Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Южно-Уральский государственный университет»
Факультет «Энергетический»
Кафедра «СЭС»
АКТИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ КРИВОЙ ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ
РЕФЕРАТ
по дисциплине «СЭС на основе СПТ»
Проверил
Ю.И. Хохлов
______________________2010 г.
Автор работы
студент группы Э-527
Д.В. Мелентьев
____________________2010 г.
Реферат защищен
с оценкой (прописью, цифрой)
___________________________
_____________________2010 г.
Челябинск 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 2
1 ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 4
2.
ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ КРИВОЙ ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ.......................................................................... 5
2.1 ОДНОФАЗНАЯ ПОЛУМОСТОАВЯ СХЕМА АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ........ 6
2.2 ТРЕХФАЗНЫЙ АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ2.3МОДНОФАЗНЫЙ ККМ ......................................................................................................................................................... 1
2.4 "VIENNA" - ВЫПРЯМИТЕЛЬ .........................................................................................
3 СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
3.1 ЭЛЕКТРОПРИВОД ............................................................................................................. 3
3.2 СВАРОЧНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ . 4
4 КРАТКИЙ ОБЗОР ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ АВ ....................................................................... 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................. 6
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................................................. 1
ВВЕДЕНИЕ
Основой силовой электронных устройств являются нелинейные элементы – электронные ключи. Периодическая коммутация ключей в преобразователях электроэнергии приводит к искажению потребляемого из сети тока. В свою очередь искажение тока вызывает искажение напряжения сети. В результате увеличиваются потери мощности, сокращается срок службы электротехнических изделий, происходят сбои в их работе и т.п. Также существует проблема потребления преобразователями из сети реактивной мощности, что приводит к значительным отклонениям и колебаниям напряжения в питающей сети. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока.
Требования международных стандартов IEC 61000-3, IEEE 519, EN 61000-3-2 жестко регламентируют уровень гармонических составляющих тока, потребляемого электротехническим устройством, вплоть до 49 гармоники. Отечественный ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) ограничивается гармониками до 40-й.
Одним из координальных направлений снижения гармонического воздействия преобразователей на питающую сеть и нагрузку является переход к повышенной фазности преобразователя одновременно решает вопрос о более эффективном использовании преобразовательного трансформатора выпрямителя. С целью снижения потребляемой реактивной мощности целесообразно применение преобразователей с опережающей искусственной коммутацией вентилей (компенсированных преобразователей). С этой же целью и с целью улучшения спектров токов и напряжений могут быть использованы комбинированные способы регулирования выпрямленного напряжения. Проблема снижения потребления реактивной мощности и нормализации качественных показателей электрической энергии может решаться и с применением внешних для преобразователей корректирующих устройств – пассивных и активных фильтров. В ряде случаев отмеченные проблемы решаются активного выпрямителя или корректора коэффициента мощности. В англоязычной литературе используется обобщенный термин преобразователь переменного/постоянного тока
соответствующий терминологии стандарта МЭК 60050-551 (AC/DC Converter). Так же часто встречается activefrontend(AFE) или Activerectifier.
В данном реферате рассмотрены принципы действия такого выпрямителя, различные схемные решения и их сравнение, некоторые области его применения а также краткий обзор производителей, предлагающих АВ в качестве преобразователя переменного тока в постоянный.
1 ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Выпрямитель – это преобразователь переменного напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые – на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентилей проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Процессы при выпрямлении определяются:
· Видом вентильного прибора и способом его управления
· Характером нагрузки на стороне постоянного тока
· Техническими характеристиками источника энергии переменного тока.
Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток(см рис)
Особенно заметно влияние высших гармоник на напряжение сети при соизмеримости мощностей источника переменного тока и выпрямителя.
| а | б |
Рисунок 1. а - Форма входного тока и напряжения и б-спектр сигнала входного тока преобразователя с диодным выпрямителем
В трехфазных сетях статические преобразователи генерируют последовательность токовых гармоник 5, 7, 11, 13, 17, 19 и более высокое нечетное множество относительно 50Гц фундаментальной частоты питающего напряжения. С увеличением номера гармоники, т.е. с ростом частоты, внутреннее индуктивное сопротивление питающей сети пропорционально возрастает и, как следствие, увеличиваются падения напряжения на этом сопротивлении от протекания высших гармоник тока. Этими же гармониками определяется и искажение кривой напряжения в точке подключения СНВ. С ростом тока нагрузки увеличивается коэффициент несинусоидальности напряжения. Процесс управления выпрямителем приводит к повышению коэффициентов несинусоидальности как тока, так и напряжения. Эффекты, вызываемые высшими гармониками тока могут быть разделены мгновенного и длительного возникновения.
Проблемы мгновенного возникновения включают:
· искажение формы питающего напряжения;
· падение напряжения в распределительной сети;
· резонансные явления на частотах высших гармоник;
· наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
· повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
· вибрация в электромашинных системах.
