Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофазные многоуровневые полупроводниковые выпрямители переменного тока. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
С. В. БРОВАНОВ
ОДНОФАЗНЫЕ
МНОГОУРОВНЕВЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2022
1
УДК 621.382.333.3(075.8)
Б 88
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент О. В. Нос
канд. техн. наук, доцент А. В. Удовиченко
Работа подготовлена на кафедре электроники и электротехники
для студентов, изучающих курс силовой электроники
Брованов С. В.
Б 88 Однофазные многоуровневые полупроводниковые выпрями-
тели переменного тока: учебное пособие / С. В. Брованов. –
Но-
восибирск: Изд-во НГТУ, 2022. – 74 с.
ISBN 978-5-7782-4670-6
Рассмотрены основные схемотехнические решения построения
однофазных многоуровневых полупроводниковых выпрямителей переменного тока. В учебном пособии рассматриваются принципы работы
многоуровневых выпрямителей, проводится анализ электромагнитных
процессов, на основе которых показаны основные свойства рассматриваемых схем. Изложены способы управления выпрямителями на основе
векторных широтно-импульсных и программных алгоритмах управления. Особое внимание уделено принципам
денсаторах звена постоянного тока.
Для закрепления изученного теоретического материала по каждому
разделу предложены контрольные вопросы.
Пособие предназначено для студентов и магистрантов, изучающих
курс силовой электроники.
ISBN 978-5-7782-4670-6 © Брованов С. В., 2022
баланса напряжений на кон-
УДК 621.382.333.3(075.8)
© Новосибирский государственный
технический университет, 2022
2
1. ОДНОФАЗНЫЕ НЕРЕКУПЕРИРУЮЩИЕ
СТРУКТУРЫ ТРЕХУРОВНЕВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
1.1. Влияние полупроводниковых преобразователей
на питающую сеть
Развитие современной силовой электроники, прежде всего ее приборной базы, позволяет создавать различные системы генерирования
и преобразования электрической энергии. В этих системах основным
звеном, оказывающим существенное влияние на энергетическую эффективность, служит полупроводниковый преобразователь электрической
энергии. Стремление разработчиков повысить эффективность преобразования электрической энергии приводит к решениям по формированию
новых топологий
вых алгоритмов управления ими.
Известно, что полупроводниковые преобразователи, особенно мощные, в процессе своей работы потребляют из сети реактивную мощность.
А наличие в кривой входного тока преобразователя высших гармоник
приводит к искажению формы напряжения сети. Эти факторы служат
причиной роста дополнительных потерь мощности в питающей
Снизить негативное влияние полупроводниковых преобразователей на питающую сеть является актуальной задачей для разработчиков
преобразовательной техники [2]. На протяжении всего времени применения полупроводниковых преобразователей предлагаются различные
способы повышения их энергетической эффективности. К ним относятся решения по совершенствованию как структуры силовой схемы,
так и алгоритмов управления преобразователями. Чтобы как-то
чественно оценить тот или иной способ повышения энергетической
эффективности преобразователей рассмотрим энергетические показатели качества преобразования электрической энергии в вентильных
преобразователях [3].
силовых полупроводниковых преобразователей и но-
сети [1].
коли-
3
1.2. Энергетические показатели качества
P
преобразования электрической энергии
полупроводниковых преобразователей
Важнейшими энергетическими показателями качества являются
следующие [3].
1. Коэффициент преобразования по напряжению и току:
где
U
вх.п
U
,
U
вых.п
вх.п
,
KI
KU
н.п
I
,
вых.п
I
– входное напряжение и ток преобразователя. В цепях пе-
вх.п
– выходное напряжение и ток преобразователя;
вых.п
т.п
I
вых.п
вх.п
,
ременного тока полезными составляющими являются, как правило,
первые гармоники напряжения и тока, а в цепях постоянного тока –
средние значения напряжения и тока.
2. Коэффициент искажения тока и напряжения:
где
I ,
U – действующие значения первой гармоники тока и
(1)
напряжения;
(1)
I
(1)
ν
I
U
I ,
– действующие значения тока и напряжения.
