CC BY
20
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.316.722.1
С. Н. СИДОРОВ, П. В. КУДРЯШОВ
м а л о Э л е ме нтныи стабилизатор симметричного трехфазного напряжения
Для объектов, требующих поддержания постоянства трехфазного напряжения питания, работающих в условиях равномерной нагрузки фаз сетевого источника, предлагается предельно простая конструкция стабилизатора трехфазного напряжения и тока с применением одного-двух транзисторных ключей.
В настоящее время широкое применение получают стабилизаторы на транзисторных ключах, работающие по принципу высокочастотной автоматически регулируемой широтно-импульсным способом по отклонению вольтодобавки [1]. Достоинством данных стабилизаторов являются сравнительно малые искажения напряжения и тока нагрузки, обусловленные величиной вольтодобавки, которая выбирается минимально возможной для компенсации реально существующих отклонений питающего напряжения и тока нагрузки. Причем, если эти отклонения, в силу той или иной специфики технологического процесса, происходят в одну сторону, вольтодобавка может быть однополярной,
©
2
«
\а/11
:
-кн— 44- И
N N
N у1 N
чаше всего вольтоповышающей. В иных случаях требуется двухполярная , то есть вольтоповышающая
и вольтопонижающая добавка напряжения на выходе
%
стабилизатора. При отыскании возможностей упрощения трехфазных схем следует различать несимметричные режимы работы стабилизаторов, требующие раздельного регулирования и стабилизации напряжения в каждой фазе нагрузки, и симметричные режимы, допускающие общую стабилизацию путем одновременного и одинакового изменения напряжения во всех трех фазах. Очевидно, в последнем случае существуют предпосылки заметного упрощения рассматриваемых устройств, которые до сих пор, по сведениям
т
:
га
I
2в
2с
Рис.1. Стабилизатор с вольтоповышающей вольтодобавкой
литературных источников, не были использованы.
Предлагаемая схема рис. ] содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор, мощность которого меньше мощности нагрузки в отношении, пропорциональном относительной величине напряжения вол ьто добавки. Вторичные обмотки трансформатора \\'2 включены последовательно-согласно с сетевым источником Еа,Еб,Ес, в результате чего напряжения нагрузки в фазах по
сравнению с указанными напряжениями сети повышаются на величину напряжения вторичных обмоток. В свою очередь первичные обмотки трансформатора \Уц подключаются к источнику сетевого напряжения с помощью коммутирующего элемента, содержащего транзисторный ключ VI. Данный силовой транзистор служит для соединения указанных обмоток трансформатора по схеме звезды, выполняя роль нулевой точки. С той целью он присоединен в проводящем направлении к зажимам постоянного тока трехфазного диодного моста, который, в свою очередь, зажимами переменного тока подключен к свободным выводам указанных первичных обмоток вольтоповышающего
трансформатора. Известно, что выключение транзистора в цепи с индуктивными элементами сопровождается появлением значительных перенапряжений. Для их ограничения используют полярные, например, электролитические,
конденсаторы фильтра, которые с целью устранения накапливания заряда шунтируются разрядным
ив
Ус 1
резистором. В данном случае подобный элемент защиты целесообразно подключить параллельно транзистору посредством разделительного диода, проводящего ток в направлении заряда конденсатора, но предотвращающего саморазряд конденсатора на интервалах включенного состояния транзистора.
При этом конденсатор вступает в работу лишь на интервалах коммутации. Зарядившись при первоначальной подаче напряжения, этот защитный элемент, благодаря разделительному диоду, отключится и не будет оказывать влияния на межкоммутационные процессы в схеме стабилизатора.
Принцип действия предлагаемого устройства прост. Он состоит в периодическом переключении транзистора VI с достаточно высокой тактовой частотой и регулировании длительности включенного состояния на каждом такте в функции сигнала ошибки регулирования на входе регулятора тока. В связи с одновременным одинаковым изменение напряжения во всех трех фазах нагрузки, такое регулирование требует применения лишь одного датчика обратной связи в одной из фаз на выходе стабилизатора. Для иллюстрации работы данного устройства на рис.2, а приведены диаграммы результирущего трехфазного напряжения нагрузки и а, ив, 11с, полученного сложением сетевой ЭДС Еа,Ев,Ес с напряжением регулируемой широтно-импульсным способом вольтодобавки и. Для примера амплитуда однополярной вольтодобавки на
а V« (рад )
0.5
о
-0.5 -1 -1.5
0.5
ДЦГа
о
А11в о Дис о
о 1 2 3 -
□
Рис. 2. Диаграммы напряжений (б)
4 5 б 7
\rtrt (рад )
нагрузки (а) и вольтодобавки
Рис. 3. Стабилизатор со знакопеременной вольтодобавкой
данных диаграммах принята равной 11=12% по отношению к амплитуде сетевой ЭДС (см. рис. 2, б) при тактовой частоте переключений транзистора 1 кГц. Увеличение тактовой частоты позволяет уменьшить расход меди и стали при изготовлении вольтодобавочного трансформатора на специальном ферромагнитном или ферритовом сердечнике, способного работать при высокой частоте
перемагничивания.