· снижению электрического и механического КПД нагрузок,
· ухудшению характеристик защитных автоматов
· завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок
Проблемы длительного возникновения включают:
· нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах;
· нагрев конденсаторов ;
· нагрев кабелей распределительной сети.
В настоящее время во многих странах действуют стандарты, определяющие допустимое искажение тока в зависимости от соотношения мощностей источника и потребителе. Это соотношение характеризуется коэффициентом короткого замыкания Кк
,
Кк
=Ik
/ Iн
max
,
где Ik
- действующее значение тока короткого замыкания шин потребителя; Iн
max
-
действующее значение наибольшего потребляемого тока.
Коэффициент определяется в точке соединения шин и потребителя. Например, в стандарте IEEE 519 (Instituteofelectricalandelectronicsengineers - Институт электротехники и электроники) указывается, что ответственность за искажение тока несет потребитель, а за искажение напряжения — поставщик электроэнергии. Взаимоотношения между ними регулируются соглашениями а тарифами оплаты электроэнергии. Международные стандарты IEC 1000-3-2 и IEEE 519-1992 допускают определенный уровень гармоник тока определяемый на основе коэффициента короткого замыкания источника. При коэффициенте 20 или менее нормой допускается только 5% общих токовых гармонических искажений.
В нашей стране согласно ГОСТ 13109-97 несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения
Таблица 1 Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения, в процентах
| Нормально допустимое значение | Предельно допустимое значение | ||||||
| при Uном
, кВ |
при Uном
, кВ |
||||||
| 0,38 | 6-20 | 35 | 110 - 330 | 0,38 | 6-20 | 35 | 110 - 330 |
| 8,0 | 5,0 | 4,0 | 2,0 | 12,0 | 8,0 | 6,0 | 3,0 |
При увеличении глубины регулирования выпрямленного напряжения происходит потребление выпрямителем из питающей сети реактивной мощности, резко возрастающее при увеличении Соответственно, резко возрастает и коэффициент реактивной мощности. Наибольшее потребление реактивной мощности на практике имеет место на шины электростанции (система бесконечной мощности). Реактивная мощность в этой точке складывается из реактивных мощностей, потребляемых как самого выпрямителя, так и внутренним сопротивлением питающей сети. Нормируемые энергоснабжающими организациями величины потребляемой реактивной мощности, как правило, соответствуют значениям . Резкое возрастание и соответственно реактивной мощности преобразователя в процессе управления приводит к значительным отклонениям и колебаниям напряжения в питающей сети.
Для устранения отмеченных выше недостатков простейшего выпрямителя можно рекомендовать активный выпрямитель. Такие выпрямители комплектуются полностью управляемыми вентилями с обратными диодами. С помощью широтно-импульсной модуляции реализуются режимы принудительного формирования сетевого тока. Форму тока приближают к синусоидальной с регулируемой начальной фазой, что и обеспечивает желаемый результат(форму кривой тока и коэффициент мощности). При помощи ККМ возможно не только организовать потребляемый ток сети, совпадающий по форме и фазе с напряжением, но и обеспечить заданный уровень постоянного напряжения на конденсаторе. Кроме того,в электроприводе, за счет связи инвертора-выпрямителя с питающей сетью, возможна обратная рекуперация энергии, получаемая при работе привода в генераторном режиме.
| а | б |
Рисунок 2: а - Форма входного тока и напряжения и б - спектр сигнала входного тока преобразователя с активным выпрямителем
2. ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ КРИВОЙ ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ
2.1 ОДНОФАЗНАЯ ПОЛУМОСТОАВЯ СХЕМА АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
В элементарных схемах выпрямления коммутация тока в вентилях сопровождалась коммутацией токов в фазах питающей сети. В выпрямителях на вентилях с неполным управлением обе коммутации осуществляются параллельно, в выпрямителях на вентилях с полным управлением, сначала осуществляется коммутация тока в вентилях, а затем – токов в фазах. В обоих случаях это приводит к импульсному характеру токов в фазах входного трансформатора и в сети, т. е. к сниженному качеству тока по сравнению с токами линейных потребителей электрической энергии. Можно существенно «выправить» нелинейность вентильного преобразователя по входу, если дать вентильному преобразователю возможность формировать кривую его входного тока. Для этого, очевидно, во-первых, необходимо, чтобы преобразователь был выполнен на полностью управляемых вентилях и, во-вторых, после выключения вентилей оставался путь для продолжения протекания тока фазы через другой, дополнительный вентиль. Однофазная полумостовая схема такого преобразователя на запираемых тиристорах показана на рис. 3.
| а | б |
Рисунок 3: а - Однофазная полумостовая схема активного выпрямителя
б - векторная диаграмма
Здесь дополнительными вентилями являются диоды Д1, Д2. Второе плечо моста образовано конденсаторами С
1, С
2, с которых одновременно как с выходного емкостного фильтра выпрямителя снимается постоянное напряжение Ud
. Входной реактор с индуктивностью L
ф, роль которой может выполнить и индуктивность рассеивания входного трансформатора при его наличии, предназначен для сглаживания пульсаций, обусловленных коммутациями вентилей, в непрерывной (без токовых пауз) кривой входного тока.
