РЕГУЛИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО
ТОКА С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ
ПОКАЗАТЕЛЯМИ
ГЛАВА
3.1. Общие положения о работе выпрямителей с
ИСКУССТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ СИЛОВЫХ ВЕНТИЛЕЙ
3.2. Компенсационные выпрямители
3.3. Компенсированные выпрямители
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
КОМПЕНСИРОВАННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Большие возможности для улучшения динамических и энергетических показателей УВП представляет метод искусственной коммутации тиристоров.
При этом такие преобразователи превращаются из потребителей в генераторы реактивной мощности емкостного характера (компенсационные преобразователи). Существует возможность построения преобразователей, работа которых основывается на сочетании искусственной и естественной коммутации вентилей. Регулирование этих устройств возможно с поддержанием cosφ(1)= 1, в связи с чем их принято называть компенсированными. Применение искусственной коммутации дает возможность изменять характер потребляемой реактивной мощности.
Цель главы – ознакомиться с общей структурой построения управляемых вентильных выпрямителей переменного тока в постоянный ток при искусственной коммутации;изучить основные режимы роботы таких выпрямителей, спектральный состав и энергетические показатели.
После изучения главы необходимо знать
Особенности работы управляемых силовых выпрямителей с искусственной коммутацией.
Принципы работы компенсационных и компенсированных выпрямителей.
Энергетические характеристики таких выпрямителей.
Методы расчета отдельных узлов выпрямителей и защиты вентилей от коммутационных перенапряжений.
Принципы расчета основных схем выпрямления. Выбор элементной базы выпрямителей.
Влияние высших гармоник на питающую сеть.
Энергетический баланс выпрямительных установок.
Составляющие полной потребляемой мощности выпрямителем из питающей сети.
Параметры, определяющие качество электрической энергии и электромагнитной совместимости управляемых выпрямителей с питающей сетью.
3.1. Общие положения о работе выпрямителей с искусственной коммутациией силовых вентилей
Свойство полууправляемости делает возможным включение тиристоров лишь в области так называемых отстающих углов управления (вправо от точки естественной коммутации). На рис.3.1 приведены временные графики трехфазного мостового управляемого выпрямителя при естественной коммутации вентилей, когда в цепи постоянного тока Ld= ∞.
Рис.3.1. Временные графики при естественной коммутации
При разложении прямоугольной формы выпрямленного тока в гармонический ряд основная гармоника тока I(1)нагрузки, например, фаза А сдвигается на уголφ(1)в сторону отставания от напряжения питающей сети. Это свойство однооперационных тиристоров приводит к потреблению реактивной мощности индуктивного характера. В наиболее распространенных схемах управляемых вентильных преобразователей (УВП) потребление реактивной мощности происходит в размерах, пропорциональных степени регулирования выходного напряжения. В результате работа мощного вентильного преобразователя зачастую сопровождается просадками напряжения в питающей сети, нарушающими режим энергоснабжения предприятий [93, 94]. Компенсация реактивной мощности, потребляемой УВП, затруднительна и часто малоэффективна, ввиду сравнительно высокого быстродействия этих устройств [95].
В этой связи большие возможности для улучшения динамических и энергетических показателей УВП представляет метод искусственной коммутации тиристоров. Управление преобразователями с искусственной коммутацией возможно в области опережающих углов (–π ≤ α ≤ 0). На рис.3.2 приведены временные графики при опережающих углах управления в катодной и анодной группах вентилей для компенсационного преобразователя.
При этом такие преобразователи превращаются из потребителей в генераторы реактивной мощности емкостного характера (компенсационные преобразователи). Существует возможность построения преобразователей, работа которых основывается на сочетании искусственной и естественной коммутации вентилей. Регулирование этих устройств возможно с поддержанием cosφ(1)= 1, в связи с чем их принято называть компенсированными.
Рис.3.2. Временные графики при искусственной коммутации
На рис.3.3 приведены временные графики при комбинированном управлении, когда, например, катодная группа работает с опережающими углами управления, а анодная - в режиме естественной коммутации (отстающие углы управления).
Рис.3.3. Временные графики при комбинированной системе управлении
Таким образом, применение искусственной коммутации дает возможность изменять характер потребляемой реактивной мощности на подобии режима работы синхронного компенсатора, работающего при различных токах возбуждения. Такие компенсаторы при недовозбуждении потребляют реактивную мощность индуктивного характера, при перевозбуждении генерируют в сеть реактивную мощность емкостного характера, а при номинальном возбуждении коэффициент мощности его будет равен единице.
