5.1 Однофазный активный выпрямитель напряжения

Рассмотрим подробнее работу Однофазного мостового активного выпрямителя напряжения (рисунок 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, образующие совместно с транзисторами управляемые ключи (УК1,УК2, УК3 и УК4), обладающие двухсторонней проводимостью тока при наличии включающих сигналов управления. При отсутствии сигналов управления ключи обладают односторонней (обратной) проводимостью;

- буферного реактора (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 реализацией возможности двухсторонней передачи электрической энергии от питающей сети в нагрузку и обратно

Рисунок 32. Однофазная мостовая схема активного выпрямителя тока

Обозначения элементов схем, приведенных на рисунках 32 и 33:

u_a- источник напряжения переменного тока;

E_нг- источник напряжения постоянного тока;

VT1, VT2, VT3 и VT4- полностью управляемые полупроводниковые ключи;

VD1, VD2, VD3 и VD4- диоды;

БР- буферный реактор;

С- конденсатор;

Z_нг, R_нг, L_нг- полное, активное и индуктивное сопротивления цепи нагрузки;

Рисунок 33. Однофазная мостовая схема активного выпрямителя

напряжения

На рисунке 33 стрелками показано направление токов цепей преобразователя, соответствующие выпрямительному режиму работы силовой схемы. Вентильный блок содержит четыре полностью управляемых полупроводниковых ключа (УК1,УК2, УК3 и УК4). Напомним, что полностью управляемый полупроводниковый ключ- это транзистор и встречно – параллельно включенный диод. Так, УК1 –это VT1 и VD1 (смотри схему рисунок 33). Входное напряжение выпрямителя (напряжение на зажимах а-в (U_ав), 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 U_ав 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-в) через буферный реактор, Положительный импульс напряжения U_ав получается при одновременном 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 (U_ав) равно нулю. На выходе выпрямителя включен конденсатор С, фильтрующий напряжения цепи постоянного тока. Нагрузка представлена последовательно включенными комплексным сопротивлением Z_нг и источником противо-ЭДС Е_нг. Дискретные сигналы управления ключей силовой схемы формируются схемой управления.

Прицип работы схемы управления можно пояснить с помощью рисунка 34, на котором изображены пилообразное (опорное) напряжение u_оп, напряжение управления u_y1 (модулирующего напряжения) транзисторами одного плеча (или одной фазы трехфазной схемы) моста, а также функции состояния двух транзисторов этого плеча моста k_i1 и 1-k_i1. (например, ключей VT1-VD1 и VT4-VD4, соответственно), или фазы а трехфазного моста.

Рисунок 34. Опорное напряжение, напряжение управления и функции состояния транзисторов одного плеча моста АИН в режиме синусоидальной ШИМ

Если напряжения управления синусоидальны и их амплитуда не превышает амплитуду опорного напряжения, то считается, что преобразователь работает в режиме синусоидальной ШИМ. Такой принцип управления реализуется и трехфазных мостовых схемах.

В реальных установках, вследствие дискретности микропроцессорных устройств управления, напряжения управления имеют ступенчатую форму с «гладкими» составляющими, близкими по форме к синусоиде. Длительность цикла работы микропроцессорных систем управления Δt_y во многих случаях принимается равной периоду T_оп пилообразного напряжения. В пределах этого периода напряжения управления всех фаз неизменны. Временные диаграммы, приведенные на рисунке 34, построены с учетом этой особенности систем.

В моменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов. Существует минимально допустимое время переключения транзисторов, которое несколько сужает активную зону опорного напряжения (участвующую в формировании импульсов управления) на величину Du_оп сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения принять равной 1, то в соответствии с рисунком 34 активная зона напряжений управления находится в пределах от(–1+Δu_оп) до (1–Δu_оп).

Если напряжение управления какой-либо фазы находится в активной зоне пилообразного напряжения, то в течение периода T_оп 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 напряжения, 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 рисунке 35 изображены опорное напряжение u_оп и напряжение управления u_y1 одной фазы при выходе напряжения управления на некоторых отрезках времени за пределы активной зоны опорного напряжения (ограниченной пунктирными линиями). В рассматриваемом случае АИН работает в режиме перемодуляции.

Рисунок 35. Опорное напряжение и напряжения управления АИН в режиме перемодуляции

На тех отрезках времени (рисунок 35), 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+Δu_оп или 1–Δu_оп. При этом, как изображено на рисунке 35, фактическое напряжение управления u_оy1 приближается по форме к трапеции.

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 u_y1 трапецеидальное напряжение u_оy1 приближается к прямоугольной форме. АИН переходит в режим работы при фазной коммутации.

При уменьшении амплитуды модулирующего сигнала величина входного тока уменьшается, а изменение начальной фазы модулирующего сигнала по отношению к напряжению сети переменного тока можно обеспечить коэффициент сдвига по основной гармоники равным единице, либо другого требуемого значения, как индуктивного, так и емкостного.

Высшие гармоники кривой входного тока фильтруются с помощью индуктивности буферных реакторов. При этом эффективность работы фильтра зависит от величины несущей частоты, с которой переключаются транзисторы. В 70-х годах прошлого века известный ученый Маевский О.А. 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 активным выпрямителем тока осуществляется при меньшем значении индуктивности буферных реакторов.

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.