Actieve filters. - Inleiding. - Actieve filters. - Hybride filters. - Interne bouw en werkingsprincipes. - Stuurstrategieën

Transcriptie

1 Actieve filters

2 Actieve filters - Inleiding - Actieve filters - Hybride filters - Interne bouw en werkingsprincipes - Stuurstrategieën

3 Inleiding We zagen al eerder dat een passieve RLC-filter in staat is (een deel van) de harmonische stroom te leveren. Het voedende net hoeft dan niet langer deze harmonischen in de stroom te leveren.

4 Inleiding Het gebruik van passieve filters biedt een aantal voordelen: - goedkoop - robuust, niet al te kwetsbaar t.o.v. te grote spanningen en stromen

5 Inleiding Het gebruik van passieve filters biedt een aantal beperkingen/nadelen: - niet (moeilijk) regelbaar - je moet opletten voor parallelresonanties - als het net wijzigt (dus andere netimpedantie), wijzigt het gedrag van de filter - de L en de C neemt plaats in - vaak meerdere filters tegelijk nodig

6 Inleiding Het gebruik van actieve filters biedt een aantal voordelen: - gedraagt zich dynamisch; de filter wijzigt zijn gedrag als bvb. de harmonische inhoud van de verbruikte stroom wijzigt - actieve filter vervult vaak meer dan 1 functie tegelijk: - elimineren stroomharmonischen - compenseren reactief vermogen - wegwerken onbalans in stroom in driefasig net - wegwerken flicker -

7 Inleiding In de huidige sessie zullen we actieve filters vooral gebruiken om harmonische vervuiling in het net te reduceren.

8 Actieve filters - Inleiding - Actieve filters - Actieve shuntfilter - Actieve seriefilter - Actieve hybride filter - Hybride filters - Interne bouw en werkingsprincipes - Stuurstrategieën

9 Actieve filters Er bestaan diverse types actieve filters zoals: - actieve shuntfilter - seriefilter - hybride filter (combinatie shunt- en seriefilter) - hybride filter (combinatie actief en passief filter) Al die types zullen we bespreken.

11 Actieve shuntfilter Een shuntfilter is nuttig indien de belasting een stroom opneemt die bestaat uit: - grondharmonische - hogere harmonischen Het filter zorgt er voor dat het net enkel een sinusvormige stroom moet leveren.

12 Actieve shuntfilter Bemerk: We wensen - Thévenin equivalent voedend net - Norton equivalent belasting (I last is geen sinus) - shuntfilter die stroombron is - I net sinusvormig

13 Actieve shuntfilter Bemerk: - I last is geen sinus Via gepaste I filter, bekomen we dat: -I net sinusvormig

14 Actieve shuntfilter Belangrijk is evenwel dat de belasting zich als een stroombron gedraagt; dus Z last >> Z net. Diodegelijkrichter die constante stroom levert heeft een stroombronkarakter.

15 Actieve shuntfilter Wanneer bij de gelijkrichter de zelfinductie niet aanwezig is, dan gedraagt de gelijkrichter zich t.o.v. het voedende net als een spanningsbron.

16 Actieve shuntfilter De actieve shuntfilter lost het probleem niet op. De filterstroom gaat volledig naar de belasting en beïnvloedt de netstroom NIET. De situatie wordt zelfs slechter, het filter injecteert extra harmonischen in de belasting.

17 Actieve shuntfilter We beschouwden een actief filter die harmonische stromen moet leveren. Een actief shuntfilter is ook nuttig om flicker tegen te gaan. Een belasting neemt een variërend schijnbaar vermogen op. Dit zorgt voor een variërende spanningsval over de netimedantie. Het filter moet nu de vermogenvariaties opvangen zodat het net een constant actief en reactief vermogen levert.

