CC BY
53
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ В ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ В.С. Томасов, П.А. Борисов
Стремительное развитие электротехнических комплексов и систем на базе устройств полупроводниковой преобразовательной техники, увеличение их мощности оказывают значительное влияние на качество электрической энергии питающей сети. В связи с этим требования к показателям качества таких систем постоянно ужесточаются, вновь вводимые стандарты заставляют разработчиков отказываться от простых выпрямительных схем на входе полупроводниковых преобразователей различных типов, а также регулируемых электроприводов на базе управляемых выпрямителей. О государственной значимости этой проблемы свидетельствует принятие Закона "Об электромагнитной совместимости" и нового российского ГОСТ на качество электрической энергии [1]. Поэтому создание комплексных методик и рекомендаций по выбору принципиальных схем построения энергоподсистем в зависимости от рабочих мощностей силовых установок является актуальной проблемой.
В этой связи в статье основное внимание уделяется силовым схемам, которые позволяют наиболее перспективно решать проблемы повышения энергетической эффективности и экономичности использования электрической энергии в полупроводниковых преобразователях и регулируемых электроприводах как постоянного, так и переменного тока.
Практическое применение чаще всего находит схема выпрямителя, нагрузка которого начинается с емкостного элемента, где конденсатор используется в качестве сглаживающего фильтра. Наиболее эффективным из числа описанных в литературе способов повышения качества электропотребления является способ, основанный на введении в схему неуправляемого выпрямителя с емкостным фильтром одного или нескольких полностью управляемых полупроводниковых приборов, работающих в ключевом режиме с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Схемы, построенные по такому принципу носят в англоязычной литературе название ШИМ-выпрямителей или активных выпрямителей напряжения (АВН).
Один из возможных способов построения АВН состоит в введении между неуправляемым выпрямителем (однофазным или трехфазным) и фильтром дополнительного силового блока, выполненного по схеме импульсного повышающего регулятора постоянного напряжения, в состав которого входят токоограничивающий дроссель, ключевой прибор и отсекающий диод. Входной ток питающей сети, близкий к синусоидальному, может быть получен при неизменной в течение периода частоты сети длительности включенного состояния ключевого прибора, что существенно упрощает систему управления. На интервале, когда ключ открыт, токоограничивающий дроссель запасает энергию; когда ключ выключен, происходит передача энергии в конденсатор фильтра не только из сети, но и энергии, накопленной в дросселе [2]. Указанные схемы позволяют формировать непрерывный ток питающей сети и находят широкое применение в электротехнических комплексах и системах, не требующих работы нагрузки в генераторном режиме, благодаря простоте их реализации. Однако построение полупроводниковых преобразователей по таким схемам возможно только в случаях, когда не требуется рекуперация энергии в питающую сеть, так как схемы обладают односторонней проводимостью.
Схема АВН, обеспечивающая двухсторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой, представлена на рис. 1. По аналогичной схеме строится трехфазный мостовой АВН. Эти схемы по сути представляют собой обращенное относительно зажимов питания и нагрузки включение схем одно- и трехфазного автономного
инвертора напряжения, что в сочетании с импульсно-модуляционными алгоритмами переключения ключей обеспечивает возможность работы как в выпрямительном, так и в инверторном режимах работы.
■сгмлпг^
& й Ь I
+
и.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема однофазного мостового АВН
Электромагнитные процессы для однофазной мостовой схемы АВН, характеризующиеся изменением мгновенных значений токов и напряжений, можно описать следующей системой контурных, узловых и элементных уравнений [3]:
и* = гг • + Ь+ ис • /у т
,с = с'-Цс.,
с Ж
• Л = гс + к, ис = ип,
ип - Еп
гп =■
я
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
где и* = ит - *гп(• г + у- мгновенное значение напряжения питающей сети, изменяющееся по гармоническому закону, ит - амплитуда, = 2 -п- - угловая частота, у, - начальная фаза, г* - сетевой ток, г* - суммарное активное сопротивление продольной ветви АВН, Ь*. - суммарное индуктивное сопротивление продольной ветви АВН, ис - выпрямленное напряжение на конденсаторе фильтра, с - емкость конденсатора фильтра, Яп - резистивное сопротивление нагрузки, Еп - противо-ЭДС нагрузки, - коммутационная функция, учитывающая свойства работы диодов и полностью управляемых ключей схемы. Тогда на основании системы уравнений (1)-(5) получим уравнения переменных состояния цепи г* и ис :
-г - - Г- г* - ис
' Ь * с
-= и, -
-И * Ь
^ Ь
-г
с Л с
1 я
(6)
(7)
Разработанная в пакете МаШСаё математическая модель позволила решить с учетом уравнения переменных состояния цепи г* и ис (7), (8), описывающие
однофазный мостовой АВН. Разработана также математическая модель трехфазного мостового АВН. Управление ключами осуществляется по алгоритму двухсторонней
симметричной ШИМ с частотой /к, при этом модулирующий сигнал изменяется по синусоидальному закону и к = к ■ итк ■ 8т(2 ■ п ■ ■ ^ + ук), где к меняется в диапазоне от 0 до 1, итк - амплитуда опорного сигнала пилообразной формы, у к - начальная фаза модулирующего сигнала, иШИП - амплитуда импульсов управления широтно-импульсного преобразователя.