Можно промодулировать методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительность проводящего состояния запираемых тиристоров, коммутируемых с повышенной частотой, по синусоидальному закону с частотой, равной частоте напряжения питающей сети. Тогда, при условии постоянства напряжения Ud
на выходе моста, на входе моста образуется широтно-модулированная последовательность двух полярных импульсов u
. Положительный импульс напряжения u
создается при включенном состоянии запираемого тиристора ЗТ2 или диода Д2 (в зависимости от направления тока через это плечо моста), а отрицательный импульс напряжения u
– при включенном состоянии запираемого тиристора ЗТ1 или диода Д1. Под действием разности напряжения сети u
1 и сформированного соответствующим управлением напряжения u
будет протекать непрерывно ток i
1 с пульсациями, ограничиваемый величиной индуктивности L
ф. При определенных соотношениях между этими напряжениями фаза первой гармоники этого тока, как видно из векторной диаграммы на рис. 3б, может равняться нулю.
При достаточном превышении (в десять раз и более) частоты коммутации тиристоров над частотой напряжения сети пульсации тока могут стать малы, т. е. входной ток выпрямителя будет практически синусоидальным.
2.2 ТРЕХФАЗНЫЙ АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Схема активного выпрямителя с питанием от трехфазной сети образуется из трех аналогичных вентильных плеч, как показано на рис. 4. При этом потребность в емкостном делителе напряжения, имеющемся в однофазной схеме, здесь уже отпадает.
Рисунок 4 – Схема трехфазного активного выпрямителя на основе АИН.
В простейшем случае для изучения свойств АВ представим, что нагрузка имеет активный характер. Работа АВ основана на работе повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения, что иллюстрирует рисунок 2.
Рисунок 5 – Работа активного выпрямителя: а) накопление энергии в
дросселях; б) заряд конденсатора в звене постоянного тока
При коммутации транзисторных ключей VT1-VT6 (рис.4) образуются кратковременные короткозамкнутые контуры (КЗК) во всех фазах (рис.5,а). В этот интервал времени накапливается энергия в дросселях Др на входе АВ, а абсолютное значение входного тока увеличивается. Когда же КЗК (рис.5,б) размыкаются, на конденсатор C, который находится в звене постоянного тока, прикладывается напряжение сети и ЭДС, накопленной в ДР, а абсолютное значение входного тока - уменьшается.
Как видно из векторной диаграммы рис. 3б, при отрицательном знаке угла ψ и той же величине напряжения на входе вентильного комплекта u
, ток в цепи переменного тока преобразователя будет в противофазе с напряжением. Это будет означать переход вентильного преобразователя с ШИМ в инверторный режим, так как активная мощность в цепи переменного тока теперь отдается в сеть переменного напряжения. Таким образом имеется возможность рекуперации энергии.
Уменьшением угла управления ψ до нуля можно свести до нуля и активную мощность как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. При этом напряжение в звене постоянного тока сохраняет знак и меняется в ограниченных пределах, что отличает выпрямительно-инверторные режимы в таком преобразователе с ШИМ от выпрямительно-инверторных режимов в преобразователе на вентилях с неполным управлением и фазовым способом регулирования.
2.3МОДНОФАЗНЫЙ ККМ
Если нет требования к необходимости рекуперации энергии из цепи постоянного тока выпрямителя, т. е. к необходимости обеспечения возможности инверторного режима, то схема выпрямителя с принудительным формированием входного тока упрощается и для однофазной сети приобретает вид, показанный на рис. 6 а
, а ее временные диаграммы представлены на рис. 6 б
.