Использование искусственной коммутации с целью повышения энергетических показателей управляемых выпрямителей определило создание научного направления, которое сформировалось благодаря работам Г. И. Бабата [96,97], И. Л. Каганова [100], И. М. Чиженко [101,102], А. И. Зайцева [104,105], А. В. Баева [92], С. Р. Глинтерника [99], Г. Г. Магазинника [106,127] , Н. А. Шипулиной 103] и других.
Последний этап в развитии УВП с искусственной коммутацией ознаменовался появлением глубокорегулируемых устройств, свойства которых делают возможным применение их в широкой области техники. Разрабатывая преобразователь с искусственной коммутацией, в первую очередь приходится решать вопрос о коммутирующем узле. В случае использования полностью управляемых вентилей (IGBT, GTO, IGCT) этот вопрос отпадает, но встает вопрос об ограничении перенапряжений из-за большой скорости изменения коммутируемых токов. При полууправляемых тиристорах для искусственной коммутации тока в силовых цепях используются, как правило, конденсаторы, заряженные к моменту коммутации соответствующим образом. Анализу работы преобразователей с искусственной коммутацией посвящено большое количество работ [93,94,96,98,100,102,104]
Как показано в [129], для многофазных преобразователей в подавляющем большинстве случаев более целесообразна двухступенчатая коммутация, что объясняется возможностью использовать один (для нулевых схем) или два (для мостовых схем) узла коммутации для всего преобразователя.
Эффективность искусственной коммутации принято оценивать коэффициентом эффективности, под которым понимается отношение выигрыша в реактивной мощности, получаемого при применении компенсированного преобразователя, к мощности коммутирующих конденсаторов, приведенной к частоте сети. Выигрыш в реактивной мощности может быть до двойного (компенсация до cos(1)=1 обычного преобразователя с управлением при отстающих углах управления (-) плюс генерируемая реактивная мощность при опережающих углах управления (+)). В этом случае можно провести аналогию с работой синхронных компенсаторов, работающих в режимах недовозбуждения и перевозбуждения.
Коэффициент эффективности сильно зависит от величины реактивного сопротивления на стороне переменного тока преобразователя. Так для трехфазного мостового преобразователя, подключенного непосредственно к мощной сети, достижимы величины коэффициентов эффективности более 200. Если же реактивная составляющая напряжения короткого замыкания на зажимах преобразователя со стороны переменного тока будет около 5 % (применение реакторов для ограничения токов короткого замыкания в преобразователе), то величина коэффициента эффективности снижается до 40.
Большим препятствием на пути использования компенсированного выпрямителя на базе однооперационных тиристоров являются трудности обеспечения требуемого быстродействия и возможность работы в диапазоне от минимального тока до величин тока в импульсах (более 1000 А). Это объясняется тем, что при малых токах нагрузки время разряда коммутирующих конденсаторов увеличивается, так как напряжение на нагрузке определяется параметрами коммутирующего устройства, а не углом управления.
В случае применения в качестве силовых элементов компенсационного преобразователя IGBT-транзисторов или GTO и IGCT-тиристоров диапазон регулирования расширяется, не снижается быстродействие преобразователя в области низких напряжений, но необходимо ограничивать перенапряжения на силовых вентилях.
Одним из основных недостатков вентильных регулируемых компенсированных преобразователей переменного тока в постоянный с искусственной коммутацией является значительное содержание в кривой тока высших гармонических. Улучшить гармонический состав тока можно путем увеличения продолжительности перевода тока из фазы с высшим напряжением в фазу с низшим напряжением, т.е. увеличивая угол коммутации [129].
В отличие от выпрямленного тока обычного преобразователя, у которого минимум приходится на моменты начала коммутации, у компенсированного преобразователя форма выпрямленного тока имеет сложную конфигурацию, при которой максимум и минимум тока могут иметь место в любой точке интервала повторяемости. Указанное отличие обусловлено тем, что при опережающих углах управления коммутируемый ток переходит из фазы с более высоким потенциалом в фазу с меньшим потенциалом, и в течение первой половины интервала повторяемости энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, расходуется, а в течение второй половины запасается.
Следующим фактором, влияющим на форму выпрямленного тока, является наличие коммутационных перенапряжений, которые в зависимости от угла коммутации могут при прочих равных условиях весьма существенно видоизменить форму выпрямленного тока.
Для достижения цели по регулированию реактивной мощности в индуктивном и емкостном квадрантах с одновременным снижением состава высших гармонических составляющих потребовалось наряду с узлами искусственной коммутации в катодной и анодной группах добавить два вспомогательных моста с фильтрами С1 и С2 для регулирования продолжительности угла коммутации и ограничения перенапряжений.
