Мартынов_силаI

режима в инверторный режим необходимо изменять полярность источника напряжения в цепи постоянного тока преобразователя аналогично тому, как это делается в выпрямителях, выполненных на тиристорах;

–с учетом вышеизложенного, в цепи постоянного тока АВТ может быть установлен только индуктивный фильтр;

–в цепи переменного тока АВТ устанавливается индуктивноемкостной фильтр;

– управляемые ключи АВН имеют двухстороннюю проводимость, поэтому перевод из выпрямительного режима в инверторный режим осуществляется изменением направления тока цепи постоянного тока путем повышения напряжения источника постоянного тока по отношению к так называемому «напряжению подпора» на выходе вентильного блока;

–в цепи переменного тока АВН устанавливается индуктивный фильтр (БР);

–в цепи постоянного тока АВН устанавливают индуктивноемкостной фильтр.

Существенные отличия в силовых схемах активных выпрямителей тока и напряжения отражаются и на их характеристиках – внешних и регулировочных. Основное отличие заключается в том, что АВТ принципиально позволяют регулировать напряжение цепи постоянного тока от нуля до максимальной величины, несколько меньшей величины выходного напряжения неуправляемого выпрямителя.

121

Активные выпрямители напряжения регулируют напряжение цепи постоянного тока от значения, равного величине выходного напряжения неуправляемого выпрямителя, в сторону его увеличения. Это обстоятельство и определило область применения АВН. Они входят в состав преобразователей частоты переменного тока со звеном постоянного тока, способных рекуперировать электрическую энергию нагрузки преобразователя в электрическую сеть переменного тока, к которой подключен этот преобразователь.

Общим достоинством обоих преобразователей является их способность регулировать напряжение, сохраняя фазовый сдвиг тока по отношению к напряжению (в цепи переменного тока) практически равным нулю (или близким к нулевому значению). Форма кривой тока цепи переменного тока при этом близка к синусоидальной. Совершенно очевидно, что коэффициент мощности этих преобразователей равен единице (точнее, близок к единице).

5.1. Однофазный активный выпрямитель напряжения

Рассмотрим подробнее работу однофазного мостового АВН (см. рис. 32). Нетрудно видеть, что эта схема полностью совпадает со схемой однофазного инвертора напряжения и представляет собой инверсное относительно зажимов питания и нагрузки включение схемы автономного инвертора напряжения. Перечислим характерные признаки, присущие схеме активного преобразователя напряжения, обеспечивающие неизменную полярность на зажимах цепи постоянного тока:

–наличие полностью управляемых полупроводниковых приборов, шунтированных встречно-параллельно включенными обратными диодами, образующих совместно с транзисторами управляемые ключи (УК1–УК4), которые обладают двухсторонней проводимостью тока при наличии включающих сигналов управления. При отсутствии сигналов управления ключи обладают односторонней (обратной) проводимостью;

–наличие БР во входной цепи переменного тока;

–включение фильтрующего конденсатора параллельно нагрузке на выходных зажимах преобразователя.

Эти особенности в сочетании с импульсно-модуляционными алгоритмами работы преобразователя обеспечивают возможность его работы как в выпрямительном, так и в инверторном режимах работы при неизменной полярности выходного напряжения с реализа-

122

цией возможности двухсторонней передачи электрической энергии от питающей сети в нагрузку и обратно.

На рис. 33 стрелками показано направление токов цепей преобразователя, соответствующее выпрямительному режиму работы силовой схемы. Вентильный блок содержит четыре полностью управляемых полупроводниковых ключа (УК1–УК4). Напомним, что полностью управляемый полупроводниковый ключ – это транзистор и встречно-параллельно включенный диод. Так, УК1 – это VT1 и VD1 (см. рис. 33). Входное напряжение выпрямителя (напряжение на зажимах а–b Uаb), представляющее собой инвертированное напряжение цепи постоянного тока, может регулироваться по величине и по фазе за счет изменения глубины модуляции и фазы модулирующего сигнала относительно сетевого напряжения. Частота напряжения на силовом входе вентильного блока Uаb строго поддерживается равной частоте сети переменного тока, к которой подключен активный выпрямитель. Источник входного (сетевого) напряжения переменного тока Ua подключается к входам вентильного блока (зажимы а–b) через БР. Положительный импульс напряжения Uаb получается при одновременно открытых ключах УК1 и УК2, отрицательный импульс – при открытых ключах УК3 и УК4. При одновременной проводимости ключей УК1 и УК3 или УК2 и УК4 входное напряжение преобразователя Uаb равно нулю. На выходе выпрямителя включен конденсатор С, фильтрующий напряжения цепи постоянного тока. Нагрузка представлена последовательно включенными комплексным сопротивлением Zнг и источником противоЭДС Енг. Дискретные сигналы управления ключей силовой схемы формируются схемой управления.