Рисунок 6 - однофазный ККМ : а – схема ККМ
, б - временные диаграммы
Схема содержит однофазную мостовую схему неуправляемого выпрямителя, накопительный реактор Ld
, транзистор (вентиль с полным управлением), накопительный конденсатор С
с разделительным диодом D
. Эта часть схемы после диодного выпрямителя являет, как будет показано во второй части пособия, разновидность повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное. На качественном уровне его режим работы такой. При проводящем состоянии транзистора все выпрямленное напряжение диодного моста прикладывается к накопительному дросселю, при этом ток в нем нарастает (интервал импульса управления U
упр на рис. 6 б
). При выключении транзистора ток накопительного дросселя через разделительный диод D
заряжает накопительный конденсатор С
и питает цепь нагрузки. Модулируя соответствующим образом длительность проводящего состояния транзистора с частотой, во много раз превышающей частоту питающего напряжения, можно сформировать практически синусоидальные полуволны тока в накопительном дросселе Ld
, синфазные с выпрямленным напряжением. Выпрямленный ток в такой однофазной схеме(при проводимости диодов выпрямителя по полпериода сети коммутационная функция моста Ψп – прямоугольное колебание) есть модуль входного тока. Тогда получается практически синусоидальный ток на входе выпрямителя, находящийся в фазе с напряжением сети. При этом выходное напряжение преобразователя Ud
должно быть больше амплитуды выпрямленного напряжения на выходе диодного моста. Это необходимо для обеспечения управления спадом тока накопительного реактора Ld
на интервале выключения транзистора, когда к реактору прикладывается разность указанных напряжений в направлении, обратном, чем на интервале нарастания тока. Формально данный составной преобразователь образован каскадным включением двух простых указанных вентильных преобразователей, получил очень широкое распространение, прежде всего для целей питания стабилизированным напряжением маломощных нагрузок (устройства управления, теле-, радио- и бытовая аппаратура). На Западе эта схема получила название корректора коэффициента мощности
за свое свойство обеспечивать входной коэффициент мощности практически равным единице. Да и родилась она в результате упрощения рассмотренных выше схем однокаскадных выпрямителей с принудительным формированием входного тока, обладающих способностью к рекуперации энергии из нагрузки. Снятие этого требования позволило перенести функцию принудительного формирования кривой тока из цепи переменного тока, как в схемах рис. 3 а и рис. 5, в цепь постоянного тока, как в схеме рис. 6. Схема с двухкаскадным преобразованием и всего одним управляемым вентилем оказалась дешевле схемы с однокаскадным преобразованием, но с двумя управляемыми вентилями.
2.4 "VIENNA" - ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Помимо схемы активного выпрямителя на основе АИН схема, показанной на рис. 7. которая получила в литературе название "Vienna». Схема разработанна в Венском технологическом университете. Достоинствами выпрямителя типа "Vienna", которые определяют его широкое использование, являются: минимальное количество силовых управляемых ключей, минимальное значение индуктивности запасающих дросселей, низкий уровень напряжения на полупроводниковых приборах, не превышающий половины выходного напряжения выпрямителя.
Рисунок 7 - Схема активного выпрямителя "Vienna"
L1, L2 и L3 - входные запасающие индуктивности фаз А. В. С соответственно. В схеме использованы полевые транзисторы (MOSFET). однако возможно применение и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Диоды VD2-VD5. VD8-VD11 и VD14-VD17 - низкочастотные силовые диоды, aVD1. VD6. VD7. VD12. VD13, VD18 - высокочастотные диоды, блокирующие протекание тока от конденсаторов С1 и С2 к транзисторам VT1 - VT3. Конденсаторы С1 и С2 - ёмкостной фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на частоте работы транзисторов. Эти конденсаторы также выполняют функцию делителя напряжения, т.е. образуют виртуальную нулевую точку. сопротивление R1 – моделирует нагрузку выпрямителя – высокочастотный инвертор напряжения. Схема принципиально представляет собой три однофазных выпрямителя повышающего типа, подключенные параллельно к обшей нагрузке. Преобразование схемы однофазного выпрямителя для применения в качестве узла трёхфазной схемы представлено на рис. 2. Оно заключается в переносе индуктивности из пени постоянного тока в пепь переменного тока и добавлении второго развязывающего диода.
Рисунок 8 - Преобразование схемы однофазного выпрямителя
Во включенном состоянии транзисторы закорачивают фазные ЭДС сети на входные индуктивности. На этих интервалах энергия, потребляемая от сети, накапливается во входных икдуктнвностях. При выключении транзисторов энергия из индуктиввостей передается в выходной емкостной фильтр, откуда потребляется нагрузкой. Данный принцип соответствует работе повышающего преобразователя. Формирование импульсов управления транзисторов происходит путем сравнения мгновенных значений фазных токов с опорным треугольным сигналом. Для изменения выходного напряжения активного выпрямителя изменяют амплитуду опорного сигнала. Потребляемый АВ сетевой ток при таком алгоритме управления удовлетворяет жестким требованиям стандарта в широком диапазоне регулирования выходного напряжения
Моменты перехода тока с транзистора на диод фазы А выпрямителя однозначно связаны с моментами изменения производной сетевого тока той же фазы. Это означает, что фазный ток можно формировать, воздействуя только на данной фазы. Это свойство отличает Виенна-выпрямитель от активного выпрямителя, выполненного на базе инвертора напряжения, где подобная независимость процессов формирования фазных токов не присутствует. Поэтому устройство управления Виенна-выпрямителем может быть построено но принципу слежения за сетевым током . Это позволяет для построения систем управления Вненна-выирями-телями использовать опыт, накопленный при разработке однофазных ККМ.
