Алгоритм определения управляющего воздействия активного фильтра гармоник

Размещено на http://www.allbest.ru/

Омск 2009

Алгоритм определения управляющего воздействия активного фильтра гармоник

Функциональное назначение алгоритма и область применения

силовой фильтр сигнал ток

Представлен новый алгоритм управления активной частью силовых фильтров, основанный на мгновенном выделении сигнала ошибки из общего тока и генерировании этого сигнала в сеть с небольшой задержкой во времени, обусловленной аппаратной частью фильтра.

Принцип действия активного фильтра основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерации в сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Ток нелинейной нагрузки содержит основную и высшие гармоники

. (1)

Ток активного фильтра содержит те же гармоники, что и нагрузка, но противофазные ей

. (2)

По своей сути выражение (2) для активного фильтра гармоник является сигналом ошибки.

В результате ток, потребляемый от источника , имеет практически синусоидальную форму, так как содержит только основную гармонику

. (3)

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а активный фильтр покрывает практически весь спектр высших гармоник.

Выражения (1)-(3) отражают один из подходов выделения сигнала ошибки из общего тока нагрузки: разложение общего сигнала на высшие гармонические составляющие, используя быстрое преобразование Фурье, и выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник. Но существует и другой подход к решению данного вопроса, основанный на использовании мощности искажения. В основе этого подхода лежит разложение полной мощности на составляющие: активную, реактивную и мощность искажения.

Рисунок 1 Структурная схема активного фильтра с емкостным накопителем

В процессе проведенных исследований были выведены дифференциальные уравнения трехфазного активного фильтра гармоник (рис. 1), без учета влияния приведённой индуктивности питающей сети L_с

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

где С_d - ёмкость конденсатора, L_ф - индуктивность сглаживающего фильтра, f_а, f_b, f_с - функции переключения, принимающие значения 0, ±1/3 и ±2/3.

Используя переход к системе d, q-координат, переписали уравнения активного фильтра (4)-(7) следующим образом

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

где щ_сети - частота питающей сети, a «d» и «q» в нижнем индексе обозначают компоненты d- и q-осей соответственно.

Разложение мгновенных мощностей в разрабатываемой математической модели происходит дискретно с равным интервалом времени, обусловленным аппаратной частью фильтра. Исходно любой процесс или сигнал, отражающий этот процесс, представляется мгновенными значениями некой величины, которые определены для любого произвольного момента времени. В цифровых устройствах регистрация мгновенных значений сигнала осуществляется только в определенные моменты времени. Несмотря на это обстоятельство, определение мгновенных значений дискретно представленного сигнала также возможно для любого произвольного значения времени, но уже на основании расчетов с учетом близлежащих выборок. Далее будем использовать метод центрального дифференцирования.

Перепишем уравнения (8)-(10) для дискретной функции

, (13)

, (14)

, (15)

где k в нижнем индексе обозначает момент времени k-го шага.

Уравнения (13)-(15) представляют собой модель активного фильтра гармоник, не использующую быстрое преобразование Фурье, и позволяющую с малой задержкой времени, генерировать сигнал ошибки в сеть, улучшая качество электрической энергии в узлах нагрузки. Применение данной модели в аппаратной части позволит отказаться от ряда ключевых элементов, тем самым, снизить стоимостные и массогабаритные характеристики активного фильтра гармоник.

На основании разработанной математической модели составим алгоритм работы системы управления активным фильтром гармонических составляющих тока и напряжения (рис. 2).

Рисунок 2 Алгоритм определения управляющего воздействия активного фильтра гармоник

1. В начале работы производится измерение мгновенного значения тока нагрузки i_нt в момент произвольный момент времени t . Полученные данные от измеряющих датчиков передаются в блок обработки данных (микроконтроллер).

2. На втором этапе происходит преобразование трехфазной системы координат a, b, c в систему координат d, q, 0.

3. На следующем шаге происходит вычисление мгновенных значений сигнала искажения в d, q координатах, представляющего собой разность между идеальной синусоидой и током нагрузки.

4. На основании полученного сигнала искажения формируется управляющий ШИМ сигнал.

5. Далее в силовой части активного фильтра путем переключений вентилей по заданному ШИМ сигналу формируется ток фильтра i_ф, который представляет собой «зеркальное» отображение искажающего сигнала.

6. На завершающем этапе происходит генерация полученного сигнала в сеть с задержкой времени Дt, обусловленная временем, затраченным на производимые микроконтроллером вычисления тока фильтра и работу ключей. В результате сложении тока сети (в момент времени t + Дt) c током фильтра полученный в результате измерений в момент времени t, происходит подавление высших гармоник с небольшой погрешностью. Эта погрешность сводится к минимуму с увеличением скоростью обработки данных (увеличение тактовой частоты микроконтроллера). Далее система повторяет цикл заново.

Используемые технические средства

Алгоритм используется для управления активной частью фильтров гармоник (активных, гибридных). Для эффективной работоспособности алгоритма необходим микроконтроллер AT90S8515 и выше (или его аналоги). Минимальные требования: тактовая частота 4 МГц, 512 байт оперативной памяти, 8 Кбайт Flash- памяти с поддержкой внутрисистемного программирования, 32 х 8 рабочих регистров общего назначения

Специальные условия применения и требования организационного, технического и технологического характера

Для реализации алгоритма на практике необходимо написание программы на языке Си или ассемблер (или на любом другом в зависимости от марки микроконтроллера). Для микроконтроллеров фирмы Atmel предоставляется мощный компилятор ассемблера и Си, который входит в среду разработки AVR Studio, работающую под Windows. Наряду с компилятором, среда разработки содержит отладчик и эмулятор.

Для того чтобы запрограммировать ("прошить") микроконтроллер, необходим программатор. Наиболее распространенным способом программирования для AVR является внутрисхемное программирование (функция ISP - in-cirсuit serial programming) через коммуникационный интерфейс SPI. Это можно реализовать с помощью классического программатора STK200. Программатор присоединяется к персональному компьютеру через параллельный (LPT) порт.

Размещено на Allbest.ru