18 Actieve shuntfilter

20 Actieve seriefilter Een niet sinusvormige netspanning kan gecompenseerd worden via een actieve seriefilter.

21 Actieve seriefilter Bemerk: - U net is geen sinus Via gepaste U filter, bekomen we dat: -U last sinusvormig is

22 Actieve seriefilter We hebben een seriefilter gebruikt om spanningsvervuiling te compenseren. Een seriefilter kan ook gebruikt worden om stroomvervuiling te compenseren. Dan wordt de seriefilter zodanig gestuurd dat deze zich - niet langer als een spanningsbron gedraagt - als een impedantie (weerstand) gedraagt

23 Actieve seriefilter Het seriefilter gedraagt zich als een impedantie Z filter. Stel E net is sinusvormig. Stel E last bevat harmonischen.

24 Actieve seriefilter Het net levert een stroom I net met harmonischen: I net = (E net E last )/(Z net + Z filter ). Wanneer Z filter groot is voor bijvoorbeeld de 5 e harmonische, dan wordt de 5 e harmonische in de netstroom gereduceerd. Z filter is groot voor bvb. de 5 e harmonsiche, maar niet voor de grondharmonische want die moet gewoon vloeien.

25 Actieve seriefilter De seriefilter is dus ook bruikbaar om stroomharmonischen in het net te reduceren als de belasting zich als een spanningsbron gedraagt. Sterker nog, deze aanpak lukt NIET als de belasting zich als een stroombron gedraagt.

26 Actieve seriefilter De harmonischen die de belasting opneemt moeten hoe dan ook geleverd worden door het net en vloeien door de grote Z net zodat V last nog meer vervormd is.

28 Actieve hybride filter We zagen al twee types actieve filters die toelaten de harmonische inhoud van de netstroom te beperken: - shuntfilter: - vooral effectief als belasting een stroombronkarakter heeft - seriefilter (die zich als impedantie gedraagt): - vooral effectief als belasting een spanningsbronkarakter heeft

29 Actieve hybride filter Naast de netstroom, is ook de netspanning belangrijk. Een seriefilter (die zich als een spanningsbron gedraagt) laat toe de harmonische inhoud van de netspanning te beperken. Dit alles kan nu in 1 geheel gecombineerd worden: een actieve hybride filter = Universal Power Quality Conditioner (UPQC)

30 Actieve hybride filter Bemerk de aanwezigheid van : V filter Z filter I filter

32 Hybride filters Soms worden ook actieve filters en passieve filters gecombineerd tot een hybride filter.

33 Hybride filters De seriefilter isoleert en - het passief RLC-filter met de belasting -het net van elkaar.

34 Hybride filters Het seriefilter (denk aan V filter ) zorgt er voor dat over de passieve RLC-filter een sinusvormige spanning staat. De RLC-filter zorgt dus niet voor extra stroomharmonischen. Vooral Z filter zorgt er voor dat - er geen resonanties ontstaan tussen de RLCkring en Z net - de RLC-filter bij serieresonantie een kleinere impedantie heeft dan Z net + Z filter ; de harmonische stroom wordt dan ook door de filter en niet door het net geleverd

35 Actieve filters - Inleiding - Actieve filters - Hybride filters - Interne bouw en werkingsprincipes - shunt actieve filters - serie actieve filters - Unified Power Quality Conditioners - Stuurstrategieën

36 Interne bouw en werkingsprincipes De interne bouw en het werkingsprincipe van actieve filters is complex. We zullen hier slechts enkele facetten belichten. We bekijken meer specifiek naar: - shunt actieve filters - serie actieve filters - Unified Power Quality Conditioners

38 Shunt actieve filters Belangrijk is de aanwezigheid van een of - zelfinductie L - condensator C. Samen met een invertorbrug wordt een PWM-signaal bekomen. Men heeft de keuze tussen: - PWM stroombron invertor (PWM current source invertor) - PWM spanningsbron invertor (PWM voltage source invertor)

39 Shunt actieve filters PWM stroombron invertor (PWM current source invertor)

40 Shunt actieve filters Door de zelfinductie vloeit een constante stroom I. Door een bovenste halfgeleider schakelaar dan wel een onderste halfgeleiderschakelaar te doen geleiden, is de stroom +I of I. Zo verkrijgt men via het PWMprincipe, op de PWM-rimpel na, de gewenste stroomvorm. Het is kwestie de schakelaars met de gepaste duty cycle aan te sturen.