Рисунок 9 - Зависимость напряжения выпрямителя и сетевого тока фазы А
Схема выпрямителя &quo
• индивидуальный контроль тока каждой фазы в отдельности позволяет минимизировать искажения сетевого тока;
• в каждой фазе работает один лишь транзистор на обеих полуволнах входного тока, т.е. схема имеет минимальное количество силовых управляемых ключей и выходных каскадов драйверов.
• нет необходимости формирования "мёртвого времени" в импульсах управления силовыми транзисторами, что упрощает систему управления;
• при аварии нет опасности протекания сквозных токов и закорачивания выходного фильтрующего конденсатора силовыми транзисторами, что повышает надежность;
• при включении силового транзистора к запасающей индуктивности прикладывается не линейное, а фазное напряжение сети, поэтому' значение запасающей индуктивности минимально;
• к силовым транзисторам прикладывается половина выходного напряжения, что позволяет применять полупроводниковые ключи с меньшим классом по напряжению.
Результаты сопоставления достоинств и недостатков Вненна-выиря-мнтеля с другими сетевыми преобразователями с активной коррекцией коэффициента мощности представлены в таблице 3.
Таблица 2 - Основные показатели трехфазных ККМ
| Показатель, параметр | Схема трехфазного ККМ | |
| Активный выпрямитель | Виенна-выпрямитель | |
| Направление потока энергии | Двухквадрантный преобразователь: энергия передается из сети в нагрузку либо в противоположном направлении | Одноквадрантный преобразователь - энергия передается из сети в нагрузку |
| Количество управляемых ключей | 6 | 3 |
| Количество диодов | 6 (в одном комплекте с транзисторами) | 6 отдельных + 6 в комплекте с транзисторами |
| Напряжение на нагрузке | Больше удвоенной амплитуды напряжения сети | |
| С
экв /Um |
Больше | меньше |
| Напряжение на транзисторах | U
н |
U
н /2 |
| Тип применяемых транзисторов | IGBT | МДП или IGBT |
| Индуктивность фазных дросселей | Велика | Мала |
| Емкость конденсаторов фильтра | В 7-8 раз меньше, чем однофазных ККМ той же мощности | В 4 и более раз выше, чем в активном трехфазном выпрямителе |
| Напряжение на конденсаторах фильтра | U
н |
U
н /2 |
| Способ управления | 1)Программное формирование ШИМ по синусоидальному закону (требует повышенных затрат на дроссели); 2)Сложные микропроцессорные способы управления |
Двухпозиционное слежение с пассивной фазой и коррекцией срывов слежения. |
Меньшее напряжение на ключах Виенна-выпрямителя позволяет использовать МДП-транзисторы и работать с высокой частотой коммутации, при этом уменьшаются номиналы дросселей, улучшаются массогабаритные показатели, упрощается система управления. Однако по мере увеличения мощности преобразователя увеличиваются емкости конденсаторов фильтра и затраты на них. Кроме того при проектировании при построении системы управления необходимо учесть ряд важных специфических факторов, которые не позволяют использовать комплект схем управления, разработанный для однофазных ККМ. Поэтому область применения Виенна выпрямителей ограничена мощностью нагрузки порядка 1-5 кВт.
3 СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
3.1 ЭЛЕКТРОПРИВОД
В электроприводах больших мощностей одна из наиболее важных проблем - отдача энергии, особенно в приводах, работающих в повторно-кратковременных режимах, а также, что немаловажно при больших мощностях, улучшить форму, потребляемого из сети тока. Наиболее массовое практическое применение в системах регулируемых электроприводов переменного тока получили двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, а из них - преобразователи с автономными инверторами напряжения. Силовая схема преобразователей данного типа состоит из двух основных звеньев:
• преобразователя напряжения источника питания в постоянное напряжение;
• преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.
Наиболее распространенны ДПЧ, выполненных по схеме "неуправляемый выпрямитель - LC фильтр - тиристорный либо транзисторный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения". Неуправляемый выпрямитель – это диодный мостовой выпрямитель по схеме Ларионова.
