202338. lajstromszámú szabadalom • Aktív szűrőberendezés erősáramú hálózatra csatolt nemlineáris fogyasztó által keltett felharmonikusok szűrésére
1 HU 202 338 B 2 A találmány tárgya aktív szűrőberendezés erősáramé hálózatra csatolt nemlineáris fogyasztó által keltett felharmonikusok szűrésére, amely nemlineáris fogyasztóra kapcsolódó szűrendő gyűjtősúibe szabályozó rendszeren keresztül előre meghatározott frekvenciájú felharmonikusokat tápláló harmonikus forrást, a szűrendő gyűjtősínre csatlakoztatott ellenőrző rendszert, csatoló kondenzátort, aluláteresztő szűrőt és erősáramú hálózat alapfrekvenciájára hangolt soros rezgőkört tartalmaz. A találmány szerinti aktív felharmonikus szűrőberendezés alkalmas az erősáramú hálózatok felharmonikus szennyezését okozó nemlineáris fogyasztók által keltett felharmonikus áramok szűrésére és az alapharmonikussal jellemzett meddő teljesítmény kompenzálására. A felharmonikus áram szűrésére iparilag elterjedt megoldás jelenleg az, hogy egy-egy, a szűrendő frekvenciára hangolt soros passzív R-L-C rezgőköröket alkalmaznak, amelyek a nemlineáris fogyasztó kimenetén, azzal párhuzamosan vannak bekötve, így a felharmonikus árampályák részére kis impedanciájú söntutat képeznek, amivel a mögöttes hálózatot a felharmonikus áramtól részben tehermentesítik. A nemlineáris fogyasztók részéről induktív meddő teljesítményre jelentkező igényt ezek a passzív hangolt szűrők a tervezett mértékben kompenzálják, hiszen alapharmonikus frekvencián kapacitív meddő teljesítményt fogyasztanak. Gyorsan változó amplitúdójú felharmonikus áramok (például hengersori hajtások egyenirányítói által termelt felharmonikus áramok esetében) a passzív szűrők szűrési hatékonysága romlik. Ilyenkor szokásos megoldás a szélessávú passzív szűrők beépítése, ami viszont a szűrési veszteségeket növeli a keskenysávú szűrőkhöz képest. Passzív szűrőkkel gyakorlatilag megoldhatatlan a változó frekvenciájú felharmonikus áramok (például aszinkron kaszkád hajtások állórészei által keltett felharmonikusok) szűrése. A passzív szűrők alkalmazásával kapcsolatos további probléma, hogy a szűrők impedanciája a táphálózati impedanciával párhuzamos rezonáns rezgőköröket képez, amelyek kiemelik azokat a nem karakterisztikus rendszámú harmonikusokat, amelyekre nincs hangolt passzív szűrő beépítve. Ilyen módon a szűrés ellenére nagy feszültségtorzulás jöhet létre a nem szűrt, de az áramban meglévő, kisebb amplitúdójú nem karakterisztikus rendszámokon. A passzív szűrők alkalmazásakor számítani kell arra, hogy ezek a hálózat meglévő felharmonikus torzítását részben magukra veszik, ezért a szűrőket túl kell méretezni ahhoz képest, mintha csak a saját szűrendő nemlineáris fogyasztójának felharmonikus áramaira méreteznék. Ismeretesek olyan megoldások, amelyek a fogyasztó által keltett felharmonikusokat áraminjektálással csökkentik. Az ezeket a megoldásokat megvalósító berendezéseket a szakirodalom az aktív szűréknek nevezi. Egyedi, tehát egy-egy nemlineáris fogyasztó felharmonikus áramtartalmának csökkentésére szolgáló módszert alkalmaz Ametani (Proc. IEE., Vol. 119, No. 7, July 1972. pp. 857-864), amikor harmadik felharmonikus áram injektálását javasolja egyenirányító transzformátoron keresztül, valamint Baird (Proc. IEE., Vol. 116, No. 10, pp. 1730-1734) az egyenáram hullámosságának az egyenirányító transzformátorba injektálásával. Ezek a módszerek azonban nem szüntetik meg a hálózati áram