41 Shunt actieve filters Links (blauw) de te realiseren stroomvorm (bvb. een 250 Hz stroom met gepaste fase en amplitude) Links (groen) een driehoekvormige draaggolf

42 Shunt actieve filters Indien de draaggolf kleiner is dan het referentiesignaal, wordt de bovenste schakelaar in geleiding gestuurd. Indien de draaggolf groter is dan het referentiesignaal, wordt de onderste schakelaar in geleiding gestuurd. De invertor levert een PWM-stroomvorm zoals in de rechterfiguur (zwart) weergegeven is. De stroom is gemiddeld weliswaar nul, zodat gemiddeld (op de verliezen na) geen actief vermogen verbruikt wordt. Er is vermogenuitwisseling in beide richtingen.

43 Shunt actieve filters Deze PWM-stroom is te beschouwen als de som van: - de gewenste stroom van bvb. 250 Hz (bruin in rechterfiguur) - een rimpel (van enkele khz afhankelijk van de schakelfrequentie) Deze rimpelstroom vloeit weg via de condensatoren; de gewenste stroom (bruin) wordt aan het net geleverd.

44 Shunt actieve filters Opmerkingen: - door de duty cycle van het PWM-signaal te sturen, kan de gewenste stroomvorm in het net geïnjecteerd worden (bvb. 5 e en 7 e harmonische samen) - het filter kan zowel enkelfasig als driefasig uitgevoerd worden - die zelfinductie heeft men niet zo graag (gewicht)

45 Shunt actieve filters PWM spanningsbron invertor (PWM voltage source invertor)

46 Shunt actieve filters Over de condensator staat een constante spanning. Door een bovenste halfgeleider schakelaar dan wel een onderste halfgeleiderschakelaar te doen geleiden, is de spanning +U of U. Door de schakelaars met een gewenste duty cycle aan te sturen, verkrijgt men via het PWM-principe, op de PWMrimpel na, elke gewenste spanningsvorm. De spanning over de zelfinducties is het verschil tussen de netspanning en de PWM-spanning.

47 Shunt actieve filters De stroom door de zelfinducties krijgt bijvoorbeeld als vorm mee: Blauw: de gewenste stroom Groen: de gerealiseerde stroom door de L

48 Shunt actieve filters Door met een gepaste duty cycle te bepalen hoe lang de stroom opbouwt en daarna terug afbouwt, kan globaal de gewenste stijging of daling van de stroom bekomen worden. Om finaal de niet gerimpelde stroom in het net te kunnen injecteren, is een filter nodig. Deze is hier gerealiseerd m.b.v. condensatoren.

49 Shunt actieve filters We zagen dus twee uitvoeringsvormen van shunt actieve filters: PWM current source invertor (tref je niet zo vaak aan) PWM voltage source invertor (tref je veel vaker aan) Een dergelijke shunt actieve filter kan - enkelfasig uitgevoerd zijn - driefasig uitgevoerd zijn - driefasig uitgevoerd zijn, met nulgeleider

50 Shunt actieve filters Een shunt actieve filter kan - driefasig uitgevoerd zijn - driefasig uitgevoerd zijn, met nulgeleider

51 Shunt actieve filters Bij een driefasig net met nulgeleider zijn trouwens intern meerdere configuraties mogelijk:

52 Shunt actieve filters We willen een sinusvormige netstroom. Dit kan via - een stuurprincipe - de belastingsstroom meten en zo berekenen welke stroom je moet injecten om netstroom sinusvormig te krijgen - een regelprincipe - de netstroom zelf meten en de geïnjecteerde stroom zo bijregen tot de netstroom sinusvormig is

53 Shunt actieve filters stuurprincipe regelprincipe

55 Serie actieve filters We beschouwen: - het Thévenin equivalent van het voedende net (V Sh en Z S ) - de belasting die zich gedraagt als een ideale stroombron (I Lh ) - een passieve serie RLC-filter parallel met de belasting (Z F ) - de actieve serie filter (V AF )

56 Serie actieve filters Eerste aanpak: Meet de netstroom I Sh. Het seriefilter is zo aangestuurd dat V AF = K I Sh. Het seriefilter gedraagt zich als een weerstand K.