Рисунок 9 - Двухзвенный преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем и транзисторным АИН
1. У этого преобразователя недостаточно полно проработаны некоторые вопросы энергосбережения, качества электропотребления и электромагнитной совместимости преобразователей. При использовании пассивного выпрямителя, состоящего из диодного моста и фильтрующего конденсатора, несмотря на малые пульсации выпрямленного выходного напряжения на входе получаем несинусоидальный ток с большими пиковыми значениями. Это значительно понижает коэффициент мощности системы, вызывает существенные радиопомехи. Например, при пульсациях выходного напряжения 10% от напряжения на нагрузке амплитудное значение установившегося потребляемого тока в семь раз превышает значение постоянного тока нагрузки, а коэффициент мощности при этом - не более 0,5. Улучшить форму тока можно путем внесения в цепь дополнительных пассивных элементов. Но это приводит к увеличению массогабаритных показателей устройства, так как реактивные компоненты в таком случае работают на относительно низких частотах. Кроме этого выпрямитель подразумевает поток энергии только в одном направлении от сети в нагрузку. Проблему перенапряжения в звене постоянного тока, возникающую при торможении привода (особенно при большой мощности) в этом типе преобразователя приходится решать с помощью тормозного резистора очень большой мощности, просто рассеивая выделяющуюся энергию в тепло.
Улучшить показатели преобразователей частоты помогает использования в звене постоянного тока выпрямителей с принудительной коммутацией. Структуру силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем напряжения иллюстрирует рис. 5. В силовой цепи последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВН), фильтр Ф и автономный инвертор напряжения АИН. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель АВН, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока V' д на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.
Рисунок 10 - Структура силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения
Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора Uj в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А, В и С. Эти зажимы связаны с питающей сетью через буферные реакторы БР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения на зажимах переменного тока АИН А1, В1 и С1 рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВН постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВН воспринимаются буферными реакторами БР, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором основная (полезная) гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, буферными реакторами. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока.
Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя с помощью системы управления АВН параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А1, В1 и С1, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо "опережающим", либо "отстающим" коэффициентом мощности. Поэтому преобразователь частоты с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.
Как коммутатор тока активный выпрямитель преобразует потребляемый из сети переменный, близкий к синусоидальному, ток в пульсирующий выходной ток, содержащий переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая замыкается через буферный конденсатор, который ограничивает пульсации напряжения Ud в звене постоянного тока от переменной составляющей выходного тока АВН. Заметим, что данный конденсатор выполняет ту же функцию и по отношению к переменной составляющей тока, потребляемого автономным инвертором двухзвенного преобразователя. Постоянная составляющая выходного тока АВН подпитывает буферный конденсатор, компенсируя расход постоянного тока, отдаваемого во входную цепь АИН. Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает чрезвычайно ценным свойством - возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство . сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электрическим двигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть. Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии.
Рисунок 11 – Осциллограмма напряжения в звене постоянного тока
Векторные диаграммы, иллюстрирующие работу АВ без учета активного сопротивления дросселей, представлены на рисунке 4.
Рисунок 12 – Векторные диаграммы работы АВ: а) cosϕ=1; б) 0<cosϕ<1, ϕ<0; в) cosϕ=-1; г) 0> cosϕ>-1, -π/2>ϕ>-π.
Напряжение в звене постоянного тока Ud>Ud0 (Ud0 – амплитуда выпрямленного напряжения мостовой схемы), что подтверждает рисунок 11. Кроме того, АВ может не просто обеспечить cosϕ=1 (рис.12, а), но и генерировать реактивную (рис.12,б) или активную мощность (рис.12,в), а может одновременно совмещать генерацию активной и реактивной мощности (рис.12,г). Однако в режиме генерации реактивной мощности АВ потребляет из сети полный ток I больше (добавляется реактивная составляющая тока), что видно из величины падения напряжения на индуктивности UL, если сравнить рисунки 12,а и 12,б.Осциллограммы фазных напряжения Uф, тока Iф и мощности Pф при работе АВ в двигательном и генераторном режимах, а также в режиме генерации реактивной мощности, полученные путем моделирования в программном пакете MATLAB 6, с использованием его приложений SIMULINK и POWERSYSTEM BLOCKSET - подтверждают теоретические положения статьи и представлены на рисунке 13.
Рисунок 13 – Осциллограммы работы АВ Pф – фазная мощность, Iф – фазный ток сети, Uф – фазное напряжение сети: а) двигательный режим с переходом в генераторный; б) режим генерации реактивной мощности ϕ=30 °
Рисунок14 - Временные диаграммы напряжения питания, потребляемых тока и напряжения: : а) при потреблении энергии, б) при рекуперации энергии.
Временные диаграммы напряжения сети, выпрямленного напряжения и потребляемого тока представлены на рис14: а) при потреблении энергии, б) при рекуперации энергии. Из полученных характеристик видно, что активный выпрямитель позволил стабилизировать выпрямленное напряжение с малым уровнем пульсаций и сформировать синусоидальный ток.