Это особенно важно при применении быстродействующих модуляторов для сварки на базе выпрямителей с мощными транзисторами типа IGBT. Время выключения этих вентилей на порядок меньше тиристоров и поэтому наряду с решением вопросов по созданию быстродействующих выпрямителей необходимо решить и проблему снижения перенапряжений на вентилях при прерывании тока в цепи нагрузки [122,123,124].
Принципы построения и управления УВП с искусственной коммутацией могут быть перенесены на область преобразовательных схем, выполняемых на полностью управляемых приборах, которые в настоящее время бурными темпами внедряются в области силовой преобразовательной техники.
Состояние элементной базы силовой электроники (свойства, параметры и характеристики электронных вентилей) определяет каждый этап ее развития.
Твердотельные полупроводниковые приборы, сменившие вакуумные и газонаполненные, произвели в силовой электронике настоящую революцию. Их малые масса и габариты, удобство в эксплуатации и высокая надежность, широкий диапазон номинальных параметров по току и напряжению, простота группового соединения и другие известные преимущества обеспечили радикальное улучшение технико-экономических и эксплуатационных показателей преобразовательного оборудования, значительно расширили области применения силовой электроники. Силовая электроника заняла прочное и определяющее место во всех областях народного хозяйства и вышла на уровень ведущих технологий.
В 70-х годах появились полевые транзисторы, управляемые структурой "Металл-Окисел-Полупроводник" (MOSFET), начался новый исключительно важный этап развития силовой электроники. В области низких напряжений (50 … 200 В) эти приборы, обладающие малыми статическими и динамическими потерями с минимальными затратами на управление, крайне небольшими временами переключения, высокой стойкостью к перегрузкам, практически полностью вытеснили из преобразовательных устройств все остальные типы полупроводниковых приборов.
Однако в области средних напряжений (500…600 В) и выше прямые потери MOSFETостаются все же недопустимо высокими и это ограничивало области применения МОП -управляемых приборов до тех пор, пока в 80-х годах не был создан биполярный транзистор с изолированным затворомIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor).
Появление этого прибора повлекло за собой радикальные изменения в силовой электронике. Во всем диапазоне мощностей (до 1 МВт) МОП -транзисторы стимулировали развитие силовых модулей, в которых ключевые, а в некоторых случаях и информационные элементы соединяются методами пленочной технологии на общей теплопроводящей изолированной подложке, образуя всю или часть силовой схемы преобразовательного устройства. В настоящее время МОП -приборы обеспечивают коммутацию токов до 1200 А и напряжений до 3,5 КВ. При этом время переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором лежит в диапазоне 200…400 нсек
При напряжениях до 200 В предпочтительно использовать полевые МОП -транзисторы, а при более высоких напряжениях – биполярные с изолированным затвором. Появление в последние годы IGBTс напряжением больше 1,2…3,5 кВ привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ. Для традиционных тиристоров (SCR) и запираемых тиристоров (GTO) остается диапазон мощностей свыше 1 МВт и коммутируемых напряжений свыше 4,5 кВ [60,61,62].
Достигнутый уровень напряжений IGBT3,5 кВ и ожидаемый в ближайшее время 5…7 кВ делает ненужным последовательное соединение приборов, снимая тем самым все связанные с этим проблемы. Устойчивость к коротким замыканиям существенно упрощает задачу защиты преобразователей от аварийных перегрузок. ПараметрыIGBTза последние годы существенно улучшились, утраиваясь каждые два года за счет повышения коммутируемого напряжения с 1,2 кВ до 1,7 кВ, затем (в настоящее время) до 3…3,5 кВ и в будущем 4,5…7 кВ и уменьшения прямого падения с 4 В у первого поколения, 3,3 В до 1,2 В в настоящее время у четвертого поколенияIGBT.
Наряду с развитием технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием (предельные параметры 1200 А, 3300 В) в последние годы начала интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT– модулей (подобная таблеточной конструкции) –press-pack-technology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов, значительно улучшены надежность, термоциклоустойчивость. Предельные параметрыIGBT-модулей прижимной конструкции составляют в настоящее время 1000 А, 2500 В (Toshiba).
Негативные аспекты воздействия токоприемников с управляемыми статическими преобразователями на питающую сеть хорошо изучены. Однако вводимые во многих странах мира жесткие стандарты энергопользования придают данной проблеме особую значимость, поскольку штрафные санкции за нарушение качества электропотребления практически исключают применение преобразовательных установок, загрязняющих сеть.
При применении питания потребителей от полупроводниковых преобразователей нарушается электромагнитная совместимость за счет несинусоидальности потребляемого тока из сети. При этом происходит генерирование в сеть высших, субгармонических и искажающих составляющих, а в ряде случаев затруднен или невозможен двухсторонний обмен энергией с питающей сетью.
