9. Преобразователи с сетевой коммутацией

9.1. Общие сведения

Классификация преобразователей. Основными силовыми электронными уст­ройствами являются преобразователи, осуществляющие преобразование электро­энергии, т. е. изменение одного или нескольких ее параметров посредством элект­ронных силовых приборов, без существенных потерь мощности (МЭК 551-11-02). Такими параметрами обычно являются напряжение, частота, число фаз и т. п. Силовые преобразователи подразделяются на следующие типы [5]:

• преобразователи переменного/постоянного тока [преобразующие перемен­ный ток в постоянный (и) или наоборот];

• преобразователи переменного тока (преобразующие переменный ток в пере­менный);

• преобразователи постоянного тока (преобразующие постоянный ток в посто­янный).

• Среди преобразователей первого типа [5] различают:

• преобразователи с преобладанием свойств источника напряжения (с низким полным внутренним сопротивлением для гармоник тока на стороне постоянного тока, которое обеспечивается, например, подключением конденсатора параллельно шинам постоянного тока);

• преобразователи с преобладанием свойств источника тока (имеющие высо­кое полное сопротивление для гармоник тока и сглаженный ток на стороне посто­янного тока, который обеспечивается, например, последовательно включенным с главной цепью постоянного тока реактором).

Ранее подобная терминология относилась в основном к инверторам тока и инверторам напряжения.

К преобразователям переменного/постоянного тока относятся выпрямители — преобразователи переменного тока в постоянный и инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный, а также обратимые преобразователи, сочетающие те и другие преобразователи.

В связи с расширением использования многозвенных преобразователей в нор­мативных документах [9] приведены термины «прямой и непрямой преобразова­тели», которые относятся ко всем видам преобразователей (рис. 9.1). Прямые пре­образователи широко применялись в первые годы их разработки, но из-за узкого спектра регулирования и диапазона частот расположенного ниже 50 Гц применение этих пре­образователи в настоящее время ограничено. Прямые пре­образователи осуществляют непосредственное (без промежуточных звеньев) преобразование электроэнергии внешнего источника в электроэнергию с буе­мыми параметрами. Непрямые преобразователи содержат промежуточные звенья преобразователей переменного или постоянного тока. Классическим примером непрямого преобразователя, получившего широкое распространение в системах электропитания различных аппаратов, является преобразователь, состоящий из трех основных звеньев: выпрямителя с бестрансформаторным входом, инвертора повы­шенной частоты с трансформаторным выходом и выходным выпрямителем, преоб­разующим напряжение повышенной частоты в напряжение постоянного тока. Непрямые преобразователи имеют меньшие удельные массогабаритные показатели по сравнению с традиционными выпрямителями напряжения сети с трансформато­ром на входе.

Рис. 9.1. Классификация основных схем электронных силовых преобразователей

По основным выполняемым функциям некоторые виды силовых электронных преобразователей обычно относят к электронным силовым регуляторам и (или) силовым электронным прерывателям. В МЭК 551-13 дано определение регуля­тора переменного тока как прямого преобразователя переменного напряжения, а также определения прерывателей переменного и постоянного тока, осуществля­ющих включение и выключение электрической цепи. По существу к регуляторам следует отнести прямые преобразователи, основной функцией которых является регулирование параметров сети: напряжения, тока и пр. — при различных возму­щениях.

Важными классификационными признаками, отражающими принцип действия преобразователя, а следовательно, и его функциональные возможности, являются вид используемых силовых ключей и способы их коммутации. Все силовые электрон­ные ключи можно подразделить на не полностью управляемые и полностью управляемые.

К первой группе ключей относятся диоды, управляемость которых ограничива­ется включением под воздействием прямого напряжения, и обычные, традицион­ные тиристоры. Ко второй группе ключей относятся все электронные ключи, включение и выключение которых осуществляется подачей на их управляющий вход токов или напряжений.

Электронные ключи различаются способами коммутации. Коммутацией в элек­тронном преобразователе принято называть переход тока с одного или нескольких одновременно проводящих ключей на другой ключ в течение конечного интервала времени, когда выключаемый и включаемый ключи одновременно находятся в проводящем состоянии. Коммутация диодов возможна под воздействием перемен­ного напряжения, например электрической сети. Для тиристоров такая коммута­ция также обеспечивается в результате изменения полярности напряжения внеш­него источника. Поэтому преобразователи с силовыми ключами первой группы называются преобразователями с сетевой коммутацией (МЭК 551-16-12). Этот термин достаточно полно отражает основные принципы действия отдельных видов преобразователей. К таким преобразователям может быть отнесено боль­шое количество типов устройств, приведенных на рис. 9.1.