Другой вариант стабилизатора на рис. 3 предназначен для работы в режиме со знакопеременной вольтодобавкой. Такой режим необходим в условиях возможных колебаний напряжения нагрузки в обе стороны от номинального значения. В отличие от рассмотренной данная схема содержит на каждом стержне > кроме вольтоповышающей ¡Уп> также и
вольтопонижающуто \У12 обмотки. Для
подключения последних служит аналогично выполненный коммутирующий элемент на транзисторном ключе У2. Способ присоединения этих обмоток позволяет видеть, что поочередное в противофазе переключение транзисторов VI и У2 будет сопровождаться изменением полярности индуцированного во вторичных обмотках напряжения вольто добавки ±Аиа, ±Аив)±А1}с и, соответственно, одновременным изменением напряжения во всех фазах нагрузки 11а, 1/в, 11с. Регулированием длительности включенного состояния указанных транзисторов удается увеличивать и уменьшать результирующее напряжение нагрузки по сравнению с номиналом. Это регулирование возможно в пределах вольтодобавки, величина которой определяется количеством витков вторичной обмотки, то есть коэффициентом
трансформации. При работе транзисторов в противофазе прерывание намагничивающего тока в обмотках трансформатора устраняется. Эта особенность двухтактных схем уменьшает величину возможных коммутационных перенапряжений, в связи с чем необходимость в защитных устройствах на основе полярных конденсаторов фильтра в ряде случаев отпадает.
Опытный экземпляр стабилизатора выполнен на транзисторных ключах типа IRG4PH с управлением от микропроцессора PIC 16F877. В настоящее время данное устройство проходит испытания на одном из участков завода «Контактор» (г.Ульяновск) [2-4].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кобзев А. В. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием / А. В. Кобзев и др. -М.: Энергоатом из дат, 1986.
2. Сидоров С. Н., Митрофанов А. Н., Кудряшов П. В. Стабилизатор переменного тока на 1GBT ключах с микропроцессорным управлением // Электронная техника. Сборник научных трудов / Под ред. Д. В. Андреева.- Ульяновск: УлГТУ, 2001.
3. Кудряшов П. В., Сидоров С. Н. Стабилизатор трехфазного тока на IGBT транзисторах с микропроцессорным управлением // Тезисы доклада на девятой Международной науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2003.
4. Разработка оборудования для испытаний и калибровки коммутационной аппаратуры. Отчет но итогам НИР. Гос.рег.№01200204416.
Инв.№02200202322. Науч. рук. М. А. Боровиков, отв. исп. С. Н. Сидоров.
wll
Сидоров Сергей Николаевич, кандидат технических наук, окончил Ульяновский политехнический институт, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация
промышленных установок» УлГТУ. Имеет ряд
статей и около 50 изобретений в области преобразовательной техники.
Кудряшов Павел Владимирович, аспирант кафедры кафедры «Электропривод и автоматизация, промышленных установок».
УДК 621.314.632
М. Л. БОРОВИКОВ, М. В. ПЕТРОВА, Н. И. ГОРБАЧЕВСКИЙ
трехфазный транзисторный компенсатор
реактивной мощности
Обсуждаются вопросы построения компенсаторов реактивной мощности в трехфазных сетях на основе транзисторных мостов с ШИМ-регулированием и использованием в качестве накопительных емкостей электролитических конденсаторов. Даются рекомендации по расчету параметров силовой части компенсатора.
Компенсация реактивной мощности продолжает оставаться актуальной задачей, потому что основные электрогтриехмники (асинхронные двигатели, трансформаторные нагрузки и т. п.) являются ее потребителями [1]. Наиболее распространенными устройствами для решения этой задачи являются батареи косинусных конденсаторов, подключаемых параллельно нагрузке и обеспечивающих требуемые нагрузкой реактивные токи без загрузки ими сети. Недостатки таких устройств связаны с трудностями организации плавного регулирования величины емкости, а также с низкой надежностью косинусных конденсаторов, весьма восприимчивых к влиянию высших гармоник тока.
Этих недостатков лишены полупроводниковые устройства компенсации, выполняемые в виде мостовых схем инверторов напряжения на двухоперационных ключах с обратными диодами и накопительной емкостью в диагонали моста постоянного тока [2]. Возможности таких устройств в однофазных сетях рассмотрены достаточно подробно
и доказана техническая и экономическая
• *
целесообразность их применения с
преимущественным использованием в качестве ключей ЮВТ - транзисторов.
Публикации по вопросам построения трехфазных схем компенсаторов реактивной мощности} или в более широком понимании - пассивных составляющих мгновенной мощности, в отечественной литературе практически отсутствуют. Предложенное в [4] построение трехфазного компенсатора не может обеспечить синусоидальные токи компенсации, так как базируется на использовании лишь одного накопительного
конденсатора, которому предоставляются лишь интервалы в 60 электрических градусов для заряда и разряда, в то время как для обеспечения синусоидальности требуется в три раза больше.
Простейшее решение в виде реализации трехфазного компенсатора на основе группового соединения однофазных не является единственным, а тем более лучшим, так как требует повышенных аппаратурных затрат.
На рис.1 приведена упрошенная принципиальная схема построения трехфазного моноблочного компенсатора реактивной мощности, которая позволяет формировать во всех фазах синусоидальные
токи компенсации 1К, обеспечивающие разгрузку
источника питания и сети от реактивных токов.
Примем такое описание линейных напряжений
и ,г = и„, вт со I = II' зшб;
л с т т 7
2п 2п
иВА = ит 5т(е + —),
(О
где 9 =Ш .
Тогда для фазных напряжений имеем выражения
и шЧ*
• Я
ж
■вш(9 +-);
I/ п
(2)
