Современные направления электроники

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.  
 

Рис.6 Гибридная  структура преобразователя с  выходным АФГ  

ШИМ - инвертор в  составе АФГ обеспечивает незначительную часть активной мощности, создавая, в основном, реактивную мощность и мощность искажения для компенсации высших гармоник от НЧК. Выходной силовой трансформатор СТ в гибридной системе обеспечивает гальваническую развязку между выходами НЧК и ШИМ - инвертора, а также является повышающим для питания двигателя при длинном кабеле токоподвода. Выходной фильтр ФВ (L2-L4, C3-C5) АФГ предназначен для сглаживания высокочастотных пульсаций в нагрузке.

На рисунке 7 приведены кривые токов на выходе системы, поясняющие принцип формирования синусоидального тока нагрузки.  
 

Рис.7 Временные  диаграммы токов гибридного преобразователя  

Гибридные структуры  преобразователей рассмотрены в  работах [30-35]. Если структуры с АФГ  на входе системы нашли широкое  применение на практике, то гибридные  структуры с АФГ на выходе системы требуют дальнейших исследований и внедрения.  

Матричная структура преобразователя 

Матричная структура  обеспечивает преобразование параметров источника переменного тока (амплитуды  и частоты) в напряжение, необходимое  для питания нагрузки, без накопления энергии в промежуточном звене постоянного тока [17]. Такие преобразователи относятся к системам прямой передачи энергии (ППЭ). Отсутствие больших конденсаторов звена постоянного тока, занимающих от 30 до 50% объема инвертора, позволяют создавать малогабаритные преобразователи. Более того, они могут работать в более широком диапазоне температур и иметь более долгий срок службы, так как отсутствуют электролитические конденсаторы, уязвимые при высоких температурах [19].  
 

Рис.8 Матричная  структура преобразователя.

ДК - двунаправленный  ключ,

МК - матричный  коммутатор,

БСРЭ - блок сброса или рекуперации энергии.  

Можно считать, что прототипом матричной структуры  преобразователя являлись непосредственные преобразователи частоты НПЧ  на тиристорах (получившие также название преобразователей частоты с непосредственной связью) [8]. Однако применение таких преобразователей ограничивалось условием повышенной на порядок частоты первичного источника энергии переменного тока по сравнению с частотой выходного напряжения.  

Современный матричный  преобразователь выполняется на 9-ти двунаправленных ключах, которые  способны подключать любую из трех фаз входного напряжения к любой  из трех фаз нагрузки (рис.9). Каждый двунаправленный ключ ДК представляет собой два встречно включенные IGBT - транзистора, зашунтированные диодами. В настоящее время разработаны модули, содержащие три ДК в одном корпусе, рассчитанные на напряжение 600 В и ток 300 А [9]. Алгоритм коммутации ключей основывается на стратегии формирования желаемого выходного напряжения из частей периодических функций трехфазного входного напряжения. Функции управления матричной структурой реализуются с помощью DSP -микроконтроллера и программируемой логической матрицы ПЛМ.

Следует отметить, что при нагрузке индуктивного характера коммутация ключей вызывает возникновение импульсных перенапряжений. Для снижения выбросов напряжения может быть использована демпфирующая схема, состоящая из трехфазных диодных мостов, подключенных к входу и выходу преобразователя, и общей емкости. Накапливаемая при коммутации ключей энергия в емкости сбрасывается в балластный резистор или рекуперируется в сеть с помощью специального блока сброса или рекуперации энергии (БСРЭ). Для контроля напряжения на демпфирующем конденсаторе предусмотрен блок выключения преобразователя, если напряжение превысит установленное значение. Этот блок также используется для контроля работы IGBT - транзисторов и их драйверов. Защита ключей по току реализуется на программном и аппаратном уровнях. Информация о загрузке ключей поступает с быстродействующих датчиков тока, установленных в каждой входной и выходной фазах преобразователя. Входной L-C фильтр обеспечивает ЭМС преобразователя с первичным источником питания.

Матричная структура  преобразователя позволяет обеспечить как повышение, так и понижение частоты выходного напряжения по отношению к частоте первичного источника. Кроме этого применение матричной структуры повышает надежность системы. При отказе одной из фаз первичного источника алгоритм управления ДК может быть адаптирован к работе с оставшимися фазами входного напряжения, обеспечивая выходное напряжение более низкого качества, но достаточного для работы электропривода.

Вопросам проектирования отказоустойчивых систем на основе матричных  структур преобразователей и их исследованию в настоящее время уделяется большое внимание [15-28].

Выводы 

В результате проведенного анализа можно выделить следующие  основные тенденции развития современных  силовых преобразователей переменного  тока.