На рис. 2 представлены результаты моделирования электромагнитных процессов. Числовые параметры при моделировании были взяты следующие: ит = 311 В, /а = 50 Гц, /к = 5 кГц, г = 0.5 Ом, 4 = 0.47 мГн, С = 2000 мкФ, Яп = 10 Ом, Еп = 0 В. Демонстрируется возможность двухстороннего обмена энергией между питающей сетью и нагрузкой.
А и [В], ¡[А]
Рис. 2. Переходной процесс включения однофазного мостового АВН на незаряженный конденсатор при у = 90°, ук = 135°, к = 0.9
Необходимо учитывать, что в литературе чаще всего представлены методики анализа выпрямителей для квазистационарного режима. Вместе с тем очевидно, что наиболее тяжелым режимом работы всей энергоподсистемы является включение ее в питающую сеть, что, как правило, сопровождается увеличением электромагнитных нагрузок и изменением режима работы схемы. Это особенно касается работы выпрямителя с бестрансформаторным входом, поскольку токи вентилей в нем не ограничены сопротивлениями фаз. В большинстве работ пусковой режим рассматривается для начальной фазы напряжения питающей сети = 0. Однако увеличение электромагнитных нагрузок следует ожидать при пуске с начальной фазой у5 = 90° [4]. Также следует отметить тот факт, что предотвратить значительный
бросок тока при включении на незаряженный конденсатор в переходном процессе с помощью соответствующего управления ключами за счет регулирования интервалов их
открытого состояния не удается. Это объясняется тем фактом, что весь пусковой ток заряда конденсатора фильтра протекает через диоды, которые запираются только к моменту спада тока до нуля.
Рис. 3. Сравнительные кривые сетевого тока г, и напряжения на конденсаторе фильтра ис для схемы однофазного мостового АВН при различных значениях
индуктивности 4
Из рис. 3 видно что увеличение Ь,,, как и следовало ожидать, уменьшает бросок
пускового тока, однако при этом фазовый сдвиг основной гармоники сетевого тока приближается к п / 2. Числовые параметры при моделировании были взяты следующие: ит = 311 В, 4 = 50 Гц, /к = 5 кГц, г = 0.5 Ом, С = 2000 мкФ, Яп = 10 Ом, Еп = 0 В, у, = 90°, ук = - 90°, к = 0.18, кривым 1 соответствует Ь, = 0.235 мГн, кривым 2 соответствует Ь,, = 2.35 мГн, кривым 3 соответствует Ь, = 11.75 мГн (г,- номер без штриха, ис - номер со штрихом). АВН работает как импульсный повышающий
регулятор постоянного напряжения. Наличие фазового сдвига основной гармоники тока приводит к снижению коэффициента мощности, в силу чего такой режим, приближающийся к режиму непрерывного тока, нежелателен. Увеличение Ь,,
сопровождается также удорожанием всей установки в целом и ухудшением массогабаритных показателей.
Выводы
Выбор параметров схем АВН без учета электромагнитных нагрузок в течение переходных процессов включения может привести к неработоспособности или к существенному завышению установленных мощностей полупроводниковых приборов
и элементов фильтра, а также к ухудшению массогабаритных, энергетических и
надежностных показателей качества.
В современных устройствах для устранения этих недостатков возможно
применение следующих способов:
• для полупроводниковых преобразователей малых и средних мощностей в продольную ветвь фильтра вводят дополнительный резистор для ограничения зарядного тока конденсатора фильтра. После заряда конденсатора резистор необходимо шунтировать тиристором или полностью управляемым ключом;
• для полупроводниковых преобразователей средних и больших мощностей введение дополнительного дросселя и полностью управляемого ключа в продольную ветвь фильтра позволяет не только ограничить пусковые токи, но и реализовать на его основе понижающий импульсный регулятор постоянного напряжения, таким образом обеспечивая возможность работы как в режиме повышения, так и понижения напряжения;
• для систем регулируемого электропривода, в которых требуется обеспечивать высокую динамику, указанные до этого способы могут приводить к некоторому ухудшению быстродействия привода. Поэтому для таких задач возможны варианты построения силовых схем в которых неуправляемые диоды заменяются тиристорами или полностью управляемыми ключами [5].
Литература
1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Госстандарт, 1998.
2. Лабунцов В.А., Дайжун Ч. Трехфазный выпрямитель с емкостным фильтром и улучшенной кривой потребляемого из сети тока. // Электричество. 1993. № 6. С. 45-48.
3. Ефимов А. А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р.Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.
4. Глазенко Т.А., Томасов В.С. Методика анализа переходных процессов в выпрямителях с RC-фильтрами //. Изв. вузов. Приборостроение. 1994. Т. 37. № 11-12. С. 45-53.
5. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1990. 220 с.
