8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока

8.5.1. Инвертирование

Создание мощных высокочастотных, полностью управляемых ключей позволило решить проблему разработки преобразователей переменного и постоянного тока посредством использования ШИМ. Наиболее полно преимущества преобразователей переменного и постоянного тока с ШИМ проявляются в режимах инвертирования.

Традиционно в качестве основной схемы этого вида преобразователей, исполь­зуемых в режимах инвертирования, применялась схема со сглаживающим реакто­ром на стороне постоянного тока, который является характерным признаком инверторов тока. Как уже отмечалось, без применения ШИМ токи фаз в преобразователе имеют форму, приближающуюся к прямоуголь­ной при больших значениях индуктивности реактора L_d на стороне постоянного тока. Поступление несинусоидального тока в сеть может приводить к недопустимым искажениям напряжения сети. В связи с высоким уровнем гармоник в низко-частотном диапазоне частотного спектра импульсов токов прямоугольной формы для их фильтрации необходимо использовать громоздкие фильтры. Синусоидальная ШИМ фазных токов позволяет существенно уменьшить установленную мощность выходных фильтров преобразователей переменного/постоянного тока с характерными свойствами инверторов тока.

Если преобразователь выполнен на основе схемы инвертора напряжения, то он не может работать без выходного индуктивного фильтра совместно с сетью переменного тока в режиме инвертирования. Причиной этого является периодическое соединение в процессе коммутации цепей источников постоянного и переменного тока, имеющих разные напряжения. В инверторах тока эти цепи разделяются реактором на стороне постоянного тока, индуктивность которого ограничивает скорость изменения тока в цепях, объединяющих эти источники. В преобразователях, выполненных на основе схем инверторов напряжения, ограничение скорости токов достигается посредством включения реакторов на стороне переменного тока. В автономных инверторах эти реакторы являются элементами выходных фильтров, сглаживающих пульсации выходных напряжений, обусловленные ШИМ на повышенной частоте. В рассматриваемых преобразователях они используются для сглаживания пульсаций токов, создаваемых разностью мгновенных значений напряжений источника постоянного тока и сети. Повышенные частоты модуляции позволяют решать указанные задачи подключением реакторов с малой индуктивностью. В инверторах без синусоидальной ШИМ такое решение потребовало бы использования реакторов большой индуктивности, существенно ухудшающих технико-экономические показатели преобразователя.

Рассмотрим более подробно основные характеристики преобразователей переменного/постоянного тока, выполненных на базе схем со свойствами инверторов тока и инверторов напряжения. В качестве примеров сравним схемы однофазных преобразователей (рис. 8.17), процессы в которых подобны процессам, протекающим в каждой из фаз трехфазных преобразователей. Как отмечалось ранее, преобразователи переменного и постоянного тока разрабатываются преимущественно на средние и большие мощности в трехфазном исполнении для использования в электроэнергетике.

Преобразователи со свойствами инвертора тока (рис. 8.17, а). Для фильтрации высших гармоник инвертируемого тока i_н, обусловленных его модуляцией на повышенной частоте, на стороне переменного тока преобразователя включен «легкий» L_фС_ф- фильтр, подключенный конденсатором непосредственно к преобразовательному мосту. После фильтрации инвертируемый ток поступает в сеть напряжением U_c. На рис. 8.17, б показаны диаграммы напряжения сети и инвертируемого тока i_H до его фильтрации.

а

б

в

Рис. 8.17 (начало). Работа преобразователя переменного/постоянного тока в режиме инвертирования: а — схема со свойствами инвертора тока; б — диаграммы напряжения сети U_c и инвертированного тока i_и1; в — структурная схема связи выходного тока i_и1 и индекса модуляции Ма

Рис. 8.17 (окончание). Работа преобразователя переменного/постоянного тока в режиме инвертирования: г — схема со свойствами инвертора напряжения; д — диаграммы напряжения сети U_c и преобразователя напряжения U_и; е — структурная схема связи выходного тока i_и1 и индекса модуляции М_а; К₁, К₂ — коэффициенты

Ток, поступающий в сеть после фильтрации, равен току реактора i_L, амплитуда п-й гармоники которого в соответствии с формулой (8.12)

•(8.14)

Из формулы (8.12) видно, что высшие гармоники тока с частотами 𝜔_n > 𝜔₁ могут быть отфильтрованы конденсатором фильтра С_ф при малых значениях индуктивности L_ф. Это становится возможным благодаря тому, что основные функции сглаживания тока между источниками переменного и постоянного тока, имеющими разные значения напряжения, выполняет реактор, включенный на стороне постоянного тока, индуктивность которого L_d достаточно велика. По этой причине в преобра­зователе со свойствами инвертора тока сравнительно просто обеспечить защиту ключей в аварийных режимах, например при возникновении КЗ на стороне пере­менного тока. Схема эффективно работает с индуктивными накопителями элект­роэнергии. Недостатком схемы является инерционность процессов, связанных с изменением тока в реакторе большой индуктивности. На рис. 8.17, в показана упрощенная структурная схема связи индекса модуляции ΔМ_а с током основной гармоники Δi_н. Эти связи показаны для малых отклонений указанных параметров. Динамические характеристики преобразователя будут определяться значением индуктивности L_d, представленной на рис. 8.17, в в виде интеграль­ного звена в операторной форме. Влияние L_фС_ф -фильтра на динамические харак­теристики существенно меньше, чем индуктивности L_d, и в структурной схеме не показано.

Преобразователь со свойствами инвертора напряжения (рис. 8.17, г).

В этой схеме реактор фильтра L_ф является основным элементом, сглаживающим ток, обусловленный разностью модулированного напряжения преобразователя U_ab (рис. 8.17, д) и напряжения сети переменного тока. При мощности источника сети, значительно превышающей мощность преобразователя, высшие гармоники тока преобразователя (8.13) (без учета первой) могут быть приближенно представлены следующим гармоническим рядом:

^, (8.15)

где U_Hn — амплитуда п-й гармоники напряжения инвертора.

В отличие от преобразователя со свойствами инвертора тока, в рассматривае­мой схеме уровень высших гармоник определяется индуктивностью фильтра L_ф. Это вызывает необходимость повышать ее значение по сравнению со значением индуктивности выходного фильтра в инверторе тока. В то же время из-за повы­шенных частот модуляции индуктивность L_ф в этой схеме значительно меньше индуктивности L_d в схеме на рис. 8.17, а. Поэтому процессы при управлении выходным током будут менее инерционными. Структурная схема, отражающая динамические характеристики преобразователя при управлении током i_н1, пред­ставлена на рис. 8.17, е. Быстродействие преобразователя со свойствами инвер­тора напряжения часто является определяющим при сравнении с преобразовате­лем со свойствами инвертора тока.

В заключение краткого сравнения преобразователей можно сделать вывод о том, что обе схемы благодаря применению полностью управляемых ключей и принципов широтно-импульсной модуляции будут успешно работать совместно с сетью переменного тока в четырех квадрантах комплексной плоскости. Более подробно работа преобразователей в выпрямительном режиме рассматривается ниже.