Это негативное влияние обусловлено двумя взаимосвязанными факторами: неидеальностью и в первую очередь неполной управляемостью используемых силовых ключей, а также несовершенством используемых алгоритмов.
Достижения современной силовой и информационной электроники позволяют преодолеть эти недостатки за счет применения современных силовых MOSFETиIGBTтранзисторов,GTOиIGCTтиристоров, а также внедрения микропроцессорных систем непосредственного цифрового управления.
Вместе с тем, в области создания подобного рода устройств существует ряд проблем и, прежде всего, связанных с поиском наиболее целесообразной конструкции полностью управляемого выпрямителя. Существующие схемы, как правило, усложнены наличием громоздких и часто малоэффективных устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Это особенно важно при применении быстродействующих модуляторов для сварки на базе выпрямителей с мощными транзисторами типа IGBT. Время выключения этих вентилей на порядок меньше тиристоров и поэтому наряду с решением вопросов по созданию быстродействующих выпрямителей необходимо решить и проблему снижения перенапряжений на вентилях при прерывании тока в цепи нагрузки.
Особенности построения вентильных преобразователей
переменного тока в постоянный ток на базе полностью
управляемых приборов и устройств
Выбор элементной базы преобразователей рассматриваемого класса осуществляется с учетом преобразуемой мощности. Силовые цепи управляемых тиристорных преобразователей с искусственной коммутацией должны содержать, как правило, три функциональные части: тиристорный выпрямитель, устройство искусственной коммутации (УИК) и устройство защиты от коммутационных перенапряжений (УЗП). УИК служит для прерывания протекающего через тиристоры тока, в результате чего достигается эффект двухоперационного управления преобразователем. Усовершенствование конденсаторной коммутации происходит в направлении отделения цепей коммутации от нагрузки, обеспечивающем инвариантность процессов прерывания тока вентилей от параметров и процессов в цепи выпрямленного тока. Одновременно существует тенденция к уменьшению необходимой емкости коммутирующих конденсаторов путем создания таких УИК, в которых она определяется лишь временем восстановления запирающих свойств тиристоров. Все это способствует улучшению регулировочных свойств преобразователей, а также делает их внешние характеристики более жесткими и линейными с высокой добротностью и собственной частотой порядка нескольких КГц [43]. Такие УИК обеспечивают надежное и практически мгновенное выключение силовых тиристоров в любой части диапазона регулирования при любой допустимой величине протекающего тока. Уменьшение времени выключения выпускаемых тиристоров, а также появление конденсаторов типа К-75, ПСК [44] способствовали уменьшению массогабаритных показателей этих устройств, которые на данном этапе часто бывают неудовлетворительными.
Область применения устройств конденсаторной коммутации не ограничивается устройствами, выполняемыми на однооперационных тиристорах. Перспективным направлением их использования является комбинированное выключение двухоперационных тиристоров, которые с целью увеличения коммутирующей мощности и уменьшения времени выключения весьма целесообразно проводить как со стороны управляющего входа этих приборов, так и одновременно путем изменения знака анодного напряжения [47].
В транзисторных схемах применение конденсаторов может обеспечить плавный принудительный перевод тока нагрузки во время коммутации из фазы с большим напряжением в фазу с меньшим напряжением сети. Это облегчает условия работы транзисторных ключей в схемах выпрямления.
Стремление уменьшить емкость коммутирующих конденсаторов в тиристорных преобразователях влечет за собой необходимость разработки эффективных устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Такие УЗП становятся обязательной частью не только тиристорных, но и все более мощных транзисторных схем, что обуславливает актуальность указанной проблемы.
Назначением УЗП является вывод из контура коммутации фазных токов избытка электромагнитной энергии, выделяющейся на индуктивных элементах в момент запирания вентилей [48.49.51.52.]. Необходимо отметить, что до сих пор наибольшее применение находят УЗП, работающие по принципу рассеивания энергии, заимствованному из практики преобразователей с естественной коммутацией вентилей [53,54].
Однако, ввиду несоизмеримости энергий, выделяющихся в условиях естественной и искусственной коммутаций, в последнем случае КПД преобразователя резко уменьшается. Существующие варианты УЗП основываются на применении полярных фильтровых конденсаторов, подключаемых параллельно входу преобразователя [54.56].
Недостатком такого подключения конденсаторов является односторонность передачи энергии, ведущая к наполнению ее в поле фильтрового конденсатора. Во избежание перенапряжений в настоящее время устанавливают в преобразователях емкости порядка 100-200 мкФ на каждый киловатт мощности [56]. Однако, применив схемные решения, появилась возможность обеспечения двухстороннего обмена энергией фильтра с контуром коммутации. Данный принцип положен в основу работы вентильных преобразователей, описание которых приводится в данной главе.