,
I
U
ν
(1)
U
,
U
3. Коэффициент гармоник тока и напряжения:
KI
1
г.т ()
I
(1)
k
2
,
k
2
KU
г.н ()
U
1
(1)
k
2
.
k
2
4. Коэффициент сдвига тока относительно напряжения по первой
гармонике:
P
cos
(1)
(1)
22
(1) (1)
,
Q
где
P ,
Q – активная и реактивная мощности в цепи, создаваемые
(1)
(1)
первыми гармониками напряжения и тока.
4
5. Коэффициент мощности:
P
,
S
S
где P – активная мощность;
– полная мощность. Для цепи с сину-
соидальным напряжением и несинусоидальным током коэффициент
мощности запишется в виде
cos
UI
(1) (1)
UI
I
cos
(1)
.
Последний показатель является очень важным для оценки энергоэффективности преобразовательных установок.
Для улучшения в разрабатываемых системах энергетических показателей качества преобразования электроэнергии и характеристик
по электромагнитной совместимости стали применять многоуровневые полупроводниковые преобразователи электрической энергии.
В настоящее время существует большое количество топологий
многоуровневых схем преобразователей, однако особого внимания заслуживают
схемы neutral-point-clamped (NPC) топологии [7]. В русскоязычной литературе нет устоявшейся терминологии, поэтому будем
называть схемы, относящиеся к данный топологии, как схемы с фикса-
цией средней точки.
По данной топологии реализуются как инверторные, так и выпрямительные схемы. Широкое распространение получили и те и другие
схемы прежде всего за то, что они позволяют
использовать силовые
приборы на пониженном напряжении, что дает возможность реализовать системы преобразования электрической энергии с повышенным
напряжением и мощностью, а также значительно улучшить качество
выходного напряжения, формируемого на выходе инвертора, или
входного тока выпрямителя.
При всем разнообразии многоуровневых схем наибольшее распро-
странение получили трехуровневые. В этой связи рассмотрим свойства
трехуровневых выпрямительных схем с NPC-топологией.
ряда
5
1.3. Схемная реализация однофазных
А
В
L
D
нерекуперирующих структур
трехуровневых выпрямителей
Нерекуперирующие, или необратимые, схемы трехуровневых полупроводниковых выпрямителей в своем составе содержат схему однофазного выпрямителя (В), дополнительные двунаправленные ключи
Н
1С
и 2С,
(ДК), а также последовательно включенные конденсаторы
(рис. 1.1).
2
i
вх
()е
В
ДК
1С
1
2С
0
Рис. 1.1. Блок-схема однофазного трехуровневого
выпрямителя
Особенностью трехуровневой схемы является то, что она содержит
в звене постоянного тока последовательно включенные конденсаторы
1С
и 2С, формирующие три уровня напряжения. На схеме они обо-
значены как 0, 1, 2. Такая топология схемы позволяет при применении
специальных алгоритмов управления дополнительными ключами формировать на зажимах A и B ступенчатое напряжение с пониженным
содержанием гармоник. Это в значительной степени улучшает каче-
ство формирующегося тока
Схемная реализация двунаправленного ключа во многом определяет
структуру многоуровневого выпрямителя. На рис. 1.2 представлены некоторые варианты реализации фазной стойки полупроводникового выпрямителя, содержащей двунаправленный ключ. На рис. 1.2, а показана одна
стойка преобразователя, в которой диоды 1
прямление переменного тока в постоянный, при этом двунаправленный
ключ реализуется на элементах
тока мощности в двух направлениях из точки a в точку b, и наоборот.
i
во входной цепи выпрямителя.
вх
3... 6DD
6
, 2D осуществляют вы-
, T и осуществляет передачу по-
1D
D
D
D
D
D
D
D
D
K
3D
a
T
4D
b
3D
1С
a
1D
T
1D
4D
1С
b
a
3D
4D
1С
b
5D
2D
2С
6D
5D
2D
2С
6D
1T
2D
2T
2С
а б в
1
3
a
4
2
1T
1С
b
2С
2T
1
3
a
4
2
1T
1С
b
2С
2T
a
1D
2D
1С
b
2С
г д е
Рис. 1.2. Фазные стойки полупроводниковых выпрямителей
В ряде случаев элементы двунаправленного ключа выполняют
функцию основной стойки выпрямителя. Примерами тому служат
стойки, представленные на рис. 1.2, б, д. Схема замещения, представленная на рис. 1.2, е, позволяет эквивалентировать стойку полупроводникового выпрямителя. Пунктиром обозначен диод, который в зависимости от схемы двунаправленного ключа может или присутствовать
в стойке
выпрямителя, или нет.
