Современные направления электроники (стр. 2 из 3)

Рис.2 Система ДПЭ с ШИМ - выпрямителем

Функциональным назначением ШИМ - выпрямителя является:

обеспечение высокого значения входного коэффициента мощности (0.99) в широком диапазоне изменения нагрузки, т.е. выполнение функции ККМ;

регулирование напряжения постоянного тока на шинах питания инвертора;

управление входной мощностью за счет возможности ограничения входного тока;

обеспечение двунаправленной передачи энергии - рекуперации энергии, что улучшает энергетические и динамические свойства преобразователя.

Метод управления ШИМ - выпрямителем сводится к раздельному управлению входным током и выходным напряжением. Эти функции реализуются за счет синусоидального закона ШИМ управления транзисторами преобразователя с частотой коммутации 7,5 - 15 кГц, обеспечивая практически синусоидальную форму входного тока, совпадающую по фазе с входным напряжением.

Уравнитель напряжений (УН) на шинах постоянного тока питания инвертора выполнен на двух IGBT - транзисторах VT3, VT4 и индуктивности L2, подключенной к средней точке накопительных емкостей C1, C2. Он представляет собой устройство, обеспечивающее балансировку дифференциального напряжения постоянного тока. Симметрирование напряжения шин постоянного тока питания инвертора необходимо для исключения постоянной составляющей напряжения питания инвертора. Кроме того, уравнитель уменьшает пульсации тока в накопительных конденсаторах.

Трехфазный ШИМ - инвертор аналогичен мостовому инвертору в структуре с бустером и имеет на выходе LC -фильтр, выделяющий основную гармонику 50 Гц выходного напряжения инвертора.

К недостаткам преобразователей с ШИМ - выпрямителем можно отнести:

большое количество силовых IGBT-транзисторов и возможность возникновение на закрытых транзисторах значительных импульсных перенапряжений;

сложная схема управления транзисторами ШИМ - выпрямителя, требующая информации не только о величине токов и напряжений, но и их фазовом сдвиге.

наличие электролитических конденсаторов большой емкости и высоким рабочим напряжением.

Анализ ШИМ - выпрямителей нашел отражение в ряде работ [11-14], однако методы его расчета и выбор оптимального алгоритма управления транзисторами требуют дальнейшего исследования.

Активные фильтры гармоник

Активные фильтры гармоник (АФГ) предназначены для обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого от первичного источника при нелинейной нагрузке [3, 7]. Таковой нагрузкой может быть преобразователь с неуправляемым или управляемым выпрямителем. АФГ анализирует гармонический состав тока на входе преобразователя и генерирует в точке его подключения высшие гармоники тока в противофазе с высшими гармониками входного тока преобразователя. В результате высшие гармоники компенсируются (нейтрализуются) и ток в общей цепи (потребляемый от источника) сохраняет синусоидальную форму (рис.3). Конфигурация силовой цепи АФГ подобна ШИМ - выпрямителю, однако алгоритм его управления отличен. Это определяется необходимостью генерирования только высокочастотных составляющих тока для компенсации реактивной мощности и мощности искажения тока в нелинейной цепи.

Рис.3 Структурная схема системы ДПЭ с АФГБ.

На рисунке 4 приведена схема силового каскада одного плеча трехфазного АФГ, имеющая подключение средней точки емкостной цепи С2, С3 к нейтральному проводу источника. Такая структура позволяет компенсировать высшие гармоники тока при несимметричной трехфазной системе. Управление IGBT - транзисторами осуществляется по определенному алгоритму в результате мониторинга токов нагрузки и цепи компенсации. Анализ токов происходит с дискретностью 256 измерений за период основной гармоники [10]. Вычисления производятся DSP - контроллером в течение каждого периода и затем сформированный сигнал коррекции воздействует на систему управления ШИМ транзисторов инвертора. Таким образом, процесс управления происходит с задержкой на один период основной частоты, что может создавать проблемы при динамических режимах.

Рис.4 Силовая цепь одного плеча АФГ

1. Блок распознавания высших гармоник,

2. Блок формирования сигналов управления,

3. Драйвер IGBT -транзисторов.

