Современные направления электроники

Современные направления развития силовых преобразователей переменного тока 

В контрольной  работе приведена классификация современных структур силовых трехфазных преобразователей переменного тока широкого применения. Проанализированы основные недостатки систем с двойным преобразованием энергии, ограничивающие их применение. Уделено внимание матричным структурам преобразователей и гибридной технологии построения силовых преобразователей переменного тока.

Основные сокращения и обозначения, принятые в работе

АФГ - активный фильтр гармоник,

БСРЭ - блок сброса или рекуперации энергии,

БУС - бустер,

ГПЭ - гибридные  преобразователи энергии,

ДК - двунаправленный  ключ,

ДПЭ - система  с двойным преобразованием энергии,

ДТ - датчик токовый,

ИБП - источник бесперебойного питания,

ККМ - корректор  коэффициента мощности,

МК - матричный  коммутатор,

НВ - неуправляемый  выпрямитель,

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты,

НЧК - низкочастотный коммутатор,

ППЭ - система  с прямой передачей энергии,

РН - регулятор напряжения,

СДПМ - синхронный двигатель с постоянными магнитами,

СТ - силовой  трансформатор,

УВ - управляемый  выпрямитель,

УН - уравнитель напряжений,

ФВ - фильтр выходной,

ШИМ - широтно-импульсная модуляция,

ШИМ-В - ШИМ-выпрямитель,

ШИМ-И - ШИМ-инвертор,

ШИМ-П - однополярный ШИМ-преобразователь,

ЭМО - электромагнитная обстановка,

ЭМС - электромагнитная совместимость,

ЭП - электропривод.

Классификация структурных схем силовых преобразователей переменного тока 

Многочисленное  современное оборудование промышленных и коммерческих технологий, используемое в широком диапазоне мощностей, требует трехфазного питания переменного тока с необходимой амплитудой и частотой. При использовании в качестве основного источника энергии переменного тока промышленной сети преобразователи обеспечивают:

стабилизацию  выходного напряжения при постоянстве  частоты 50 Гц в системах бесперебойного питания [1, 2];

регулирование амплитуды и частоты выходного  напряжения в электроприводах переменного  тока [4], системах электротермической технологии и т.п.

В автономных системах электроснабжения (авиационных, корабельных, наземного транспорта) и ветроэнергетических  установках напряжение генератора переменного  тока, как правило, изменяется в широком  диапазоне как по амплитуде, так и по частоте. Это обстоятельство накладывает особые требования на преобразователи для обеспечения стабильного или регулируемого электропитания различного типа нагрузок.

В системах с  двойным преобразованием энергии (ДПЭ) происходит преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока, а затем наоборот.

Во входном  каскаде таких систем могут использоваться:

НВ - неуправляемый  выпрямитель (диодный мостовой выпрямитель);

УВ - управляемый  выпрямитель (тиристорный мостовой выпрямитель);

ШИМ - выпрямитель (IGBT мостовой выпрямитель).

Выходные каскады  в системах ДПЭ выполняются на основе:

НЧ - коммутатора (тиристорный или IGBT мостовой инвертор с коммутацией на основной частоте  выходного напряжения);

ШИМ - инвертора (IGBT мостовой инвертор с ШИМ управлением);

однополярного ШИМ-преобразователя и НЧ-коммутатора.

НЧК находят  применение в преобразователях электропривода переменного тока [4].

Однополярный  ШИМ - преобразователь, формирующий  напряжение в виде полуволн синусоидальной формы, и низкочастотный коммутатор НЧК, инвертирующий эти полуволны в напряжение переменного тока, находят свое применение в ряде системах гарантированного электропитания [40].

Наиболее широкое  применение получили ШИМ - инверторы, формирующие  в сочетании с выходными фильтрами синусоидальное напряжения основной частоты.

В последние  годы в связи со значительным прогрессом в создании быстродействующих силовых  полупроводниковых приборов наметилась тенденция к созданию более совершенных  топологий преобразователей переменного  тока. К таким топологиям, в первую очередь, относятся матричные и гибридные структуры. Это объясняется стремлением решить следующие основные задачи:

улучшение энергетических показателей системы (коэффициента мощности и кпд);

минимизация высших гармоник входного и выходного токов для обеспечения требований ЭМС по входу и выходу преобразователя;

улучшение массогабаритных  показателей преобразователей за счет снижения величин используемых реактивных элементов;

расширение мощностного диапазона преобразователей 
 

Системы с двойным преобразованием  энергии 

Наиболее распространенной в настоящее время технологией  преобразования переменного тока являются системы с двойным преобразованием  энергии (ДПЭ), содержащие в своей  структуре звено постоянного  тока. Звено постоянного тока, обеспечивающее накопление энергии от первичного источника питания переменного тока, помимо реактивных элементов (емкости, индуктивности), может содержать регулятор напряжения постоянного тока РН (понижающий или повышающий - бустер).