На основании вышеизложенного на рис. 1.3 показана упрощенная
схема однофазного трехуровневого нерекуперирующего выпрямителя.
7
А
L
A
i
вх
()e
S
a
S
В
b
1С
N
2С
Рис. 1.3. Однофазный трехуровневый
нерекуперирующий выпрямитель
Особенности и свойства данного выпрямителя будут рассмотрены
далее.
1.4. Электромагнитные процессы в однофазном
трехуровневом нерекуперирующем выпрямителе
S
Наличие в схеме выпрямителя двунаправленных ключей
(рис.1.4) придает схеме определенную управляемость, что позволяет
воздействовать на электромагнитные процессы, протекающие в выпрямителе.
i
d
1VD
i
L
1
A
()е
1
u
2VD
3VD
i
S
Sa
B
i
Sb
B
4VD
i
d
а б
Рис. 1.4. Однофазный трехуровневый нерекуперирующий выпрямитель
и схема двунаправленного ключа
i
н
i
1c
a
N
S
b
i
2c
1C
U
0
U
d
2C
U
0
1SD
T
4SD
S
и
a
b
2SD
3SD
8
От выбранного алгоритма управления двунаправленными ключами
A
напрямую зависит энергетическая эффективность выпрямителя [4].
В этой связи рассмотрим применение некоторых вариантов алгоритмов управления выпрямителем и их влияние на энергетические показатели качества преобразования электрической энергии.
В современной преобразовательной технике широкое распространение получили широтно-импульсные алгоритмы управления. Применение данных алгоритмов дает возможность
добиться высоких показателей качества преобразования электрической энергии. При этом
наибольший интерес представляют два основных способа широтноимпульсной модуляции (ШИМ) – это векторный, основанный на векторном представлении напряжения преобразователя, и скалярный (синусоидальный), реализуемый на сравнении модулирующего и опорного сигналов.
Однако с целью снижения коммутационных потерь в ключах преобразователя реализуют низкочастотные алгоритмы управления без
ШИМ.
Далее рассмотрим алгоритмы управления двунаправленными ключами без ШИМ и проведем анализ электромагнитных процессов в выпрямителе.
Алгоритм I
На рис. 1.5 изображены диаграммы напряжений, характеризующие
работу выпрямителя. Полагаем, что входной ток выпрямителя непрерывный.
Рассматривая принцип работы данного алгоритма управления, будем полагать, что напряжения
'
равны, т.е.
Напряжения
UU
00
.
u
и
N
на конденсаторах 1C и 2C между собой
u
со значениями
BN
U
0
и
U
формируются
0
в интервалы времени, когда открыты и проводят ток основные диоды
выпрямителя. Очевидно, что ток через диоды схемы может проходить
только в те части периода, в которых ЭДС питающей сети превышает
значения напряжений на конденсаторах.
В соответствии с предложенным алгоритмом управления двунаправленные ключи
S
проводящего состояния ключей
S
и
a
переключаются поочередно. Во время
b
S
S
и
a
на зажимах А и В относи-
b
9
тельно точки N формируются нулевые значения напряжений
A
A
A
B
A
A
u
и
ями ключей
конденсаторах C1 и C2 формируются напряжения
напряжений
соответственно. В промежутках между проводящими состояни-
BN
S
S
и
a
u
проводят ток диоды выпрямителя. При этом на
b
U
и
0
u
и
N
создает на зажимах А и В напряжение
BN
. Разница
U
0
u
()e
1
0
2
u
N
.
B
S
a
u
AN
u
N
u
AB
U
U
0
S
b
U
0
U
0
d
S
a
S
b
Рис. 1.5. Диаграммы работы выпрямителя (Алгоритм I)
Будем полагать, что пульсации на конденсаторах 1C и2Сотсутствуют, поэтому с помощью выражения
чить графическое представление напряжения
Длительность импульсов управления ключами (
няться в диапазоне от 0 до
π
uuu
NBN AB
u
.
N
легко полу-
) может ме-
и регулируется коэффициентом
0...1 . Как будет показано далее, энергетические показатели каче-
ства электромагнитных процессов во многом определяются значением коэффициента
.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]