Силовая схема активного выпрямителя представляет собой полупроводниковый коммутатор (ПК), выполненный по схеме автономного инвертора напряжения (АИН).

Прицип работы схемы управления ПК можно пояснить с помощью рис. 34, на котором изображены пилообразное (опорное) напряжение uоп, напряжение управления uy1 (модулирующее напряжение) транзисторами одного плеча (или одной фазы трехфазной схемы) ПК, а также функции состояния двух полностью управляемых ключей этого плеча моста ki1 и 1–ki1 (например, ключей VT1–VD1 и VT4–VD4 соответственно) или фазы а трехфазного моста.

Если напряжения управления синусоидальны и их амплитуда не превышает амплитуду опорного напряжения, то считается, что преобразователь работает в режиме синусоидальной широтно-

123

ki1

1 – ki1

Рис. 34. Опорное напряжение, напряжение управления

ифункции состояния транзисторов одного плеча ПК

врежиме синусоидальной ШИМ

импульсной модуляции (ШИМ). Такой принцип управления реализуется и в трехфазных мостовых схемах.

Вреальных установках, вследствие дискретности микропроцессорных устройств управления, напряжения управления имеют ступенчатую форму с «гладкими» составляющими, близкими по форме

ксинусоиде. Длительность цикла работы микропроцессорных си-

стем управления ty во многих случаях принимается равной периоду Tоп пилообразного напряжения. В пределах этого периода напряжения управления всех фаз неизменны. Временные диаграммы рис. 34 построены с учетом этой особенности систем.

Вмоменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов. Существует минимально допустимое время переключения транзисторов, которое несколько сужает активную зону опорного напря-

жения (участвующую в формировании импульсов управления)

на величину ∆uоп сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения принять равной 1, то в соответствии с рис. 34 активная

зона напряжений управления находится в пределах от –1 + uоп

до 1 – uоп.

Если напряжение управления какой-либо фазы находится в активной зоне пилообразного напряжения, то в течение периода Tоп в данной фазе происходит одно включение и одно выключение транзистора с соответствующими переключениями токов, одно включение и одно выключение обратного диода, а также одно включение и одно выключение транзистора без тока. Если напряжение управления выходит за пределы активной зоны пилообразного напряже-

124

ния, то в данной фазе на данном периоде вентили не переключаются, если ток фазы нагрузки не изменяет знак.

При работе в режиме ШИМ «гладкие» составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны напряжениям управления фаз (при условии постоянства напряжения конденсатора в цепи постоянного тока).

На рис. 35 изображены опорное напряжение uоп и напряжение управления uy1 одной фазы при выходе напряжения управления на некоторых отрезках времени за пределы активной зоны опорного напряжения (ограниченной пунктирными линиями). В рассматриваемом случае ПК работает в режиме перемодуляции.

На тех отрезках времени, на которых напряжения управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения, переключения вентилей управляющими импульсами не производятся. На этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими по границам рабочей зоны на уровне –1 + uоп или 1 – uоп. При этом фактическое напряжение управления uy1 приближается по форме к трапеции (см. рис. 35).

При работе в режиме перемодуляции «гладкие» составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны указанным трапецеидальным (усеченным) напряжениям управления фаз.

При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения управления трапецеидальное напряжение uy1 приближается к прямоугольной форме. АИН переходит в режим работы при фазной коммутации.