57 Serie actieve filters Men krijgt dan ook: Als men er voor zorgt dat K >> Z S + Z F, dan heeft de harmonische met orde h in de netspanning geen effect aan de belastingszijde. V Lh is klein wanneer Z F ook klein is. De passieve filter kan probleemloos de harmonische stroom I Lh leveren.

58 Serie actieve filters Grote K en kleine Z F zorgt dat V Lh en I Sh klein zijn. Dus dat: - de spanning aan belastingszijde sinusvormig is - de geleverde netstroom sinusvormig is Voor harmonischen lukt die kleine Z F en K >> Z S + Z F meestal wel, maar voor flicker?? Flicker bestaat uit trage veranderingen waar de serie RLC-kring zich capacitief gedraagt. Dus -grote Z F - K >> Z S + Z F lukt moeilijk

59 Serie actieve filters Dus compensatie van - spanningsharmonischen - stroomharmonsichen. Geen compensatie van flicker.

60 Serie actieve filters Tweede aanpak: De stuurstrategie V AF = K I Sh achterwege laten en vervangen door: V AF = V Rh. Het seriefilter gedraagt zich als een spanningsbron.

61 Serie actieve filters Men meet nu niet de netstroom I Sh, maar wel de netspanning V Rh en stuurt dus V AF = V Rh. Dit impliceert dat V Lh = 0 en dat I Sh = I Lh. Dus de spanningsharmonischen ben je volledig kwijt. Maar, als er totaal geen harmonische spanning meer over de passieve serie RLC-filter staat, levert die geen harmonische stroom en moet het net die leveren.

62 Serie actieve filters Dus compensatie van - spanningsharmonischen -flicker. Geen compensatie van stroomharmonischen.

63 Serie actieve filters Derde aanpak: Via een gecombineerde aanpak zorgen dat de seriefilter zich gedraagt als een serieschakeling van een spanningsbron V Rh en een weerstand K. V AF = V Rh + K I Sh

64 Serie actieve filters De aanpak bestaat er dus in om zowel -V Rh te meten -I Sh te meten en zo een V AF = V Rh + K I Sh te realiseren. Hieruit volgt dat:

65 Serie actieve filters Aangezien zorgt men dat K voldoende groot is zodat I Sh = 0. Het net moet dan niet langer de harmonische stroom leveren. Indien daarenboven Z F voldoende klein is, wordt ook V Lh klein. De spanning over de belasting is nagenoeg sinusvormig. Dank zij de V Rh term in V AF, kan ook flicker gecompenseerd worden.

66 Serie actieve filters Dus compensatie van zowel - stroomharmonischen - spanningsharmonischen -flicker.

68 Unified Power Quality Conditioners We zagen al eerder een schematische voorstelling van een UPQC. Deze combineert het gedrag van en - een actieve seriefilter - een actieve parallelfilter.

69 Unified Power Quality Conditioners Een meer uitgewerkte uitvoering van een UPQC is hier weergegeven.

70 Unified Power Quality Conditioners Wat herkennen we? - 12 pulsige belasting die in de praktijk toch nog 5 e en 7 e harmonische stromen opneemt (t.g.v. asymmetrieën ) - passieve filters voor de 5 e, 7 e en hogere harmonischen - de seriefilter met een gedrag zoals eerder beschreven (spanningsbron + weerstand)

71 Unified Power Quality Conditioners - een parallelfilter die harmonische stromen kan opnemen - diezelfde parallelfilter kan ook een actief vermogen opnemen die de verliezen in de UPQC voedt - het Thévenin equivalent van het voedende net Bemerk in de labopstelling de flicker-generator die opzettelijk flicker genereert om de UPQC te kunnen testen.

