CC BY
47УДК 621.4
Коррекция коэффициента мощности на IGBT-транзисторах в системе управления трехфазным выпрямителем
А.В. Щагин, Чжо Ту, Йе Тун Тэйн
Национальный исследовательский университет <<МИЭТ»
Рассмотрена коррекция коэффициента мощности на IGBT-транзисторах в системе управления трехфазным выпрямителем и ее математическая модель. Показано, что система управления, включающая в себя два PI-контроллера, способна поддерживать фактор мощности и управлять им, достигая желаемого значения. Это позволяет использовать систему в качестве компенсатора реактивной мощности и обеспечивает возможность регенерировать энергию в сеть.
Ключевые слова: система управления, выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), коэффициент мощности.
Большинство современных потребителей электрической энергии с точки зрения сети являются нелинейными нагрузками, что приводит к искажению формы потребляемого из сети тока. Они способны генерировать или потреблять реактивную мощность. С целью повышения коэффициента мощности для питания такого рода потребителей применяются различные фильтры и выпрямители с коррекцией коэффициента мощности (ККМ).
Существует большой класс потребителей, для питания которых требуется регулируемое стабилизированное постоянное напряжение (ток) и возможность реверсирования по току (напряжению). К таким потребителям относятся электроприводы (асинхронные, синхронные, вентильные), на долю которых приходится более 60% всей потребляемой энергии, производимой в промышленно развитых странах, инверторы в преобразователях частоты сети 50 Гц в 60 Гц и т.д. Наиболее популярными схемами преобразователя с коррекцией коэффициента мощности, применяемой для питания такого рода устройств, стали схемы трехфазного активного выпрямителя напряжения и активного выпрямителя тока. Они состоят из трехфазного моста, собранного на IGBT-транзисторах с обратными диодами, и фильтров на сторонах переменного тока и постоянного тока. Эти схемы имеют ряд достоинств: двусторонний обмен энергией с сетью; близкий к синусоидальному входной ток; возможность получения близкого к единице коэффициента мощности; регулирование и стабилизация напряжения (тока) на выходе.
При подключении к сети параллельно с нелинейной нагрузкой такой преобразователь может выступать в роли активного фильтра, а также компенсировать неактивные составляющие полной мощности, создаваемые этой нагрузкой, и симметрировать потребление энергии по фазам, если нагрузка несимметрична [1].
Цель настоящей работы - исследование системы управления трехфазного выпрямителя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и коррекцией коэффициента мощности на IGBT-транзисторах методами математического моделирования.
© А.В. Щагин, Чжо Ту, Йе Тун Тэйн, 2013
Схема цепи источника трехфазного напряжения ШИМ-выпрямителя показана на рис.1, где еа, еь и ес - трехфазное напряжение питания; /а, ц и /c - трехфазные токи питания; Ь - индуктивность входного фильтра; - выходное напряжение нагрузки; С - сглаживающий конденсатор на шине постоянного тока; Я - нагрузка; г - ток нагрузки; - диоды; Т\...Т6 - ключи на ЮВТ-транзисторах.
Рис. 1. Схема цепи источника трехфазного напряжения ШИМ-выпрямителя
Для создания математической модели системы необходимо решить математические уравнения каждого из блоков:
- входного напряжения переменного тока сбалансированной трехфазной сети;
- линейного фильтра реактора;
- идеального выключателя на биполярных транзисторах с изолированным затвором (ЮБТ). Каждый из ЮВТ-транзисторов соединен параллельно с диодом для защиты от перенапряжений, возникающих в переходных процессах [2, 3].
Динамические характеристики выпрямителя описываются следующими уравнениями:
Ь && = - ¡¿Я + - V*
йг
1д
(1)
Ь—- = vn - ¡ПЯ + юЬь - V*,
а а с а>
V; 3 V,
с= + Ба-а) - ^, йг 2 & & аа Я
где V* = Бс^сС , V* = 8с^сСс, V* и V* - входные напряжения выпрямителя; - функ-
ция переключения в синхронных вращающихся л - ^-координатах соответственно, Уд, уч и ¡¿, гд - входные напряжения питания и токи в синхронных вращающихся Л - ц-координатах соответственно; ш - угловая частота. В выражении (1) и н'Ид имеют значение связи. Входные напряжения Уд, Уд из выпрямителя трансформируются в уа и Ур с использованием обратного преобразования Парка.
Согласно системе уравнений (1) ток в Л - ц-координатах связан как с напряжением так и с ^Ид и основным напряжением Уд и Уд. Кроме того, этот ток влияет на V* и
V*. В (1) V* и V* могут варьироваться для достижения заданных значений:
уd =-у'с + юЬ-а + уа, V* =-у'а + + ^а •
(2)
Подставив (2) в (1), получим
Ь^ = -1 К + ^,
ж ж
ь—+.
ж 4 4
На рис.2 представлена функциональная схема управления двойного ё - ^-контроллера выпрямителя. Система управления имеет внешний цикл, где производится контроль напряжения постоянного тока и внутренний цикл, где производится контроль входного тока. Преобразование ё - ^-координат используется для управления отдельно активной и реактивной мощностью, поглощаемой выпрямителем. Р1-контроллеры используются для нахождения задающих значений токов или напряжений.
Рис. 2. Функциональная схема управления ё - q двойного контроллера выпрямителя
Цепь постоянного тока напряжения У^с контролируется Р1-регулятором, который обеспечивает необходимое значение I* для получения коэффициента мощности, равного единице, в то время как стремится к нулю. Заданные значения сравниваются с входными токами, которые определяются в ё - q-координатах. Два контроллера Р1 задают значения ^ и у*. Для регулирования напряжения постоянного тока мощности передаются на нагрузку.
