CC BY
0
УДК 621.316.721.1
АКТИВНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ ПУЛЬСАЦИЙ ДЛЯ МОЩНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
С. Г. Алимасов Научный руководитель - М. С. Лурье
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: Zenderyou322@mail.ru
В работе рассмотрен метод снижения пульсаций напряжения мощных выпрямителей для питания электрофизической аппаратуры, основанный на введении в цепь нагрузки компенсирующей ЭДС равной по величине и противоположной по фазе напряжению пульсаций.
Ключевые слова: пульсации напряжения, компенсация, моделирование, имитационная модель.
ACTIVE PULSE COMPENSATORS FOR POWERFUL V-STRAIGHTENERS
S. G. Alimasov Scientific adviser - M. S. Lurie
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Zenderyou322@mail.ru
The paper considers a method for reducing voltage ripples in powerful rectifiers for powering electrophysical equipment, based on the introduction of a compensating EMF equal in magnitude and opposite in phase to the ripple voltage into the load circuit.
Keywords: voltage ripple, compensation, modeling, simulation model.
В ряде научных и промышленных отраслей необходимы мощные источники питания магнитных систем (более 10 кВт) с малыми пульсациями тока и напряжения (менее 0,01%) и широким (до 100) диапазоном изменения тока в нагрузке. Такие источники строятся, как правило, на управляемых выпрямителях (УВ) или широтно-импульсных преобразователях (ШИП).
Нагрузкой в данных устройствах является мощный электромагнит с кованым или литым сердечником. Индуктивный характер нагрузки способствует снижению пульсаций тока, но наличие потерь энергии в цельном сердечнике и значительная индуктивность рассеяния приводит к тому, что реальная проводимость такой нагрузки для первой гармоники пульсаций может быть значительно больше, чем у идеальной активно-индуктивной цепи.
Как известно, использование пассивных фильтров для снижения пульсаций в мощных выпрямителях нецелесообразно.
В работе [1], а затем и [2] рассматривалась возможность применения так называемых компенсаторов пульсаций (КП), которые представляют собой генераторы переменной компенсирующей ЭДС, направленной против ЭДС пульсаций.
Пассивные схемы КП, могут заметно превосходить обычные фильтры, так как при тех же условиях имеют значительно больший коэффициент сглаживания. Но, такой коэффициент
Секция «Автоматика и электроника»
сглаживания может быть получен только в режиме резонанса напряжений первичной обмотки трансформатора.
При колебаниях частоты сети, тока нагрузки, вследствие нелинейности свойств магнитного сердечника КП выходит из резонанса и коэффициент сглаживания резко снижается и падает коэффициент сглаживания, который в реальных условиях не превышает нескольких десятков.
Существует другой тип КП, который может быть назван активным [1], рис. 1. В нем, напряжения пульсаций усиливаются усилителем переменного тока и с помощь трансформатора водятся в рабочую цепь в противофазе к пульсациям на нагрузке. Он представляет собой замкнутый автоматический контур, рис. 1.а. Напряжение пульсаций от датчика пульсаций ДП с инверсией проходит на вход усилителя У, при (Ш=0), усиливается и через трансформатор ТР подается в цепь нагрузки в противофазе с напряжением пульсаций ТП. Конструктивно такой КП состоит из усилителя переменного тока У с конденсатором С на входе, трансформатора Тр с первичной обмоткой W1, компенсирующей обмоткой W2 включенной последовательно с нагрузкой и обмотки размагничивания W3 с дросселем Др, как показано на рис. 21 б.
а б
Рис. 1. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы активного КП
Поскольку мощность пульсаций составляет 1% - 0,01% мощности нагрузки на постоянном токе, то усилитель пульсаций может быть маломощным.
Трансформатор КП, нагруженный электромагнитом на частоте первой гармоники из-за наличия потерь в обмотках и сердечнике не является идеальным устройством. Поэтому на практике можно получить коэффициент сглаживания не более 15-20, что явно недостаточно.
Целесообразней характеристики магнитных устройств получать не за счет их конструктивного выполнения, а за счет введения электронного усилителя, охватывающего трансформатор цепью отрицательной обратной связи (ООС). Такие устройства называются магнитоэлектронными [3]. Таким образом, охватывая трансформатор ООС по напряжению компенсирующей обмотки можно значительно улучшить его амплитудно-частотные характеристики.
Питание размагничивающей обмотки удобнее всего осуществлять от генератора тока.
Для анализа работы активного КП была разработана его имитационная модель в пакете 81ши11пк программы МаЙаЪ. Модель состоит из стандартных блоков библиотеки SimPowerSystems. Магнитоэлектронный трансформатор создан на основе блока многообмоточного трансформатора, блока управляемого источника напряжения, измерителя напряжения на вторичной обмотке, сумматора и регулирующего усилителя цепи обратной связи с коэффициентом усиления 100.
Цепь ООС для снижения пульсаций напряжения образована пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором с коэффициентом усиления К=100 и постоянной интегрирования Т=5 с.
Результат моделирования приведен на рис. 2 для номинального напряжения на нагрузке. Величина сглаживания пульсаций прямо пропорциональна коэффициенту усиления
усилителя включенного в цепь ООС. Видим, что пульсации напряжения при использовании КП снижаются в 200 раз, а пульсации тока в 60 раз.
Простой расчет показывает, что для получения того же результата с помощью обычных сглаживающих ЬС фильтров требуется фильтр с индуктивностью 0,0025 Гн и емкостью более 300000 мкФ.
Рис. 2. Результаты моделирования при номинальном токе нагрузки и коэффициенте усиления усилителя в цепи ООС К=100. а пульсации напряжения на нагрузке без КП; б пульсации тока в нагрузке без КП; в пульсации напряжения на нагрузке с использованием КП; г пульсации тока в
нагрузке с использованием КП
При глубоком регулировании тока в нагрузке пульсации на выходе выпрямителя резко возрастают, поэтому были изучены и такие режимы работы. Здесь эффект от использования КП еще выше. Пульсации напряжения при использовании КП снижаются в 10000 раз, а пульсации тока в 4000 раз. Это объясняется более точной компенсацией напряжения пульсаций, так как трансформатор работает практически в режиме холостого хода и амплитудные и фазовые сдвиги между напряжением первичной и компенсирующей обмотки стремятся к нулю.
Таким образом, активные КП по своим показателям могут заметно превосходить обычные фильтры, в особенности в цепях питания сильноточных нагрузок относительно низкими напряжениями, так как при тех же условиях имеют значительно больший коэффициент сглаживания, чем обычные фильтры.
Библиографические ссылки
1. Лурье М.С. Мощные стабилизаторы тока [Текст] / М.С. Лурье. Ф.Н. Кривцов,
B.П. Николаев. Л.: ЛДНТП, 1976, 24 с.
2. Лурье М.С. Компенсаторы пульсаций для мощных выпрямителей [Текст] / М.С. Лурье, О.М. Лурье. Сб. Оптимизация режимов работы электроприводов, Красноярск, СФУ, 2008,
C. 5 - 9.
3. Лурье М.С Активные компенсаторы мощных выпрямителей [Текст] / Лурье М.С., Лурье О.М., Баранов Ю.С. Вестник КрасГАУ. 2010. № 6 (45). С. 149-154.
© Алимасов С. Г., Лурье М. С., 2022
