4.3.9 Схеми з «реактивною коміркою» та послідовним силовим

активним фільтром

Спрощення силових кіл БАІН при збереженні і навіть покращенні гармонійного складу вихідної напруги можна досягнути при використанні у схемі послідовних силових активних фільтрів (АФ) або «реактивних комірок» (РК). В їх якості використовується однофазний мостовий АІН, що вмикається у вихідних фазах БАІН. Його ключі розраховані на струм навантаження, а напруга може бути зменшена в три рази. Мета використання АФ і РК однакова, проте функціонування і ефективність дії різні.

Силовий активний фільтр відпрацьовує різницю між заданою напругою навантаження і напругою, що формується у навантаженні базовою схемою БАІН. В якості останньої можна використати розрахункове значення напруги.

«Реактивна комірка» не має джерела живлення і приймає таку ж участь у формуванні вихідної напруги, як і базова схема БАІН тільки без передавання активної потужності у навантаження. При цьому вона забезпечує додаткові рівні у напрузі фази БАІН, за рахунок чого і покращується напруга навантаження. Використання у фазі БАІН АІН1 (з мінімальною напругою) в режимі РК дозволяє виключити із вхідних кіл БАІН три джерела постійного струму (ДПС).

Схема БАІН на базі ТАІН з АФ. Розглянемо використання АФ для трифазної схеми трирівневого АІН. Схема силових кіл така ж, як і у гібридного БАІН (рис.4.130). Кратність напруги джерел ТАІН і АФ становить 3:1.

Напруга завдання для АІН в режимі АФ визначається як напруга помилки (u_ЗАД – синусоїдальна напруга завдання (без врахування модулюючих гармонік, якщо вони використовуються), u_ФПР – прогнозоване (розрахункове) значення напруги фази навантаження, що визначається роботою ТАІН). В даному випадку використовується напруга фази навантаження, оскільки відносний крок її зміни дорівнює 1, в той час, як для напруги фази ТАІН цей крок складе 3, відповідно менше напруга помилки, яка відпрацьовується АФ при відносному значенні напруги його ДПС U=1.

Відповідно до імпульсів керування ключами ТАІН, які формуються шляхом порівняння заданої напруги u¹_ЗАД і модулюючої напруги трикутної форми u_ТР1 та u_ТР2 (які симетричні відносно нуля) визначається напруга фази відносно нульової точки БАІН

Напруга фази навантаження (а) .

При цьому значення |u¹_ЗАД| змінюється в межах від 0 до 2 (див. рис.4.134). Слід зазначити, що результуючі напруги у фазах навантаження, що утворюються трьома АФ фаз БАІН можуть приймати відносні значення 0, 1/3, 2/3, 1, 4/3. Це виключає відпрацьовування u¹_ЗАД без помилки і обумовлює наявність першої гармоніки вихідної напруги АФ u₁₍₁₎. При цьому АФ беруть участь в передачі енергії між БАІН і навантаженням. Таким чином, використовування активного фільтру без ДПС неможливо, причому фаза u₁₍₁₎ і, відповідно, напрям передачі енергії може змінюватися. При цьому ДПС повинне мати двобічну провідність, однак його потужність в порівнянні з ТАІН незначна.

Осцилограми напруги в схемі БАІН з активним фільтром при частоті вихідної напруги 50 Гц приведені на рис.4.134. При цьому частота модуляції для ТАІН становить 1050Гц. Коефіцієнт гармонік для u_ФПР THD=27% (з урахуванням порядку гармонік до 200 THD₂₀₀=25.7%), для u_ФН THD=15% (THD₂₀₀=11.4%). Таким чином, маємо суттєве покращення гармонійного складу напруги БАІН з АФ. Проте внаслідок неможливості відпрацьовування u¹_ЗАД без похибки в кривій u_ФH присутні короткочасні викиди, які достатньо просто відфільтрувати.

Схема БАІН на базі ТАІН з РК, що вмикається у вихідних фазах така ж, як і з АФ. Різниця у відсутності ДПС для АІН, що використовується в якості РК. Використання АІН в режимі РК можливо, якщо його активна потужність, що визначається першою гармонікою напруги (U₁₍₁₎) Р₁=0. Для цього необхідно забезпечити попереднє заряджання конденсатора РК (без додаткового устаткування може здійснюватися лише через ключі АІН при обмеженому струмі) і стабілізацію напруги конденсатора РК. Для стабілізації напруги слід передбачити можливість коригування напруги на конденсаторі РК (збільшення або зменшення), що досягається, якщо напруга U₁₍₁₎ може приймати як позитивну, так і негативну полярності.