3.2 СВАРОЧНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Активно разрабатываются интегральные решения типа «активный ККМ + ИИСТ» на базе единой силовой части. Целесообразность применения активных корректоров коэффициента мощности (ККМ) в составе сварочных инверторов достаточно давно и активно обсуждается. Преимущества ИИСТ с активным ККМ по сравнению с оборудованием без коррекции коэффициента мощности очевидны. Во-первых, снижается среднеквадратичное значение тока, потребляемого ИИСТ от питающей сети, что позволяет использовать такие сварочные инверторы в маломощных сетях при сохранении заявленного максимального сварочного тока. Во-вторых, повышается стабильность выходного тока и напряжения инвертора, что важно для профессионального оборудования. В-третьих, устраняется влияние ИИСТ на других потребителей, питающихся от той же первичной сети. Несинусоидальный ток, генерируемый нелинейной нагрузкой, протекая по импедансу питающей сети, порождает искажения формы напряжения сети. В спектре потребляемого тока содержатся не только высшие гармоники сетевой частоты, но и гармоники комбинационных частот. Источники сварочного тока, работающие в режимах импульсной модуляции тока дуги (обычно используются частоты модуляции в сотни герц), потребляют ток, в спектре которого, кроме высших гармоник, содержатся также гармоники с частотами ниже основной. Это приводит к «мерцанию» напряжения первичной сети с частотой единицы-десятки герц. В трёхфазных сетях применение ККМ нормализует величину тока, текущего в нулевом проводе. При применении активных ККМ отмечается улучшение качества сварного соединения, уменьшение разбрызгивания металла и снижение пульсаций тока нагрузки с частотой, кратной частоте напряжения питающей сети. По этим причинам сегодня активно разрабатываются интегральные решения, совмещающие функции коррекции коэффициента мощности и источника сварочного тока в одной силовой части Авторами статьи [11] был разработан трёхфазный активный ШИМ-выпрямитель со свойствами источника тока для питания сварочного инвертора. Блок-схема предложенного активного ККМ показана на рисунке 22
. На входе ККМ используется LC-фильтр, состоящий из элементов Lf и Cf и предназначенный для снижения гармоник потребляемого тока. Применение ШИМ-выпрямителя при алгоритме управления с контролем квадратурных компонент вектора фазного тока позволил независимо регулировать активную и реактивную составляющие потребляемой полной мощности, стабилизировать выходное напряжение +Vd
и погасить паразитные колебания тока во входном фильтре LfCf. Разветвлённый алгоритм управления силовыми транзисторами VT1 - VT6 корректора реализован с помощью микроконтроллера MC68HC916Y1 фирмы Motorola.
Рисунок 15 - Активный ККМ понижающего типа со свойствами источника тока
.
4 КРАТКИЙ ОБЗОР ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ АВ
На сегодняшний день ведущими зарубежными и отечественными производителями устройств преобразовательной техники налажен серийный выпуск активных выпрямителей напряжения (АВН) для систем электропривода средней и большой мощности. Например, АВН мощностью от 2,2 до 1500 кВт выпускаются зарубежной фирмой VACON. Мировые производителипреобразовательнойтехникинаосноветопологиисАИНпредлагаютполнуюлинейкумощностейдо2.3МВт, такие как
Siemens Simovert Masterdrive, ABB ACS611, ACS617. Данное борудование
способно обеспечитьэлектромагнитнуюсовместимость, соответствующую мировымстандартам.
Фирма DCYS разработала и выпускает модули VUM 25-05 и VUM 85-05А, рассчитанные на 10 кВт и 30 кВт, из которых собирают трехфазный «Vienna»-выпрямитель. Известная фирма ShneiderElectric предлагает преобразователи частоты Altivar 1000 с встроенным AFE в качестве выпрямителя. ПЧ фирмы TOSHIBA серии EV8 - это ДПЧ для двигателей высокой мощности, который компонуются AFE. Маломощные преобразователи на 750 Вт с активным выпрямителем выпускает фирма MeanWell.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С момента принятия ГОСТ Р 51317.3.2_2006 по эмиссии гармонических составляющих тока, создаваемой статическими преобразователями, в электрических сетях взамен статических преобразователей с низким КМ стали применяться активные ККМ. ККМ позволяет не только улучшить гармонический состав тока потребления, но и повысить мощность подключенного к сети оборудования за счёт поддержания заданного уровня напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока.Помимо улучшения электромагнитной совместимости преобразователя и сети( улучшение гармонического состава тока потребления). ККМ позволяют повысить мощность подключенного к сети оборудования за счёт поддержания заданного уровня напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока, могут обеспечивать двунаправленную передачу энергии от сети в нагрузку и обратно (двухквадрантные ККМ), а также повышение напряжения на стороне постоянного тока, что дает возможность построения бестрансформаторных преобразователей частоты для электропривода и источников бесперебойного питания с выходным напряжением 220 В. Для создания источников питания мощностью более 1 кВт применяют трехфазные ККМ. Среди них наибольшее распространение получил так называемый активный выпрямитель, реализуемый на базе трехфазного инвертора напряжения, функционирующего как в инверторном, так и в обратимом (выпрямительном) режимах..ККМ данного типа широко применимы в электроприводах, источниках питания, частотных преобразователях и другом промышленном электрическом оборудовании. Наряду с активным выпрямителем известен и одноквадрантный трехфазный ККМ Виенна-выпрямитель. Его например, целесообразно использовать в в установках индукционного нагрева."Vienna"-выпрямитель дает дополнительный канал регулирования и расширяет возможности согласования с переменной индукционной нагрузкой обеспечивает электромагнитную совместимость источника питания для индукционного нагрева с питающей сетью, которая сохраняется при изменении выходного напряжения в диапазоне от 600 до 1100 В при постоянной мощности 100 кВт. Такое увеличение выходного напряжения выше используемого сейчас порядка 700...750 В. позволяет при неизменной мощности уменьшить ток инвертора и улучшить условия коммутации его транзисторов.