Особенностью АФГ является то, что от него не требуется выдавать активную мощность для компенсации высших гармоник. Значения емкости цепи постоянного тока и индуктивности входного фильтра выбираются исходя из существующих реактивной мощности и мощности искажения высших гармоник, которые должны быть скомпенсированы. Входной фильтр АФГ содержит относительно большую индуктивность L1 для преобразования напряжения на выходе инвертора в токовую последовательность компенсации высших гармоник. Емкость С1 и индуктивность L2 предназначены для сглаживания пульсаций на высоких частотах. Желаемая форма тока получается за счет определенного закона управления IGBT - транзисторами инвертора. Чем выше порядок компенсируемой гармоники тока, тем выше должно быть значение. Чем выше значение индуктивности L1, тем лучше изоляция от первичного источника силовой цепи АФГ и лучше защита от переходных возмущений, но тем труднее обеспечить высокие значения . Таким образом, индуктивность входного фильтра ограничивает возможности АФГ компенсировать гармоники высшего порядка.

АФГ является адаптивным устройством подавления высших гармоник, получивший также название активного кондиционера гармоник [33].

Вопросам стратегии управления, топологии АФГ, выбора токового диапазона, частоты переключения силовых транзисторов и т.д. посвящено значительное количество публикаций [7, 10, 29, 33-39]. Тем не менее, не исследовано влияние величины индуктивностей входного фильтра и емкости в Будем различать гибридные системы по месту подключения АФГ:

на входе системы для решения проблемы ЭМС с сетью и повышения входного коэффициента мощности системы;

на выходе системы для решения вопроса ЭМС с нагрузкой и повышения выходного коэффициента мощности системы.

силовой структуре АФГ на статические и динамические характеристики системы. Остаются не решенными вопросы оптимального алгоритма управления силовыми транзисторами АФГ и т.д.

Гибридные структуры преобразователей

Появление гибридных структур преобразователей переменного тока обусловлено рядом причин. Первая причина - решение проблемы ЭМС по отношению к первичным источникам энергии при использовании преобразователей с неуправляемыми выпрямителями. Вторая причина - увеличение входного коэффициента мощности системы с двойным преобразованием энергии. Третья причина - обеспечение ЭМС преобразователя по отношению нагрузки при использовании низкочастотного коммутатора (НЧК) - трехфазного инвертора, работающего с 120-градусной коммутацией.

Гибридные структуры основаны на параллельной работе системы ДПЭ и АФГ.

В первом случае решается задача обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого от первичного источника. Такие гибридные структуры преобразователей можно разделить на два класса:

с независимым (автономным) АФГ, описанным выше в разделе <Активные фильтры гармоник> [3];

с зависимым (встраиваемым) АФГ, используемым в последнее время в источниках бесперебойного питания с бустером [41].

На рисунке 5 приведена схема гибридного преобразователя с зависимым АФГ. Такая структура отличается от системы ДПЭ с бустером (рис.1) тем, что параллельно входу выпрямителя VS1, VS2 подключены однофазные преобразователи АФГ, выполняющие функции однофазного ККМ в каждой фазе трехфазной системы ДПЭ (на рисунке условно изображена одна фаза АФГ и выпрямителя). Однофазный каскад АФГ выполнен по дифференциальной схеме на диодах VD1, VD2, транзисторах VT1, VT2 и емкостях С1, С2. Особенностью такой системы является наличие гальванической связи емкостей АФГ со звеном постоянного тока ИБП и необходимость информационного обмена между системой управления АФГ и системой управления бустером. Источники бесперебойного питания, построенные по такой структуре, обладают высоким значением входного коэффициента мощности и менее 4% искажения синусоидальной формы входного тока преобразователя [41].

Рис.5 Гибридная структура преобразователя с входным АФГ

Гибридные структуры с АФГ, подключенным на выходе преобразователя, могут быть рекомендованы для электроприводов переменного тока (рис.6) [32]. В этом случае в качестве основного силового инвертора используется НЧК с малыми потерями на переключение транзисторов VT11, VT12 (120-градусная коммутация на основной частоте выходного напряжения), генерирующий основную активную мощность в двигатель. Подключение параллельно выходу НЧК инвертора АФГ на транзисторах VT2 - VT7 меньшей мощности позволяет обеспечить синусоидальный ток двигателя. При этом решаются следующие задачи:

повышается выходной коэффициент мощности системы;

снижаются потери в длинном кабеле токоподвода к двигателю;

исключается возможность резонансных явлений на частоте высших гармоник;

снижается пульсация механического момента на валу двигателя;

расширяется мощностной диапазон преобразователя.