Uîï = –1 Uîï = –1 + ∆Uîï

Uîï = 1 – ∆Uîï Uîï = 1 – ∆Uîï uó1 uîï

Uîï = –1

Рис. 35. Опорное напряжение и напряжения управления ПК в режиме перемодуляции

125

При уменьшении амплитуды модулирующего сигнала величина входного тока уменьшается. Изменение начальной фазы модулирующего сигнала по отношению к напряжению сети переменного тока позволяет обеспечить коэффициент сдвига по основной гармонике равным или меньшим единице.

Высшие гармоники кривой входного тока фильтруются с помощью индуктивности БР. При этом эффективность работы фильтра зависит от величины несущей частоты, с которой переключаются транзисторы. В 70-х годах прошлого века известный ученый О. А. Маевский доказал эффективность преобразования электрической энергии с использованием высокой несущей частоты по сравнению с преобразованием энергии на сетевой частоте. Он утверждал, что «при частотном преобразовании реактивной мощности нелинейными активными сопротивлениями коэффициентом пропорциональности при превращении реактивной мощности одной частоты в реактивную мощность другой является отношение их частот» [10]. Другими словами, реактивная мощность высокой частоты, преобразуемая в реактивную мощность более низкой частоты, увеличивается в число раз, равное отношению несущей частоты к сетевой частоте, и подавление высших гармоник, содержащихся в кривой потребляемого АВТ, осуществляется при меньшем значении индуктивности БР.

В настоящее время активные выпрямители большой мощности работают при значении несущей частоты от 2,5 до 5 кГц. Дальнейшее повышение несущей частоты ограничивается существенным увеличением потерь мощности в транзисторах и их перегревом, что недопустимо.

5.2. Трехфазный активный выпрямитель напряжения

На рис. 36 приведена схема трехфазного мостового АВН.

В рассматриваемой схеме трехфазный источник питания содержит трехфазную систему ЭДС eа, eb и eс и индуктивности lф. Этот источник имеет фазные напряжения uс.ф и фазные токи iф. Линейные напряжения источника uаb, ubc и uca. Между трехфазным источником и транзисторным мостом включен трехфазный дроссель с индуктивностями фаз lдр и активными сопротивлениями фаз Rдр. В транзисторном мостовом преобразователе (выпрямителе) uа, ub, uc – фазные напряжения; iв1–iв6 – токи в плечах моста; uRC – выпрямленноенапряжение(напряжениеконденсаторногофильтра);

126

Id – выпрямленный ток; ИУ – импульсы управления; УК1–УК6 – управляемые ключи. В цепи выпрямленного напряжения С, RС, iС – емкость, активное сопротивление и ток конденсаторного фильтра; Rз и iз – активное сопротивление и ток цепи защиты от перенапряжений; Rнг, Lнг, eнг, iнг – активное сопротивление, индуктивность, ЭДС и ток нагрузки.

Система управления (СУ) трехфазного активного выпрямителя подобна СУ однофазного мостового активного выпрямителя. Отличие заключается в том, что СУ должна вырабатывать импульсы управления для трех фаз, сдвинутых во времени на 120 электрических градусов (в масштабе периода сетевого напряжения). В схеме, приведенной на рис. 36, СУ выпрямителя контролирует линейные напряжения и фазные токи трехфазного источника питания, а также выпрямленное напряжение преобразователя и формирует импульсы управления транзисторами. При этом в СУ могут решаться следующие задачи:

−стабилизация выпрямленного напряжения на заданном уровне путем воздействия на амплитуду заданных фазных токов сети;

−формирование фазных токов сети, близких по форме к синусоиде путем воздействия на напряжения управления;

127

−поддержание заданного коэффициента мощности сети (индуктивного, емкостного или равного 1) путем воздействия на напряжения управления;

−передача энергии из сети переменного напряжения в цепь постоянного напряжения и в противоположном направлении.