Активна потужність передається ТАІН і визначається першою гармонікою його вихідної напруги. Це обмежує можливості БАІН за вихідною напругою. Так у даному випадку А_МАХ≤3.69 (у аналогічній схемі гібридного БАІН п.4.3.8 А_МАХ=4.6). Дещо погіршується і гармонійний склад напруги БАІН.

Як і в аналогічній схемі гібридного БАІН, доцільно використовувати квантування напруги завдання (u_ЗАД) за рівнем при модуляції 3-ю та 9-ю гармоніками. Алгоритм реалізації такий же. Амплітуди модулюючих гармонік визначаються за умови що напругаU₁₍₁₎ наближена до нуля.

Для стабілізації напруги РК можна використати релейний принцип регулювання із зворотним зв'язком за напругою конденсатора РК (u_C). Релейний регулятор (для кожної фази БАІН) порівнює фактичне значення напругиu_C із заданим і при перевищенні порогуΔUздійснює зміну значеньА₃іА₉відповідно до залежностейА_3Р(А),А_9P(А)іА_3N(А), А_9N(А). Вони розраховуються за умовиU_1m(1)=±(0.03-0.05), тобто кожномуАвідповідають дві комбінаціїА₃іА₉, що дозволяє зменшувати (приU_1m(1)>0 конденсатор розряджається) або збільшуватиu_C(приU_1m(1)<0 конденсатор заряджається).

Визначальну роль виконує значення А₉, тоді як дляА₃можна прийняти умовуА₃=0.15А(«плоска» вершинаu_ЗАДприА₉=0), що дозволяє отримати максимальне значенняА≤3.7. У ряді випадків є декілька рішень, тоді слід розглянути задачу оптимізації гармонійного складу – підібрати значенняА₉з умови мінімуму THD або зваженого коефіцієнта гармонік.

Розглянемо варіант реалізації попереднього заряду конденсаторів РК, що не передбачає додаткового устаткування і змінювання схеми БАІН. При цьому плече ТАІН працює в режимі понижуючого перетворювача постійної напруги з ШІМ. Його напруга U_CP(t)=γU₃ (γ=аt) при цьому має характер імпульсів з амплітудою U₃ (рис.4.135), швидкість зміни струму заряду конденсаторів і_З обмежує індуктивність навантаження. При лінійному законі зростання напруги на конденсаторах, середнє значення струму і_З буде постійним і дорівнює (С_Е – еквівалентна ємність конденсаторів). Дві фази (в і с) навантаження з АІН (РК), в яких включені відповідні напрямку струму заряджання конденсаторів ключі, з’єднані між собою паралельно і послідовно з третьою фазою а. При цьому струм заряджання і_З послідовно включеного конденсатору (фази а) в два рази більше струму конденсаторів, які з’єднані паралельно, швидкість зростання їх напруги вдвічі більше. Прирощення струму і_З для t_И=γТ_М: . Задаючи час заряджання можна обмежити середнє значення струмуІ_ЗСР, розмах коливань струму і_З обмежується вибором частоти ШІМ f_M.

Осцилограми напруги в схемі БАІН на базі ТАІН з РК при частоті вихідної напруги 50 Гц і А=3.45 приведені на рис.4.136. При цьому коефіцієнт гармонік для u_ФН THD=8.8% (THD₂₀₀=8.16%).

При порівнянні схем БАІН на базі ТАІН з АФ та РК перевагу слід віддати схемі з РК, оскільки не потребується додаткових ДПС, коефіцієнт гармонік напруги суттєво зменшується. Важливим також є те, що частота перемикань ключів ТАІН суттєво зменшується, так для випадку на рис.4.136 у напівхвилі напруги плеча ТАІН u_А0 маємо три імпульси (із зниженням А їх кількість збільшується до 5). Це забезпечує зменшення втрат енергії в ключах ТАІН, що мають більшу напругу.

Можливості використання АФ в каскадних схемах БАІН.

При використанні багаторівневої ШІМ у каскадних схемах БАІН для забезпечення для u_ФН THD на рівні 8% згідно п.4.3.2.4 необхідно мати 6 АІН на фазу (А=6). Це з урахуванням їх ДПС значно ускладнює схему БАІН.