72 Unified Power Quality Conditioners We hebben hier een hybride filter volgens de twee eerder aangehaalde definities: - seriefilter en shuntfilter - actieve filter en passieve filter

74 Stuurstrategieën Bij een seriefilter moet een wenswaarde voor de filterspanning bepaald worden. Bij een shuntfilter moet een wenswaarde voor de filterstroom bepaald worden. De filosofie is in beide gevallen gelijk, we richten ons vooral op shuntfilters. We beschouwen 2 stuurstrategieën.

75 Stuurstrategieën We beschouwen 2 stuurstrategieën: - Berekening wenswaarden filterstroom op basis van gemiddelde parameters - Berekening wenswaarden filterstroom op basis van ogenblikkelijke parameters Beide stuurstrategieën zullen voor- en nadelen hebben.

76 Stuurstrategieën Eerste aanpak: op basis van gemiddelde parameters Eén of meerdere periodes van de met harmonischen vervuilde stroom wordt gemeten. Men meet ofwel: ofwel - de geleverde netstroom - de stroom opgenomen door de belasting

77 Stuurstrategieën Het frequentiespectrum van de stroom wordt bepaald: - welke harmonischen - grootte van de harmonischen - fase van de harmonischen Zo is geweten welke stroom de shuntfilter moet leveren om de netstroom sinusvormig te houden of te krijgen.

78 Stuurstrategieën De halfgeleiderschakelaars van de PWM-invertoren worden zodanig aangestuurd dat de gewenste stroomvorm geïnjecteerd wordt door de shuntfilter. Wanneer IGBT s gebruikt worden, worden gepaste gate-spanningen aangestuurd.

79 Stuurstrategieën Wat merken we? - De reactie van het filter is traag. Er wordt eerst 1 of meerdere periodes gemeten eer men reageert. Methode is dus enkel geschikt voor stationaire of traag variërende vervuilingen. - Het systeem heeft een grote bandbreedte (tot helft van de schakelfrequentie; cfr. Shannon). Ook hoge harmonischen kunnen gecompenseerd worden. - Nauwkeurige compensatie mogelijk.

80 Stuurstrategieën Wat merken we? - De shuntfilter kan gebruikt worden om de netstroom sinusvormig te maken. - De shuntfilter kan gebruikt worden om de arbeidsfactor te verbeteren. In het ideale geval bekomt men dan een sinusvormige netstroom in fase met de netspanning (netspanning die bvb. zelf sinusvormig is).

81 Stuurstrategieën Tweede aanpak: op basis van ogenblikkelijke parameters De gewenste netstroom voorop stellen. Bijvoorbeeld: m.a.w. sinusvormige stroom in fase met de spanning maximale overdracht van actief vermogen met zo klein mogelijke sinusvormige stroom.

82 Stuurstrategieën De gewenste netstroom voorop stellen. Zo is de ogenblikkelijk gewenste waarde van de stroom gekend. De ogenblikkelijke waarde van de netstroom meten. Het verschil tussen de gemeten stroom en de gewenste stroom is wat de filter moet leveren = de gewenste filterstroom. De ogenblikkelijke wenswaarde van de filterstroom bekomen door het ogenblikkelijk gepast aansturen van de halfgeleiderschakelaars.

83 Stuurstrategieën Wat merken we? - De reactie van het filter is snel. De wenswaarden worden ogenblikkelijk berekend zodat de strategie ook geschikt is om niet-stationaire vervuiling te compenseren. - Bij stationaire netvervuiling is de aanpak minder nauwkeuriger. - Het filter heeft een kleine bandbreedte (typisch 1/10 e van de schakelfrequentie). Er kan pas iets veranderen na een volgende schakelperiode wanneer een andere halfgeleiderschakelaar aangestuurd wordt.

84 Stuurstrategieën We beschouwden dus: Berekening wenswaarden filterstroom op basis van gemiddelde parameters Berekening wenswaarden filterstroom op basis van ogenblikkelijke parameters Dus zoals steeds, verschillende stuurstrategieën hebben verschillende voor- en nadelen.

86 Actieve filters Zijn er vragen??