибке, который управляет фазовым корректором 9.

Сигнал, поступающий с выхода усилителя 11 на реактор 5, находится строго в противофазе с сигналом, поступающим на вход следящего устройства, и вычитаясь из него, дает минимальные значения переменной составляющей на выводах 2 и 3, т. е. резко увеличивает его коэффициент сглаживания. Схема некритична к величине реактора 5 и позволяет свести его к одному блоку.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сократить количество реакторов последовательной ветви и тем самым уменьшить потери в них, а также уменьшить или полностью ликвидировать резонансные LC-цепочки.

Мощность усилителя определялась как произведение тока по выходному транзисторному каскаду на напряжение на нем, или, что-то же самое, на напряжение на реакторе. В результате расчетов было получено, что необходимая мощность усилителя при отсутствии пассивного фильтра должна находиться в пределах 3,5−4,5 кВА, что при современной элементной базе невыполнимо. Наличие пассивного звена в пассивно-активном фильтре позволяет снизить требуемую мощность активного элемента до 40 ВА.

Следует отметить, что на сегодняшний день существуют большое количество активных сглаживающих фильтров [2], некоторые из них проходят пробную эксплуатацию на железных дорогах России [2]. Принцип работы таких фильтров заключается в отделении переменной составляющей выпрямленного напряжения на входе фильтра и, за счет подачи в противофазе, компенсации пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра.

Для оценки эффективности работы активных фильтров рассмотрим фильтр, предложенный ОмГУПС. Для анализа работы активного фильтра, проведено его моделирования в программе Mathlab 6.5 и сняты характеристики электромагнитных процессов при шестипульсовой схеме выпрямления.

Структурная схема активного сглаживающего фильтра представлена на рисунке 45. Принципиальная схема активного СФ представлена на рисунке 46. Имитационная модель активного СФ, предложенного ОмГУПС представлена на рисунке 47.

На рисунке: 3 — Phase Source — трёхфазный источник синусоидальной конечной мощности; PT — понижающий трансформатор тяговой подстанции; TT — преобразовательный (тяговый) трансформатор; VK — выпрямительные мостовые конструкции; Scope — пишущий осциллограф; Source — управляемый источник переменного напряжения; L_p1, L_p2 — реакторы; V — датчик напряжения с гальванической развязкой; V₁ — датчик напряжения с гальванической развязкой на входе СФ; V₂ — датчик напряжения с гальванической развязкой на выходе пассивной части СФ; V₃ — датчик напряжения с гальванической развязкой на выходе активного СФ; RMS — блоки вычисления действующего (среднего) сторзначения переменной (постоянной величины);С — конденсаторные блоки; mux-мультиплексор; Load — нагрузка; SUM — сумматор

Предлагаемый ОмГУПС активный фильтр [11] работает следующим образом. Реактор L_p1 и конденсатор С обеспечивают снижение мощности переменной составляющей до уровня 40−60 ВЧА. Блок 1(V₁) определяет среднее значение выпрямленного напряжения на каждом кванте с заданным шагом дискретизациипериода выпрямленного напряжения. Блок 2(RMS) выделяет значение постоянной составляющей напряжения, после чего сигналы с выходов блоков 1 и 2 поступают на сумматор 3 (SUM), который имеет инвертирующий и неинвертирующий входы («+ и — «). Управляемый источник напряжения вырабатывает прямоугольныe импульсы длительностью равной шагу квантования, величиной равной значению управляющего сигнала с выхода блока.

3. На выходе блока 4(Source) получаем сигнал, имеющий величину равную среднему значению переменной составляющей выпрямленного напряжения на каждом интервале квантования, но противоположный по значению, который подается на реактор Lp2. Сигнал, генерируемый фильтром, находится строго в противофазе с ud~, амплитуда гармоник на выходе блока 4 зависит только от величины шага квантования. Данный фильтр обеспечивает почти полную компенсацию переменой составляющей выпрямленного напряжения.

Характеристики электромагнитных процессов активного СФ представлены на рисунках 48, 49.

По своим сглаживающим характеристикам активно-пассивный фильтр намного превосходит двухзвенные резонансные фильтры тяговых подстанций; за счет возможной ликвидации части блоков реактора повышается экономичность активно-пассивного фильтра из-за снижения потерь в активном сопротивлении реактора, кроме того, по тем же причинам уменьшаются массогабаритные параметры подстанционного фильтра; активное звено сглаживающего фильтра существенно (до 6 дБ) снижает гармонику 50 Гц, в то время как традиционные фильтры тяговых подстанций увеличивают ее примерно в такое же количество раз.

Несмотря на вышеизложенное, активно-пассивный фильтр не нашёл широкое применение на тяговых подстанциях постоянного тока из-за ряда сопутствующих проблем, в частности: отсутствия мощных источников управляемого напряжения, которые могли бы создавать напряжения заданных форм, достаточной мощности 10−20 кВт. Кроме этого, такая схема СФ ОмГУПС имеет следующий недостаток: подключённая в последовательной части ко второму реактору, вызывает трудности: при к.з. в тяговой сети на втором реакторе образуется значительное противоЭДС, эта противоЭДС может достигать величины до 9−10 кВ и соответственно выходные цепи управляемого источника должны быть рассчитаны на такие нагрузки. В настоящее время таких источников нет. Как только эта проблема будет решена, активные СФ найдут широкое применение.

Многое зависит от рационального выбора схемы и конструкции активного фильтра, которые в настоящее время приходится находить экспериментально, подбором. Сложность аналитического исследования системы «выпрямитель тяговой подстанции — активный фильтр — тяговая сеть» заключается в том, что невозможно учесть многочисленные факторы, воздействующие на работу этой системы в реальных условиях железной дороги.

фильтр конденсатор реактор ток.