felharmonikus tartalmát, csak csökkentik, továbbá nem biztosítják az alapharmonikus frekvenciájú meddő teljesítmény kompenzációját. Megvalósításukhoz ezen túlmenően speciális gyártású egyenirányító transzformátorokra van szükség. Az említett hátrányok miatt ezek a módszerek alig terjedtek el. A váltakozó áramú oldali harmonikus áramokat hasznosítja a Sasaki-félc fluxuskompenzációs módszer (PÁS, Vol. 90, pp. 2009-2019, No. 5., Sept/OkL 1971). A felharmonikusok szűréséhez ebben a megoldásban speciális négytekercses transzformátort alkalmaznak, amelynek szekunder tekercse a nemlineáris fogyasztót táplálja, míg két további tekercs a felharmonikus áram injektálásához és az alapperiódusnak a felharmonikus áramgenerátorról történő leválasztásához szükséges. A módszer csak nehezen terjed, szélesebb körű alkalmazását egyrészt a különleges igényt jelentő, négytekercses transzformátor létrehozásának szükségessége, másrészt az alacsony hatásfok gátolja. A különleges transzformátor miatt a nemlineáris fogyasztónál utólagosan üzembe helyezett felharmonikus szűrés gazdaságtalan, mivel ehhez a már létező transzformátort cserélni kellene, a felharmonikus áramokat előállító hangfrekvenciás erősítőnek pedig egyrészt rossz a hatásfoka, másrészt kedvezőtlen, hogy az injektált látszólagos harmonikus teljesítménynek megfelelő, a hatásfok arányában növelt hatásos teljesítményt veszi fel a hálózatból. Meglévő passzív szűrőhöz csatlakozó, a szűrővel megegyező rendszámú harmonikus áram injektálással szűr a Mohan által ismertetett módszer (IEEE PES, Winter Meeting, New York, N.Y., Jan. 30 - Febr. 4., 1977, A77026-8). Az injektálás a szűrőn keresztül történik. A megoldandó feladat ebben az elrendezésben a passzív szűrő elhangolódása miatt a szűrési tényezőben bekövetkező romlás kompenzálása. A harmonikus áram injektálási hatékonyságának javítása érdekében a már meglévő szűrő és a föld közé az injektálásra jellemző rendszámra hangolt párhuzamos rezgőkört iktatnak be. Az elrendezésben háromfázisú harmonikus áramgenerátor a meglévő szűrő és a párhuzamos rezgőkör közös pontjához csatlakozik, így a meglévő szűrő csatolja a harmonikus áramgenerátort a hálózatra. Ennél a megoldásnál a nemlineáris fogyasztóra kapcsolódó szűrendő gyűjtősínbe szabályozó rendszeren keresztül előre meghatározott frekvenciájú felharmonikusokat tápláló áramgenerátort, mint harmonikus forrást, a szűrendő gyűjtősínre csatlakoztatott ellenőrző rendszert, csatoló kondenzátort, továbbá aluláteresztő szűrőt és erősáramú hálózat alapfrekvenciájára hangolt soros rezgőkört alkalmaznak. Az ismertetett Mohan-féle módszer hátránya, hogy foganatosítása passzív szűrőket, valamint harmonikusonként külön felharmonikus áramgenerátort és külön szabályozókat igényel. Csak akkor célszerű alkalmazni, ha a már meglévő passzív szűrés átalakítása jobb hatékonyságú rendszerré költségesebb, mint a kiegészítő aktív szűrés. Az említetteken túl hátránya, hogy a hálózati rezonanciát, valamint a passzív szűrő felhasználásával járó egyéb problémákat (például az idegen harmonikus áramokkal való terhelést, a változó amplitúdójú harmonikusok szűrésekor fellépő belengéseket) nem szünteti meg. Jelen találmány feladata olyan aktív szűrőberendezés kialakítása, amely a nemlineáris fogyasztódtól áramkörileg független elrendezésként hozható létre, továbbá, és ez gazdaságossági okokból igen előnyös, a 5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