Розглянемо можливість зменшення кількості АІН до трьох. При U_ВИХ=6 кВ необхідно використовувати IGBT класу 3.3 кВ (замість 1.7 кВ при 6 АІН на фазу). Для порівняння приведемо дані по енергії перемикання для існуючих IGBT (виготівники «Semikron» і «АВВ») класів 1.2, 1.7 і 3.3 кВ [5,6] :

- SKM800GA126D, E_on=65mДж, E_off=95mДж при U_CC=600 B и I_C=600A;

- SKM800GA176D, E_on=335mДж, E_off=245mДж при U_CC=1200 B и I_C=600A;

- 5SNA0800N330100, E_on=1Дж, E_off=880mДж при U_CC=1800 B и I_C=800A.

Як бачимо, втрати енергії перемикання із збільшенням напруги зростають в три і більше разів. Таким чином, перехід на IGBT класу 3.3 кВ передбачає зниження частоти модуляції f_М. При зменшенні кількості АІН і зниженні f_М отримати потрібне значення THD для напруги БАІН неможливо.

Розглянемо вирішення питання з використанням АФ на напругу, що втричі менша напруги інших АІН. Таким чином маємо, у фазі БАІН чотири АІН при кратності напруги їх ДПС 3:3:3:1.

При використанні АІН1 з напругою ДПС U як АФ енергія передається в навантаження тільки АІН3 з напругою ДПС 3U. При цьому гранична кількість рівнів у напівхвилі вихідної напруги складе k=9 і гранична відносна амплітуда напруги фази БАІН (щодо значення U) з урахуванням модуляції напруги завдання 3-ю гармонікою А_МАХ=1.15k=10.35. При вихідній напрузі 6 кВ амплітуда фазної напруги БАІН кВ. Значення U=U_Фm(1)/10.35=473В, 3U=1420В.

При використанні для АІН3 БШІМ зсув модулюючої напруги для АІН однієї фази БАІН складає (n – кількість АІН3). Для покращення гармонійного складу напруги при низькій частоті модуляції доцільно використовувати зсув модулюючої напруги для АІН3 різних фаз БАІН який складає . Задана синусоїдальна напруга фази БАІН відпрацьовується трьома АІН3 (для кожного з них напруга завдання однакова ). Напруга завдання для АІН1 фази БАІН визначається як напруга помилки .

При однополярній модуляції напруга однофазного мостового АІН3 (див.п.4.2.2.2) може бути розрахована як (u_аN, u_bN –напруга на вихідних затисках АІН3 щодо негативного затиску ДПС). Відповідно до імпульсів керування ключами АІН3, які формуються шляхом порівняння заданого u³_ЗАД і модулюючої напруги трикутної форми u_ТР (яка симетрична щодо нуля) визначаються напруги:

Напруги фаз БАІН визначаються як сума напруги АІН3 у фазі . Напруга фази навантаження (а) .

Результати моделювання при f_M3=300 Гц і f_M1=3000 Гц приведені в табл.4.27 (значенню μ=1 відповідає А=9, U_1m(1)a, U_1m(1)b, U_1m(1)c – відносні амплітуди перших гармонік вихідної напруги АІН1 у фазах БАІН).

Таблиця 4.27

Показники схеми БАІН з активним силовим фільтром

μ	1.15	1.1	1	0.9	0.8	0.7	0.6	0.5	0.4	0.3	0.2	0.1
U1m(1)a,%	2.7	4.36	1.3	7.17	10.3	2.6	3.65	1.5	7.36	3.1	2.5	6.07
U1m(1)b,%	4.8	1.6	0.2	5.16	9.2	2.1	3.82	2.6	6.08	2.86	2.5	5.82
U1m(1)c,%	2.94	2.5	3.2	4.94	8.4	1.3	4.6	2.4	6.03	1.62	2.6	6.16
THD200,%	4.2	4.7	5.5	6.8	7.78	6.6	10.7	13	17	19.8	31.9	36.9

На рис.4.137 приведені осцилограми напруги фази навантаження u_ФН, u_ФПР, напруги завдання u¹_ЗАД и вихідної напруги АІН1 u₁ для μ=1.15.

Важливим моментом є те, що дане рішення забезпечує рівномірний спектр гармонік вихідної напруги фази навантаження і при цьому амплітуди вищих гармонік не перевищують 1% (рис.4.138).

Режим роботи АИН1 залежно від значення μ міняється при зміні напряму передачі енергії, що передбачає використання ДПС1 з двобічною провідністю. Якщо U_1m(1) обмежити значенням 10%, то при А_МАХ=10.35 з урахуванням того, що струми АІН1 і АІН3 однакові, потужність ДПС1 складе 0.1/10.35=0.0097 по відношенню до потужності БАІН (менше 1%). При цьому як ДПС можна використовувати однофазний активний випрямляч (див. п.5.1) на IGBT класу 1.2кВ.