Активные и гибридные фильтры

Принцип активной фильтрации

Традиционно в электротехнике для снижения уровня нежелательных гармоник напряжения или тока использовались пассивные фильтры. Такие фильтры являются комбинацией индуктивных и емкостных элементов, соединенных по схеме двухполюсника или четырехполюсника определенной топологии. Так как электрическое сопротивление пассивных фильтров является частотно зависимым, они позволяют изменять гармонический состав несинусоидальных токов и напряжений. В электрических системах, связанных с преобразованием электроэнергии, фильтры используются в основном для обеспечения синусоидальной формы напряжения (тока) в силовых цепях переменного тока и уменьшения пульсаций в цепях постоянного тока. Примеры таких фильтров достаточно подробно рассмотрены в предыдущих главах. При очевидной простоте схемотехнической реализации пассивных фильтров им присущи два основных недостатка:

• • ограниченность функциональных возможностей, определяемых топологией схемы и параметрами ее элементов;
• • неуправляемость.

Указанные недостатки существенно снижают эффективность пассивных фильтров при изменении гармонического состава фильтруемых токов (напряжений), в частности, при колебаниях частоты, а также при изменениях параметров сети, к которой они подключены. Кроме того, переходные процессы в электрической системе могут приводить к возникновению недопустимых перенапряжений и сверхтоков. Недостатком пассивных фильтров является также их чувствительность к изменениям их собственных параметров, например, обусловленных старением элементов и др.

Активные фильтры в отличие от пассивных содержат управляемые элементы, например транзисторы, позволяющие управлять частотными характеристиками фильтра. Однако элементная база электроники до недавнего времени не позволяла создавать активные фильтры для нужд силовой электроники.

В начале 1970;х гг. были созданы первые маломощные активные фильтры на основе аналоговых интегральных микросхем. Они получили практическое применение в микроэлектронных устройствах для систем информатики и управления.

Современное поколение полностью управляемых быстродействующих ключей (на транзисторах и запираемых тиристорах) стало основой для разработки нового вида силовых электронных устройств — силовых активных фильтров [8]. Согласно МЭК активным (силовым) фильтром называется преобразователь для фильтрации. Этот термин является очень общим и не отражает существенных признаков фильтра. Но, прежде чем дать более конкретное определение, необходимо указать границы области применения таких устройств. Во-первых, следует отметить, что речь идет о фильтрах переменного тока, поскольку в силовых цепях постоянного тока активные фильтры не получили широкого практического применения и используются преимущественно во вторичных источниках питания относительно малой мощности. При этом их основой, как правило, является не преобразователь, а усилитель электрических сигналов. В дальнейшем для этой категории фильтров будем использовать термин «активные фильтры постоянного тока». С учетом изложенного можно дать следующее, более конкретное, определение активных фильтров. Активным (силовым) фильтром (АФ) называется преобразователь переменного/постоянного тока с емкостным или индуктивным накопителем электрической энергии на стороне постоянного тока, формирующий методами импульсной модуляции усредненное значение тока (напряжения), равное разности нелинейного (фильтруемого) тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения) его основной гармоники [8, 9].

Естественно, что активную фильтрацию могут выполнять и другие устройства с более широкими функциями. Например, преобразователь может выполнять одновременно функции компенсатора реактивной мощности основной гармоники и фильтрации высших гармоник. В таких случаях следует указывать на расширение функций электронного устройства, называя его, например, фильтр-компенсатор. Рассмотрим принцип действия АФ более подробно.

В зависимости от схемы и принципов управления АФ принято разделять на источники тока и источники напряжения. На рис. 5.17 приведены упрощенные эквивалентные схемы включения активных фильтров в виде источников напряжения и_АФ и источников тока /_Лф. В схеме на рис. 5.17, а источник электропитания и_с имеет несинусоидальное напряжение. Для обеспечения синусоидальности напряжения на шинах нагрузки и_н последовательно с источником питания включается активный фильтр, представленный эквивалентным источником напряжения и_Аф. Для этой схемы можно записать в общем виде следующие соотношения:

где 9 — фаза первой гармоники; U_nm и ср_л — амплитуда и начальная фаза п-й гармоники напряжения.

Полагая потери в АФ и его элементах равными нулю, а нагрузку линейной, получим активную мощность АФ на интервате периода основной гармоники:

где 1_нШ и ф_н1 — амплитуда и фазовый угол синусоидатыюго тока нагрузки.

Рис. 5.17. Схемы включения активных фильтров:

а — последовательное включение с источником; б — параллельное подключение к нагрузке Из выражения (5.15) следует, что при принятых допущениях АФ не влияет на баланс активной мощности в системе «источник — нагрузка». В то же время он непосредственно участвует в обмене мощностью искажения с источником несинусоидального напряжения. Мощность искажения является неактивной, и контуром ее циркуляции в рассматриваемом случае является источник искажения — участок электрической линии, соединяющей источник и АФ. Последним элементом, принимающим и отдающим энергию, обусловленную искажением напряжения, является накопитель электрической энергии — конденсатор или дроссель.

Для фильтрации несинусоидального тока /_и, создаваемого, как правило, нелинейной нагрузкой, используются АФ, формирующие несинусоидальный ток, равный разности фильтруемого тока и тока его основной гармоники 2_н1. Обычно такой АФ подключается параллельно к нелинейной нагрузке (рис. 5.17,6). При этом место подключения АФ выбирается из условия максимальной его близости к шинам нагрузки. С учетом ранее принятого допущения об отсутствии потерь мощности в АФ можно записать:

где 1_пт и ф_п — амплитуда и фазовый угол п-й гармоники тока; U_H{m и (р_н1 — амплитуда и фаза синусоидального напряжения в точке подключения АФ (на нагрузке).

Согласно соотношению (5.16) параллельный АФ, работающий в режиме формирования тока, компенсирующего искажения тока нагрузки, также не влияет на баланс активной мощности в системе «источник — нагрузка».

Но в отличие от последовательно включаемого АФ обмен мощностью искажения происходит между нелинейной нагрузкой и АФ.

Соотношения (5.15) и (5.16) показывают, что в качестве АФ могут использоваться преобразователи переменного/постоянного тока, способные формировать на стороне переменного тока несинусоидальный ток или напряжение по заданному закону. При этом для обмена энергией неактивной мощности для сети с источниками искажения на стороне постоянного тока преобразователя могут быть включены емкостные или индуктивные накопители энергии. Очевидно, что такие АФ в общем случае могут выполнять функции обмена неактивной мощностью, включающей в себя реактивную мощность основной гармоники. Учитывая, что среднее значение мощности на стороне переменного тока АФ за период основной гармоники при принятых допущениях равно нулю, необходимость в источнике или потребителе активной мощности на стороне постоянного тока АФ отсутствует. Очевидно, что преобразователи, формирующие заданный несинусоидальный ток или напряжение, должны выполняться на основе полностью управляемых быстродействующих ключей, позволяющих использовать методы импульсной модуляции.