58 ELEKTRO 8-9/2014 2. Aktivní filtry Masivní rozvoj a využívání výkonové elektroniky zapříčinily nárůst zatížení napá-jecí sítě jalovým výkonem a výrazný nárůst obsahu vyšších harmonických proudu v síti. Kompenzace jalového výkonu kondenzá-tory či rezonančními LC filtry k zabránění průniku vyšších harmonických proudu do napájecí sítě jsou již mnoho let dobře zná-my, avšak jejich použití je limitováno men-ší efektivitou a účinností, než lze v součas-nosti dosáhnout jinými technickými řešení-mi – použitím elektronických kompenzátorů a aktivních filtrů. Existuje mnoho funkčních řešení elektronických kompenzátorů pracu-jících na vysokém napětí (3× 3 kV, 3× 6 kV, 3× 10 kV, 3× 22 kV). Naproti tomu aktiv-ní filtry pro vysoké napětí nestojí v popře-dí zájmu, neboť energetické společnosti ne-penalizují pronikání vyšších harmonických proudu do napájecí sítě.Základní myšlenka vysokonapěťového aktivního filtru je patrná z obr. 1. Nelineár- ní třífázová zátěž je napájena ze sítě tří-fázového vysokého napětí bez uzemnění. Uzly sítě ani zátěže tedy nejsou vyvedeny ani propojeny. Napájecí síť je fakticky zdro-jem napětí uN(t), které obsahuje pouze zá-kladní harmonickou. Zátěž je zdrojem vyš-ších harmonických proudu, tudíž proud iL(t) odebíraný zátěží obsahuje jak základní har-monickou, tak i vyšší harmonické. Aktivní filtr, realizovaný vhodným typem střídače, má za úkol zamezit pronikání vyšších har-monických proudu do sítě, proto proud iN(t) by měl obsahovat pouze základní harmo-nickou. Z Kirchhoffova zákona plyne, že proudy aktivního filtru iF(t) injektované do sítě v připojovacím bodě A musí být rovny vyšším harmonickým proudu ze zátěže iL(t) s opačnou fází [2].Aktivní filtry pro vysokonapěťové aplikace 1. Úvod Měniče výkonové elektroniky jsou v sou-časné době nedílnou součástí mnoha zaříze-ní v různých odvětvích průmyslu a v jiných technických aplikacích. Jejich výkony se po-hybují v širokém rozmezí od jednotek wattů až po stovky megawattů. Z teorie výkonové elektroniky je známo, že jmenovitý výkon měniče je úměrný součinu jeho jmenovitého napětí a jmenovitého proudu. Z tohoto hle-diska lze obecně určit dva mezní případy pro relativně velký jmenovitý výkon měniče. Ten lze získat buď z velkého jmenovitého proudu při nízkém jmenovitém napětí, nebo z malého jmenovitého proudu při vysokém jmenovitém napětí. Nalezení vhodného poměru jmenovi-tého napětí a proudu je předmětem optimali-zace návrhu, jejíž zvládnutí je jednou ze zá-kladních dovedností každého projektanta vý-konových polovodičových měničů.Oba uvedené mezní případy však s sebou nesou některé problémy. Rozhodnutí se pro velké jmenovité proudy a nízká napětí sice vyřeší problémy s izolací potřebných součástí měniče, naproti tomu jsou však zapotřebí pro-pojovací kabely s velkými průřezy a mnohdy se nelze vyhnout ani paralelnímu řazení po-lovodičových součástek. Naopak volbou vy-sokého jmenovitého napětí a malého proudu potřeba paralelního řazení odpadá. Nicméně vznikají zvýšené požadavky na dimenzování izolace a často je nutné řešit problémy s příliš vysokým napětím na součástkách, což vede k jejich sériovému řazení či jinému technic-kému řešení.Měniče výkonové elektroniky pro velké výkony lze rozdělit do čtyř skupin podle od-větví, v nichž se uplatňují:a) měniče pro napájení střídavých elektric-kých pohonů,b) měniče pro elektrolytické procesy,c) měniče pro přenos stejnosměrné elektric-ké energie (HVDC),d) měniče pro přenos a distribuci střídavé elektrické energie (FACTS a FACDS).Měniče ze skupin a) až c) se mohou cho-vat jako zdroje jalového výkonu a vyšších harmonických proudu. Měniče ze skupiny d) však mohou být použity jako elektronické kompenzátory jalového výkonu nebo jako aktivní filtry zabraňující pronikání vyšších harmonických proudu do napájecí sítě. [1]Tento příspěvek je zamyšlením se nad možností použití měničů pro velké výkony jako aktivních filtrů.3. Možná řešení vysokonapěťových měničůV teorii se AC/AC měniče dělí zpravidla do dvou základních skupin, a to na měniče přímé a nepřímé.Přímé měniče nemají vyjádřený stejno-směrný meziobvod, proto transformují vstup-ní proudy a napětí na výstupní bez změny jejich hodnot. Tato vlastnost neumožňuje uvažovat o nich jako o měničích pro aktiv-ní filtry. Nejznámějšími reprezentanty pří-mých měničů jsou cyklokonvertory a mati-cové měniče [3].Naopak nepřímé měniče se poznají podle toho, že obsahují stejnosměrný meziobvod. Stejnosměrný meziobvod je napájen vstup-ním usměrňovačem a zároveň se používá jako zdroj stejnosměrného napětí či proudu pro výstupní střídač. Podle charakteru stej-nosměrného meziobvodu se nepřímé měniče dělí na napěťové, jejichž hlavním atributem je kondenzátor v meziobvodu, a proudové, u nichž jsou atributem tlumivky v meziob-vodu. Nepřímé měniče napěťového typu jsou jednoznačně nejrozšířenější typy AC/AC mě-ničů a v příspěvku jsou dále uvažovány pou-ze ony, popř. jejich výstupní část – střídač.Princip každého typu napěťového střídače je patrný z toho, jak jsou zapojeny a řízeny polovodičové součástky, jimiž je střídač tvo-řen. Těmi mohou být pouze vypínatelné sou-částky. Momentálně jsou rozšířené dvě třídy konvenčních vypínatelných součástek – GTO tyristory (Gate Turn-Off Thyristors) a tranzis-tory IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzis-tors). Speciální vývojové modifikace těch-to tříd vhodné pro použití ve vysokonapěťo-vých zařízeních jsou IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristors) a moduly HVIGBT (High Voltage IGBT). Kromě samotných vy-pínatelných polovodičových součástek jsou z principu napěťového střídače nezbytné i je-jich zpětné diody, jejichž dynamické vlastnos-ti často bývají limitujícím faktorem pro pou-žití vypínatelných součástek ve střídači [4].Limitujícím parametrem polovodičové součástky pro její použití v oboru vysoké-ho napětí je tradičně závěrné napětí, jež je schopna bezpečně udržet. Mezní parametry IGCT se pohybují kolem 6,5 kV při 750 A nebo 5,5 kV při 1,8 kA. Podobných hod-not dosahují i moduly HVIGBT – 6,5 kV při 750 A nebo 4,5 kV při 1,2 kA. Je evidentní, že s vyšším napětím je dosahováno menších proudů a naopak.Ing. Pavel Kobrle, Ph.D., Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze Obr. 1. Ideové schéma vysokonapěťového aktivního filtru napájecí síť uN(t)nelineární zátěžaktivní filtr LN iN(t)LL iL(t)LF iF(t)