Входной каскад преобразователя (выпрямитель) отделен от выходного каскада (инвертора) промежуточным звеном постоянного тока. Звено постоянного тока, в общем случае, содержит емкость значительной величины, предназначенную для сглаживания пульсаций и накапливания необходимой энергии для питания инвертора. Величина емкости определяется исходя из обеспечения необходимых динамических свойств инвертора (минимального отклонения выходного напряжения в переходных режимах) и максимально возможных перегрузочных способностей преобразователя. Величина емкости накопительных конденсаторов при напряжении звена постоянного тока 720-800 В выбирается из расчета 470 -660 мкФ на каждый 1кВА выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения. Таким образом, звено постоянного тока представляет для входного каскада (выпрямителя) емкостной характер, что влияет на спектральный состав входного тока системы [3].

 

Рис.1 Система  ДПЭ с бустером  

Одна из современных  структур ДПЭ, используемая в источниках бесперебойного питания (ИБП) приведена на рисунке 1 [1,2]. На рисунке условно изображено по одной стойке мостового выпрямителя и мостового инвертора. Отличительной особенностью такой структуры является использование неуправляемого выпрямителя VD1, VD2 и регулятора повышающего напряжения (бустера) РН-БУС в звене постоянного тока. Дифференциальная схема бустера выполняется на двух IGBT-транзисторах VT1, VT2, диодах VD5, VD6, дросселях L1, L2 и накопительных конденсаторах C1, C2. Этот преобразователь обеспечивает следующие функциональные задачи:

стабилизирует напряжение питания инвертора на уровне ±(360-400) В, необходимом для  формирования номинальной величины выходного напряжения 220/380 В;

обеспечивает  балансировку напряжений положительной и отрицательной шин постоянного тока относительно нейтрали, что исключает появление постоянной составляющей в выходном напряжении.

ШИМ - инвертор в  такой структуре представляет собой  инвертор на IGBT - транзисторах VT3, VT4, которые  управляются широтно-импульсными сигналами, модулированными по синусоидальному закону [2].

При оценке энергетических показателей систем с двойным  преобразованием энергии в случае использования во входном каскаде  НВ или УВ необходимо учитывать, что  мы имеем дело с необратимым нелинейным четырехполюсником, содержащим звено постоянного тока, который разделяет первичный источник питания и нагрузку [5, 6]. По определению, коэффициент мощности является показателем, характеризующим влияние реактивной мощности и мощности искажения на энергетическую эффективность системы. Системы ДПЭ характеризуется двумя коэффициентами мощности: по отношению к сети - входным (Крвх) и по отношению к нагрузке - выходным (Крвых). В общем случае значения этих коэффициентов отличаются.

Составляющие токов реактивной мощности и мощности искажения во входной цепи преобразователя (мостовой схеме трехфазного выпрямителя) будут замыкаться во входном контуре системы и зависить от параметров фильтра звена постоянного тока (так как это влияет на форму тока, потребляемого от сети) и степени загруженности системы.

Реактивная составляющая мощности и высокочастотные гармонические  составляющие мощности искажения на выходе преобразователя будут обмениваться между нагрузкой, инвертором и емкостью фильтра звена постоянного тока. Замыкаясь в указанном контуре силовой цепи преобразователя, они не проявляются во входной цепи системы, а их величины будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки.

Перечислим основные недостатки систем ДПЭ с входным  диодным или тиристорным выпрямителями:

значительные  массогабаритные показатели (без  учета выходного трансформатора) из-за больших электролитических  конденсаторов в звене постоянного  тока,

ограничение рабочего температурного диапазона эксплуатации, связанное так же с наличием больших емкостей с высоким рабочим напряжением,

определенное  ограничение мощностного диапазона  из-за предельных возможностей IGBT ШИМ - инвертора, связанного с потерями на переключение, а так же возникновения  нежелательной ЭМО в системе  из-за высоких значений, при коммутации силовых ключей,

сравнительно  низкие значения входного коэффициента мощности системы из-за искажения  синусоидальности входного тока. Это  требует введения пассивных фильтров высших гармоник во входных цепях  системы, что приводит к увеличению массогабаритных показателей и возможности возникновения резонансных явлений [3]. 

Системы с ШИМ – выпрямителем 

Такая структура  преобразователя, появившаяся в  последние годы, содержит двунаправленный  мостовой ШИМ - выпрямитель (ШИМ-В), уравнитель напряжений (УН) и ШИМ - инвертор (ШИМ-И) (рис.2). ШИМ - выпрямитель реализован на IGBT-транзисторах VT1, VT2, фазных дросселях L1 и накопительных конденсаторах C1, C2 (на рисунке условно изображена одна фаза выпрямителя). Транзисторы шунтированы обратными диодами VD1, VD2. Такие преобразователи находят применение как в системах бесперебойного питания [2], так и современных электроприводах переменного тока [4].

 

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.