Problematika aktivních filtrů pro velké výkony

Problematika aktivních filtrů pro velké výkony

Příspěvek se týká požadavků na obvodové a materiálové řešení aktivních filtrů pro velké výkony. Ve vývojové dílně firmy ELCOM, a. s., se v současné době připravuje výrobní řada aktivních filtrů vn v paralelním přímém připojení. Vývoj směřuje k zařízením o výkonu od 1 MV·A do 40 MV·A, bez mezitransformace na přípojné napětí od 1 kV do 22 kV.

Úvod
Filtračně-kompenzační prostředky pro použití především v průmyslové energetice se vyvíjejí přibližně od začátku století v etapách na principech:

1. elektrických točivých strojů,
2. kondenzátorů (spínaných kontaktně),
3. laděných rezonančních obvodů,
4. bezkontaktně spínaných kondenzátorových stupňů,
5. plynule řízených kompenzačních filtrů,
6. aktivních filtrů s PWM.

Poslední, technicky nejdokonalejší a provozně nejvýhodnější řešení bylo donedávna omezeno na nízké napětí (do 500 V) a malé výkony (do 500 kV·A) [1].

Důvodem zřejmě byla snaha o co nejlevnější provedení, především s ohledem na počet a cenu potřebných polovodičových součástek. Proto pro výkony v řádu desítek megavoltampérů převládá dosud řešení podle bodu 5 [2], přestože provedení v praxi projevují i jisté nevýhody, jako např.:

• složité výkonové schéma,
• velký objem zařízení,
• ztráty v mnoha vinutých dílech.

Pokrok ve výrobě potřebných polovodičových součástek (tedy tranzistorů IGBT nebo tyristorů IGCT) umožňuje v podstatě přechod již popsaných aktivních filtrů [2] s pulsně šířkovou modulací (PWM) do pásma velkých výkonů s těmito základními požadavky:

2. Polovodičové součástky
Klíčem k radikálnímu zvýšení výkonu řiditelných polovodičových součástek jsou nové technologické postupy ve zpracování křemíkových čipů velkých průměrů, tzn. 60 až 80 mm. K vytvoření potřebných vrstev P, N, P+ a k optimalizaci dotačního profilu se používá difuzní a epitaxní technologie, ale i neutronové a iontové bombardování. Získává se tím rovnoměrné rozložení intenzity elektrického pole v nevodivém stavu a tím i vzrůst blokačního napětí součástky při malé tloušťce krystalu, a tedy i vyhovující hodnotě úbytku napětí.

Technika pulsně šířkové modulace (PWM) vyžaduje součástky s rychlým zapnutím a rychlým vypnutím, ale nevyužívá se napětí ve zpětném směru.

V současné době jsou používány dvě základní cesty:

Obě uvedené technologie jsou používány pro měniče vn při aplikacích pohonů velkých výkonů.

V zamýšleném využití jako aktivních filtrů je výrazným nedostatkem řešení s tyristory (podle B) vyšší úroveň spínacích ztrát, a tedy i omezení velikosti nosného kmitočtu PWM a komplikace s odrušením. Nesporná přednost spočívající v téměř řádově vyšší proudové zatížitelnosti pravděpodobně není pro aktivní filtry využitelná.

Společným problémem všech vypínacích součástek je jejich řazení do série, zvláště při větším počtu. Odborná literatura zatím ověřené způsoby bezprostředního sériového řazení nepopisuje a doporučuje se jim vyhnout.

Je ovšem třeba konstatovat, že technické požadavky podle kapitoly 1 se bez sériového řazení neobejdou. Vzhledem k existenci tohoto rozporu je nutné postupovat jinou, experimentálně ověřenou cestou: volbou sériového řazení celých skupin součástek, tj. i oddělovacích a ochranných částí.

Je namístě předpokládat, že všechny starší metody vypínání proudu, zejména obvody s vlastní komutací a tyristory GTO, lze pokládat za již zastaralé a pro účely výkonných aktivních filtrů za nevyhovující.

3. Výkonové obvody

3.1 Vícefázová můstková zapojení
Základní člen této řady, tj. trojfázový (šestipulsní) můstek, se podle obr. 1 jeví jako výhodné a osvědčené zapojení i pro popisované účely paralelních aktivních filtrů.

Výkon se zvyšuje zvýšením jak proudového, tak i napěťového zatížení jednotlivých součástek. V tab. 1 je souhrn údajů pro typické vysokonapěťové tranzistory IGBT, které jsou v současné době k dispozici. Je zřejmé, že přípojná napětí 1 000 a 2 000 V se neobejdou bez mezitransformace. Využitím vstupního transformátoru lze maximální výkon jednoduchého provedení 2,1 MV·A zdvojnásobit na 4,2, popř. 6,3 MV·A v síti 6 kV i 22 kV.

Tab. 1. Výkony trojfázového aktivního filtru podle obr. 1 osazeného moduly IGBT (výroba Eupec)

Popsaná řešení jsou prostorově velmi úsporná a obvykle je možné uskutečnit je ve standardních rozváděčových skříních. Místo jednoduchých můstků lze použít víceúrovňová zapojení. Například známé tříúrovňové zapojení Megastar [5] umožňuje zdvojnásobit vstupní napětí.