В электроприводе двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электрическим двигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть. В электроприводе с ККМ установленная полная мощность трансформатора питающей сети по сравнению с сетью без ККМ снижается на 35 %, соответственно уменьшаются сечения подводящих кабелей и расход электроэнергии. Ток потребления при использовании ККМ полностью соответствует требованиям ГОСТ по эмиссии низкочастотных гармонических составляющих в питающую сеть Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии. Здесь необходимо отметить, что альтернативой преобразователя с активным выпрямителем в настоящее время является матричный преобразователь частоты (непосредственный преобразователь частоты на быстродействующих силовых ключах), преимущество которого в однократном преобразовании энергии и сравнительно небольшой величине используемой на его входе емкости. Однако он вместо 12 ключей использует 18, и система импульсного управления у матричного преобразователя на несколько порядков сложнее, чем у двухзвенного преобразователя с автономным инвертором напряжения (АИН) и активным выпрямителем (АВ).
Сегодня активно разрабатываются интегральные решения, совмещающие функции коррекции коэффициента мощности и источника сварочного тока в одной силовой части.
Помимо улучшения гармонического состава тока на входе, применении активных ККМ отмечается улучшение качества сварного соединения, уменьшение разбрызгивания металла и снижение пульсаций тока нагрузки с частотой, кратной частоте напряжения питающей сети. В трёхфазных сетях применение ККМ нормализует величину тока, текущего в нулевом проводе.
На входе активных выпрямителей для избавления от высших гармоник большой кратности нужно ставить широкополосные фильтр, которые имеют меньшую индуктивность по сравнению с обычными фильтрами.
К недостаткам данного типа преобразователей на сегодняшний день стоит отнести их дороговизну и относительную сложность систем управления полупроводниковыми ключами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 ГОСТ 13109 - 97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
2 Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч.1. – 199 с.
3Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. – 2002. – Вып. 6. – С. 12–39
4 И.Ю. Краснов, В.Н. Черемисин Томский политехнический университет
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКТИВНОГО КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕГО РАБОТЫ» Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314. № 492 УДК 519.876.5;537.85;537.872
5 ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ - 1. Иванов А.С., Васильев Н.Ф. Активные выпрямители в электроприводе // XXI Неделя науки СПбГПУ. Ч. VI: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. С. 115-116.
6СЕКЦИЯ «СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ» Подсекция «Автоматизированный электропривод»
УДК 621.313 И.Е.Етувги (5 курс, каф. САУ), А.С.Иванов (асп., каф. САУ), Н.Ф.Васильев, к.т.н., доц.
8. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты, Екатеринбург,УРО РАН, 2000. 654 с.
9
Kolar J.W.. Ertl Н.. Zacn F.C. Design and Experimental Investigation of a Three-Phase High Power Density High Efficiency Unity Power Factor PWM (Vienna) Rectifier Employing a Novel Integrated Power Semiconductor Module. Proceedings
of the 11th TFFF "Applied Power Flerrmiiirs Conference San Jose fCAl USA
10 Петров С. Схемотехника промышленных сварочных инверторов. Современная электроника. 2007. № 8. С. 42-47.
11 HuangJ.Q., ChenSJ., YinS.Y., WangD.P., ZengHua. A novel three-phase welding inverter power supply with high power factor. IEEEICIT03 Proc. Maribor, Slovenia. 2003- PP. 11131118.
12Чаплыгин Е.Е., Нгуен Хоанг Ан Способы управления Виенна-выпрямителем // Практическая силовая электроника, № 21, 2006, с. 11-16.
13 Чаплыгин Е.Е, Нгуен Хоанг Ан Спектральное моделирование корректоровкоэффициента мощности // Практическая силовая электроника, № 15, 2004, с. 23-28.
14 Чаплыгин Е.Е., Нгуен Хоанг Ан Спектральные модели импульсных преобразователей с переменной частотой коммутации // Электричество, № 4. 2006, с. 39-46