Aktívny filter ako nástroj eliminovania spätných vplyvov VES
Aplikácia výkonových polovodičových systémov vo všetkých oblastiach priemyslu, ale aj bežného života, prináša so sebou popri nesporných výhodách aj problémy, ktorých riešenie si vyžaduje veľké úsilie početných výskumných kolektívov. K týmto problémom patrí hlavne znečisťovanie prenosových, distribučných a rozvodných sietí harmonickými, generovanými nelineárnymi záťažami používajúcimi výkonové polovodičové systémy. U odberateľov sa prejavuje blikanie, ktoré je spôsobené kolísaním efektívnej hodnoty napätia, medziharmonické, ktoré sú generované napr. cyklokonvertormi, alebo tyristorovými meničmi veľkých výkonov, nesymetria spôsobená na jednej strane veľkými jednofázovými odbermi a na strane druhej väčším množstvom malých jednofázových odberov, zhoršený účinník odberu základnej harmonickej prúdu, a tiež sa vyskytujú prerušenia, poklesy napätia a prepätia. Riešenie uvádzaných problémov technickými opatreniami je veľmi náročné a spoločným názvom sa tieto zariadenia nazývajú aktívne filtre. Riešenie odstraňovania harmonických v sieti je možné aj pomocou pasívnych filtrov. Základné princípy aktívnych filtrov sú známe približne od roku 1970. Avšak ich úspešnú realizáciu a využitie v praxi umožnil až veľký pokrok v oblasti výkonovej elektroniky. Výkonové polovodičové súčiastky ako GTO tyristory, IGBT tranzistory, tranzistory MOSFET, umožnili konštrukciu meničov so šírkovo impulzovou moduláciou — ŠIM (Pulse Width Modulation — PWM), ktoré tvoria základ výkonovej časti aktívnych filtrov.
Sériový aktívny filter
Obr. S.1 znázorňuje blokovú schému sériového aktívneho filtra, ktorý je určený na kompenzáciu napäťových harmonických zložiek a na reguláciu výšky napätia v problémových miestach elektrických sietí. Princíp činnosti je zrejmý z jeho blokovej schémy a obr. S.2. Podobne ako upravuje paralelný aktívny filter prúd, sériový aktívny filter upravuje napätie. To znamená, že sériový aktívny filter má schopnosť udržiavať hodnotu amplitúdy napätia v medziach normy, kompenzovať poklesy a špičky, odstraňovať vyššie harmonické, zaisťovať symetrické rozdelenie napätia a tiež dodávať elektrickú energiu (v prípade že je napájaný nezávislým zdrojom).
Obr. S.1 Zapojenie sériového aktívneho filtra.
Obr. S.2 Princíp činnosti SAF
Pre overenie funkcie SAF bol v sústave simulovaný medzifázový skrat v čase od 0,1 do 0,2 s. Výsledné priebehy sú zobrazené na obr. X.X. Prvá krivka predstavuje priebeh napätí v postihnutej nadradenej sústave, druhá krivka predstavuje priebeh napätia na svorkách spotrebiča.
Obr. S.3 Priebehy napätia pri poruche a) v nadradenej sústave, b) na svorkách spotrebiča
Paralelný aktívny filter
Obr. P.1 znázorňuje blokovú schému paralelného aktívneho filtra, ktorý je v praktických aplikáciách jeden z najpoužívanejších. Jeho princíp činnosti zobrazený na obr. P.2 spočíva v tom, že aktívny filter sleduje odoberaný neharmonický záťažový prúd, na základe ktorého dodáva kompenzačný prúd, tak aby vykompenzoval prúdové harmonické zložky resp. ich vplyv, čo v podstate znamená, že funguje ako prúdový generátor. Okrem kompenzácie harmonických zložiek môže byť použitý aj na kompenzáciu jalového výkonu prvej harmonickej. Môže byť použitý na kompenzáciu harmonických zložiek, ktoré sú generované do elektrickej siete polovodičovými meničmi napr. neriadenými, poloriadenými a riadenými usmerňovačmi resp. cyklokonvertormi.
Obr. P.1 Zapojenie paralelného aktívneho filtra.
Obr. P.2 Princíp činnosti PAF
Pre všetky simulačné experimenty bola uvažovaná 1 – fázová 2 –vodičová elektrická sieť. Aktívny filter bol simulovaný z kondenzátormi na jednosmernej strane, ktoré boli pre zjednodušenie pri simulácii nahradené ideálnymi napäťovými zdrojmi. Ako spínacie prvky meniča boli použité IGBT tranzistory. Okrem simulácie výkonovej časti obvodu bolo simulované aj riadenie pre overenie dynamických vlastností celého systému aktívneho filtra. Celkovo boli realizované simulačné experimenty pre nelineárnu zaťaž RL v ustálenom ako aj dynamickom stave.