Иногда преобразователи классифицируются по следующим признакам:

• номинальной мощности (малой, средней, большой);

• рабочим напряжению и токам (низкого или высокого напряжения, малых и больших токов);

• значениям частоты входного или выходного напряжения (низкочастотные, высокочастотные);

• числу фаз (однофазные, трехфазные, многофазные);

• модульному принципу исполнения (многоячейковое, многоуровневое и др.);

• способам коммутации тиристоров (с конденсаторной коммутацией, комму­тацией LC-контуром, коммутацией под воздействием резонансных процессов в нагрузке и др.);

• наличию резонансных цепей для снижения коммутационных потерь (квази­резонансные преобразователи постоянного тока и др.);

• способам регулирования (по входу, изменением алгоритма управления сило­выми ключами, по выходу и др.).

Основные параметры и характеристики преобразователей. Электриче­скими параметрами входных и выходных силовых цепей преобразователей элек­тротехнических устройств (источников и потребителей электроэнергии) являются:

• ток (число фаз и частота для переменного тока);

• номинальные действующие значения тока и напряжения (для переменного тока) и средние значения (для постоянного тока);

• диапазон регулирования выходного напряжения (тока);

• номинальные значения полной или активной мощности для переменного тока, а также коэффициент мощности cosφ для основных гармоник тока и напря­жения в номинальном режиме;

• номинальное значение активной мощности для постоянного тока, определя­емое как произведение номинальных средних значений тока и напряжения;

• коэффициент полезного действия η_ном в номинальном режиме работы;

• отклонения основных параметров в динамических режимах при изменениях напряжения внешнего источника электропитания или нагрузки, а также устано­вившиеся значения этих отклонений после завершения переходных процессов.

Механические и другие неэлектрические характеристики приводятся отдельно в соответствии с утвержденными стандартами конкретных типов преобразователей.

Силовые электронные преобразователи в отличие от других электротехниче­ских устройств, например электромашинных преобразователей, выполняются на основе нелинейных электронных ключей, работающих в импульсных режимах. Это приводит к искажению токов и напряжения в силовых цепях преобразователя. Например, во входных цепях преобразователей переменного тока форма тока существенно отличается от синусоидальной, а выходное напряжение выпрямителя кроме постоянной составляющей содержит переменное напряжение несинусои­дальной формы. Это напряжение назывют пульсацией. Для учета этих факторов используют дополнительные характеристики преобразователей электроэнергии, к которым относятся, прежде всего, показатели несинусоидальности переменного тока, а сле­довательно, мощности на стороне сетевого входа преобразователя и пульсаций на стороне постоянного тока.

Несинусоидальность переменного тока. Предположим, что напряжение сети u_ф(ϑ) имеет синусоидальную форму, а ток i_ф(ϑ) однофазного преобразователя переменного тока, подключенного к этой сети, является несинусоидальным, не содержит постоянной составляющей и основная гармоника отстает от напряжения u_ф(ϑ) на угол φ₁. Разложение этого тока в гармонический ряд может быть пред­ставлено суммой гармонических составляющих (9.1):

, (9.1)

где I_mn — амплитуда n-й гармонической составляющей тока; φ_n — угол фазового сдвига между гармоническими составляющими тока и напряжения.

Не синусоидальность тока характеризует коэффициент гармоник (коэффициент искажения) тока (9.2):

^, (9.2)

где I_n — действующее значение n-й гармонической составляющей тока.

Коэффициент гармоник напряжения применяется аналогично — заменой в (9.2) гармонических составляющих тока на гармонические составляющие напряжения. Количество учитываемых высших гармоник тока (напряжения) определяется стан­дартами.

Мощность искажения. Теоретическому анализу мощности искажения посвя­щено большое количество научных работ [6]. Результаты большинства из них не получили широкого практического применения. Рассмотрим основные определе­ния мощности.

Мощности в линейных цепях переменного тока. Предположим, что в линейной цепи, состоящей из активного сопротивления R и индуктивности L, напряжение и и ток i изменяются с частотой/по синусоидальному закону. В этом случае мгновенная тепловая мощность р = ui изменяется с двойной частотой 2f и характеризует скорость преобразования электрической энергии в другие виды энергии. При этом часть энергии переходит в тепловую энергию (например, если в электрической цепи содержится резистор). Другая составляющая энергии перио­дически накапливается в индуктивной составляющей нагрузки, затем возвраща­ется во внешний источник электроэнергии за вычетом потерь в активном сопро­тивлении всей замкнутой цепи, включая источник. Эту составляющую мощности называют реактивной или обменной, а сопротивление накопительного элемента энергии — реактивным. Конденсаторы могут создавать реактивное сопротивле­ние и другие накопительные элементы.