Следует напомнить, что минимальный уровень выпрямленного напряжения в рассматриваемой схеме, выполненной по схеме АВН, равен тому напряжению, которое может создать диодный выпрямитель. При управлении транзисторами выпрямленное напряжение нельзя уменьшить, но можно увеличить. Верхняя граница выпрямленного напряжения теоретически не ограничена. Однако практически максимальное значение выпрямленного напряжения, которое может быть достигнуто при его регулировании, зависит от

соотношения активного сопротивления элементов схемы Rсх и активного сопротивления нагрузки Rнг. В этой части имеется определенная аналогия с регулированием напряжения преобразователя постоянного тока с параллельным (относительно цепи нагрузки) включением транзистора.

Блок управления активного выпрямителя формирует широтномодулированные управляющие сигналы для полупроводниковых ключей коммутатора, что обеспечивает формирование мгновенных значений напряжений на силовом входе ПК такой величины, фор-

мы и фазы, что потребляемые из сети токи iа, ib, ic являются практически синусоидальными с поддержанием заданного значения угла сдвига ϕ основной гармоники тока относительно сетевого напряжения [7].

Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором основная (полезная) гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Как было сказано, это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, БР. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока. Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя

спомощью системы управления АВН параметрами основной гар-

моники его переменного напряжения ua, ub, uc, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым

128

углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя с заданным значением коэффициента мощности, например, равным единице [8].

Как коммутатор тока активный выпрямитель преобразует потребляемый из сети переменный, близкий к синусоидальному ток

впульсирующий выходной ток, содержащий переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая замыкается через конденсатор, который ограничивает пульсации напряжения Ud

взвене постоянного тока, вызываемые переменной составляющей выходного тока АВН. Постоянная составляющая выходного тока АВН подпитывает конденсатор, компенсируя расход постоянного тока, отдаваемого в нагрузку.

Анализируя в целом приведенные выше материалы по устройству и принципу действия активных выпрямителей, можно сделать следующие выводы. Несмотря на некоторое усложнение силовой схемы и СУ (по сравнению с тиристорными преобразователями), применение активных преобразователей позволяет улучшить электромагнитную совместимость полупроводниковых преобразователей с питающей сетью и использовать для их построения уже отработанные схемотехнические решения и современную элементную базу. Усложнение управляющей части активных преобразователей не столь существенно, если учесть, что вновь разрабатываемые системы полупроводниковых преобразователей электрической энергии, как правило, создаются с системами прямого микропроцессорного управления, в которых сложность реализации алгоритмов управления достигается за счет усложнения только программного обеспечения.

5.3. Основные расчетные соотношения активных выпрямителей

Грамотный расчет параметров элементов силовой схемы позволяет значительно уменьшить временные и материальные затраты при проектировании полупроводниковых преобразователей, а также облегчить процесс моделирования.

Расчетные соотношения приведем для трехфазного мостового активного выпрямителя (см. рис. 36).

Основные исходные данные, необходимые для расчета активного выпрямителя:

PdN − мощность АВН номинальная, Вт; Pd max − мощность АВН максимальная, Вт;

129

Uф N − напряжение сети номинальное, В; Uф min − напряжение сети минимальное, В; Uф max – напряжение сети максимальное, В; fc – частота напряжения сети, Гц;

fШИМ – несущая частота ШИМ, Гц;

UdN – напряжение в звене постоянного тока номинальное, В; Id пик – пиковое значение максимального тока нагрузки, А;

kг – коэффициент гармоник фазного тока в номинальном режиме, о. е.;

kп – размах пульсаций выпрямленного напряжения, о. е. Значение индуктивности реакторов рассчитываем, исходя из за-

данного коэффициента гармоник сетевых токов. Вычислим значения фазного тока активного выпрямителя:

– номинальный фазный ток

Для расчета требуемой величины индуктивности сетевых реакторов необходимо получить спектральный состав напряжения, прикладываемого к БР. Поскольку гармонический состав данного напряжения зависит от множества параметров (вида ШИМ, глубины модуляции и т. д.), изменяющихся в различных режимах, то проведение анализа является трудоемким и нецелесообразным. Более эффективным представляется использование метода математического моделирования. В первом приближении требуемое значение индуктивности реактора может быть рассчитано по формуле

где, пренебрегая более высокими гармониками, можно принять, что амплитуда ШИМ-гармоники тока

Затем это значение индуктивности следует уточнить по результатам моделирования активного выпрямителя.

130