Существуют методы для преобразования у*г и у* в длительность импульсов для мощных ключей [2]. В настоящей работе используется широтно-импульсная модуляция
[3]. Задающие значения напряжения выпрямителя на стороне переменного тока могут быть описаны следующими уравнениями:
* т ■ '
V* = - Ч - ^ >
*
где и у'д обеспечиваются Р1-контроллером
Задача ё - ^-контроллеров - управление соответствующим напряжением и силой тока. Заданное значение преобразуется в а - Р-координатах в соответствии с требованиями векторного пространства.
Активная и реактивная мощности в ё - ^-координатах задаются уравнениями
Активный компонент I* и реактивный компонент г^ сравниваются со значениями, получаемыми по обратной связи, и ошибки поступают в Р1-регуляторы, где рассчитываются текущие выходные значения и V* составляющих напряжений. Для активного
управления мощностью цепь напряжения контура управления рассматривается как внешний контур.
Вводятся понятия действительной р(/) и мнимой q(t) мгновенных мощностей в а - Р-координатах:
~р() иа @ (г) га
_Ч(Х) J - иа ® ив (1) ч
Возможность оперирования непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения появляется при использовании метода управления в синхронной системе [4]. Метод основан на прямом и обратном преобразовании Парка -Горева [5]. Прямое преобразование заключается в нахождении вектора тока на оси ортогональной системы координат, вращающейся синхронно с вектором напряжения сети:
СОБб Бтб - Бтб СОS0J гр
где 9 = шt - значение угла поворота вращающиейся системы координат с частотой ш.
Переменные составляющие проекций ¡а и ^ соответствуют высшим гармоническим составляющим и обратной последовательности токов. Обратное преобразование Парка - Горева осуществляется по формуле
г ч_
^^^^ ^_ cos9 - sin9
sin9 СОS0 А
Таким образом, если к трехфазной системе тока сначала применить прямое преобразование Кларка, а затем прямое преобразование Парка-Горева, то постоянные составляющие проекций на оси ё- q соответствуют составляющим тока синхронной частоты ш.
Регулятор активной и реактивной составляющей тока вычисляет значения токов задания преобразователя в синхронной системе координат. С помощью обратного преобразования можно синтезировать обобщенный вектор тока с заданными параметрами, т.е. модулем, начальной фазой и частотой вращения. Угол сдвига фаз между первыми гармониками сетевого тока и напряжения в синхронной системе координат описывается выражением
ф = Ш
-1
(1 \
V ^ )
Если прямое и обратное преобразование синхронизированы по фазе и частоте с напряжением сети, то регулирование до нуля составляющей тока сети (¡д) позволяет полностью управляемому преобразователю работать с коэффициентом мощности близким к 1. В общем случае средние значения составляющих ¡а и ¡д определяются по формулам
1Ч = 7>П ^
Таким образом, для обеспечения контроля коэффициента мощности преобразователя достаточно отслеживать средние значения составляющих обобщенного вектора тока и формировать синусоидальный ток.
В данной системе используется АС-ОС-преобразователь, который включает трехфазный ЮВТ-преобразователь с ТТТИМ для получения 500 В постоянного напряжения с диапазоном регулирования напряжения ± 250 В.
Изменения напряжения постоянного тока и ККМ зависят от управляющих сигналов ¡а и гд. Для того чтобы коэффициент мощности был близок к единице, необходимо установить значение ¡д = 0. В момент I = 0,05 с управляющий сигнал ¡д изменяется, напряжение постоянного тока уменьшается и достигает 500 В в течение полутора циклов с сохранением ККМ (рис.3 и 4). В момент I = 0,1 с пульсирующий сигнал блокируется и напряжение постоянного тока падает до 315 В.
Таким образом, математическое моделирование системы управления трехфазного выпрямителя ШИМ с коррекцией коэффициента мощности на IGBT-транзисторах позволяет исследовать энергетические и технические характеристики. Система не только способна поддерживать фактор мощности, но и управлять им, достигая желаемого значения. Это позволяет использовать систему в качестве компенсатора реактивной мощ-
ч
ности и обеспечивает возможность регенерировать энергию в сеть. Вместе с тем достижение этих преимуществ требует комплексного подхода к управлению и контролю параметрами проводимости полупроводниковых приборов с применением микропроцессорных средств.
Литература
1. Кондратьев Д.Е., Обухов С.Г. Управление трехфазным активным выпрямителем при искажениях напряжений сети // Электричество. - 2007. - № 6. - С. 21-32.
2. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. -М.: Издательский дом Додэка-XXI. - 2005. - 384 c.
3. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество. - 2008. - № 7. - С. 23-31.
4. Кондратьев Д.Е., Обухов С.Г. Прямое управление мгновенной мощностью трехфазных AC-DC-преобразователей с коррекцией коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. - 2008. -№ 29. - С. 25-33.
5. Карасев А.В., Смирнов В.М. Некоторые особенности управления трехфазным выпрямителем с коррекцией коэффициента мощности. -3. Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева. - 2009.
Статья поступила 27 июня 2012 г.
Щагин Анатолий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматического управления и контроля в микроэлектронике (САУиК) МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления.
Чжо Ту - аспирант кафедры САУиК МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления. E-mail: kyawthukokoaa@gmail.com
Йе Тун Тэйн - аспирант кафедры САУиК МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления.
с \
Вниманию читателей журнала
«Известия высших учебных заведений. Электроника»
Оформить годовую подписку на электронную
версию журнала можно на сайте
Научной Электронной Библиотеки:
www.elibrary.ru
V /