Средняя мощность за период, называемая также активной, характеризует сред­нюю скорость преобразования электрической энергии в другой вид энергии (в рас­сматриваемом случае в тепловую) и определяется по формуле(9.3):

(9.3)

где T= 1/ f.

Активная Р и реактивная Q мощности в цепи синусоидального тока соответ­ственно равны (9.4) при выражении их через действующие значения напряжения и тока RL-цепи:

P = UIcosφ ;

Q = UIsinφ , (9.4)

где φ = arctg ωL/R.

Согласно (9.4) полная (кажущаяся) мощность S может быть определена соотно­шением (9.5);

S = UI = JP² + Q^{2 .} (9.5)

или с учетом (9.4) представлена в векторной форме в виде треугольника мощностей.

Возникновение несинусоидальности тока или напряжения существенно изме­няет связь полной мощности с другими ее составляющими. Несинусоидальность тока и напряжения также вносят искажения в их форму а также увеличивают потери мощности. Рассмотрим наиболее распространенный случай, когда входной ток преобразователя имеет несинусоидальную форму, а напряжение сети синусоидально. Среднюю мощность за период, согласно (9.6), можно определить

,

(9.6)

где U_m — амплитуда напряжения сети.

В (9.6) все произведения u(t)i_n(t) = 0 при п 1. В результате выражение (9.7) имеет вид

, (9.7)

где U и I₁ — действующие значения напряжения и первой гармоники тока с часто­той 𝜔; φ₁ — угол сдвига напряжения и первой гармоники тока; cos φ₁ — коэффи­циент мощности, определяемый первой гармоникой тока.

Так как напряжение считается синусоидальным, то реактивная мощность, опре­деляемая высшими гармониками, также будет равна нулю, а реактивная мощность основной гармоники Q, согласно (9.4), равна Q = UI₁ cos φ₁ Баланс мощностей в этом случае можно записать в виде неравенства (9.8):

. (9.8)

Из формулы (9.8) видно, что полная мощность S превышает мощность суммы активной и реактивной мощностей первой гармоники, как это имеет место согласно (9.5) в цепи с синусоидальным, неискаженным током. Баланс мощностей может быть восстановлен введением мощности искажения D определяемой в следующем виде (9.9):

^, ( 9.9)

где S₁ — полная мощность синусоидального напряжения и первой гармоники тока.

Следует отметить, что мощность искажения D имеет неактивный характер, так же как и реактивная мощность Q, т.е. интеграл мощности искажения за период повторяемости равен нулю, так же как и реактивной. В этом случае ее можно рас­смотреть как обменную мощность между нелинейной нагрузкой и источником питания.

С учетом выражения (9.8) при несинусоидальном токе и синусоидальном напряжении для оценки мощности используют следующие соотношения:

, (9.10)

где χ — коэффициент мощности; Р — активная мощность; S — полная мощность; v — коэффициент искажения тока, .

В качестве одного из показателей несинусоидальности используется коэффици­ент амплитуды, определяемый отношением максимального значения напряжения или тока U_m (I_m) их действующему значению U(I).

Пульсации напряжения и тока в электрических системах на постоянном токе. В силовой электронике основными источниками напряжения постоянного тока являются выпрямители. Периодическое переключение силовых электронных клю­чей в выпрямителях приводит к формированию на стороне постоянного тока выпрямителя напряжения u_d(ϑ) которое можно определить по формуле

, (9.11)

где U_d — постоянная составляющая выпрямленного напряжения, определяемая как среднее значение выпрямленного напряжения за период повторяемости T.

, (9.12)

где u_d (ϑ) - переменная составляющая напряжения на стороне постоянного тока.

Если допустить, что процессы выпрямления идеальны, то переменная составля­ющая u_п (9.13) может быть представлена каноническим рядом гармоник переменного тока:

, (9.13)

где параметры ряда зависят от схемы и условий работы выпрямителя.

На практике величину переменной составляющей стараются минимизировать различными способами, например электрическими фильтрами. В то же время среднее значение U_d является одной из основных электрических характеристик выпрямителя. Для оценки уровня переменной составляющей в выпрямленном напряжении используют значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения (или коэффициент пульсаций напряжения в цепи постоянного тока). Существуют различные методы определения коэффициента пульсаций К_п, использование которых зависит от требований к качеству выпрямленного напря­жения

Кроме того, в технической документации могут быть указаны уровни подавле­ния отдельных гармонических составляющих.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите схемные решения для преобразователей частоты.

2. Приведите классификацию инверторов.

3. Поясните принцип работы инвертора с прямым цифровым управлением.

4. Поясните работу схемы нереверсивного импульсного преобразователя.

5. Назовите факторы, определяющие частоту инвертора с самовозбуждением.

6. Поясните по схеме Ларионова суть широтно-импульсной модуляции.