3.2 Sériové kombinace jednofázových můstků
Při topologických analýzách, resp. pokusech o korektní sériové řazení trojfázových můstků, se systém rozpadne na můstky jednofázové, které je možné za minimálních opatření bezproblémově sériově, popř. sérioparalelně řadit.

Základním obvodovým, resp. konstrukčním prvkem se jeví můstkové spojení např. čtyř tranzistorů IGBT s antiparalelními diodami a příslušnými pomocnými součástkami podle obr. 2.

Řetězce funkčních modulů mohou být zapojeny např. v trojúhelníku na 6, 10 nebo 22 kV. V tab. 2 je souhrn základních spojení a výpočet výkonů pro účely aktivní filtrace. Bez mezitransformace lze dosáhnout kompenzačního výkonu až 40 MV·A při 22 kV, a to včetně přiměřených bezpečnostních rezerv.

Tab. 2. Základní údaje aktivního filtru složeného z jednofázových modulů ve spojení D podle obr. 2 s vysokonapěťovými moduly IGBT

4. Technologické problémy

Naznačená koncepce rozhodujících dílů, především polovodičových součástek a obvodové struktury, přináší se vzrůstem napětí a výkonu množství konstrukčních a technologických zvláštností:

4.1 Rozložení spojů za účelem potlačení parazitní indukčnosti
Kolektorové obvody IGBT – vodiče je účelné realizovat jako páskové vodiče (dvouvrstvé spoje) [3], např.:

• efektivní proud 1 000 A,
• průřez 200 až 300 mm² ,
• tloušťka max. 2 mm,
• max. napětí 3 000 V,
• tloušťka izolace 4 mm,
• vzdušná vzdálenost min. 25 mm,
• povrchová vzdálenost 45 mm.

4.2 Potlačení a ověřování úrovně částečných výbojů na izolaci obvodových prvků
Změny napětí dosahují hodnot až 5 · 109 V/s. Je nutné vyloučit spáry v izolačních vrstvách a vykonávat kontroly na částečné výboje. Doporučují se např. hodnoty [3]:

• zkušební napětí 10 kV, 50 Hz,
• náboj PD < 20 pC.

Hodnoty dosud nejsou ověřeny.

4.3 Zvyšování odolnosti kondenzátorů při rychlých změnách proudu
Rychlé změny proudu se týkají především akumulačního kondenzátoru o kapacitě >1 000 µF. Konvenční provedení průchodek a vnitřních spojů nevyhovuje.

4.4 Kontrolované snižování spínacích ztrát polovodičových součástek
Spínací ztráty jsou závislé hlavně na:

• typu součástky,
• napětí,
• proudu,
• počtu sepnutí (kmitočtu PWM).

4.5 Omezení ztrát ve vinutých dílech a spojích
Neopominutelným dílem aktivního filtru je předřazený reaktor, jenž má dvě funkce:

• zvyšuje napětí na akumulačním kondenzátoru,
• omezuje, popř. filtruje nosný kmitočet PWM.

Může být v těchto provedeních:

• vzduchový,
• s jádrem z orientovaných plechů,
• s jádrem z nových, např. nanokrystalických slitin [6],
• v kombinaci s kondenzátory jako účinný filtr [7].

5. Celková struktura
Z charakteristických údajů v předchozích kapitolách vyplývá celková struktura výkonného aktivního filtru podle obr. 3.

Jednotlivé funkční bloky mají tento význam: do vyhodnocovacího obvodu jsou zavedeny měřicí signály napětí a proudu z měřicích transformátorů proudu a napětí. Multiprocesorový systém tyto signály zpracuje a informace předá jednotlivým procesorovým jednotkám v modulech, které se postarají o řízení jednotlivých modulů. Moduly jsou tvořeny buď polovodičovou sestavou, např. šestipulní můstek s antiparalelními diodami, nebo sérií jednofázových můstků podle obr. 1 nebo obr. 2. Vlastní aktivní filtr je připojen na kompenzovanou síť prostřednictvím vazebních členů typu LC, podobně jako je tomu u aktivních filtrů pro nízká napětí.

6. Závěr
Pokrok v technologii komponent, zejména polovodičových součástek pro vysoké napětí, napomáhá realizovat aktivní filtry velkých výkonů. Využitím těchto filtrů je možné rychle kompenzovat jalový výkon, filtrovat harmonické a symetrizovat odběr.

Filtry se vyznačují nekonvenčním řízením s pulsně šířkovou modulací a kompaktní konstrukcí. Ve srovnání s dosavadními řešeními na principu kompenzačních filtrů s plynulým tyristorovým řízením lze oprávněně předpokládat:

• menší obestavěný prostor a hmotnost zařízení,
• nižší ztráty,
• ve většině případů přímé připojení bez transformátoru,
• velmi rychlou regulaci výkonu,
• vyšší filtrační účinek.

Firma Elcom, a. s., připravila variantní řešení těchto zařízení pro průmyslové a drážní účely a přistupuje k ověřování komponent a modelů.

Kontakt: ctibor.petru@elcom.cz, vladimir.korenc@elcom.cz