Силовая электроника №2'2004

Системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконвертеров

Станислав Резников
Олег Гильбурд


Традиционная структура системы бесперебойного питания переменного тока включает в себя выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности, емкостный сглаживающий фильтр, аккумуляторную батарею, инвертор с синусоидальным напряжением и низкочастотный фильтр переменного тока.


К основным недостаткам указанной структуры относятся:

  1. двойное преобразование энергии;
  2. необратимость направления преобразования (неприемлемость для рекуперативного торможения электроприводов, для взаимосвязи каналов питания и т. п.);
  3. высокая энергоемкость сглаживающего силового конденсатора;
  4. сложность обеспечения синусоидальности выходного напряжения без громоздких низкочастотных фильтров;
  5. наличие, как правило, высоковольтной аккумуляторный батареи;
  6. трудность обеспечения общей точки вход-выход (например, заземленной) и реализации трехфазного исполнения с заземленной нейтралью.

Авторами предлагаются две структуры систем бесперебойного питания, свободные от указанных недостатков и основанные на оригинальных схемах импульсных обратимых непосредственных циклоконвертеров (ОНЦ).

На рис. 1а показан осесимметричный вариант структуры многомодуляторного ОНЦ, подключенного к вершинам емкостного треугольного фильтра (с относительно малыми емкостями силовых конденсаторов).

Рис. 1. Структура многомодуляторного обратимого непосредственного цикпоконвертера (а) и пример осциллограмм напряжений (б)
Рис. 1. Структура многомодуляторного обратимого непосредственного цикпоконвертера (а) и пример осциллограмм напряжений (б)

Данный ОНЦ способен работать в одном из трех возможных режимов:

  1. обратимое преобразование U1 <-> U2 или U2 <-> U3 или с нулевым или 180-градусным фазовым сдвигом;
  2. обратимое преобразование U1 <-> U3 со 180-градусным фазовым сдвигом (со сменой полярности);
  3. вольтодобавочное обратимое преобразование U1 <->±ΔU2 <-> U3 с нулевым фазовым сдвигом.

Последний (вольтодобавочный) режим представляется наиболее энергоэкономичным при выполнении функции стабилизации напряжения, а первый — при питании от аккумуляторной батареи.

На рис. 1б приведен пример осциллограмм напряжений, соответствующий этому режиму.

При появлении на первой полуволне питающего напряжения U1 положительного отклонения (всплеска) ΔU = U1 - U3 относительно заданной синусоиды U3 необходимо на вольтодобавочном силовом конденсаторе С2 сформировать противонапряжение ΔU2 = –ΔU. Для этого в течение каждого периода широтно-импульсного модуля сначала включаются электронные ключи ЭК1 и ЭК5, происходит нарастание тока в дросселе L, затем вместо указанных ключей включаются ключи ЭК2 и ЭК3, и ток дросселя спадает при подзарядке С2. Указанные циклы периодически повторяются (с относительно высокой частотой) с управляемой по обратной связи относительной длительностью γ по закону ΔU2 = (γ/(1-γ))U1 (в случае непрерывного тока в дросселе). После прохода вершины всплеска для снижения величины в течение каждого периода широтно-импульсного модуля ДU2 сначала включаются ЭК2 и ЭК3, а затем вместо ЭК3 включается ЭК5, после чего подзаряжается С3.

При появлении на первой полуволне U1 отрицательного отклонения (провала) ДU необходимо на С2 сформировать вольтодобавку ΔU2 = ΔU.

Для этого в течение периода ШИМ сначала включаются ЭК1 и ЭК5, а затем вместо ЭК5 — ЭК1 и т. д. Для снижения величины AU2 в течение того же периода сначала включаются ЭК1 и ЭК5, а затем вместо них — ЭК2 и ЭК5.

Аналогичным образом парируются отклонения и на отрицательной полуволне U1.

Симметрия структуры позволяет аналогичным образом осуществлять обратное питание — со стороны U3, например, при рекуперативном торможении электропривода, при форсированном гашении магнитного поля (например, возбуждения электромашин) или при взаимодействии двух каналов (сетей).

На рис. 2 приведена принципиальная схема системы бесперебойного питания на базе многомодуляторного ОНЦ и аккумуляторной батареи АБ, подключаемой параллельно С2. При аварийном исчезновении сетевого питания U1 сначала включается тиристор VS и выключается симистор VSS, а затем симис-тор VS шунтируется контакторным ключом Кл для снижения тепловых потерь. При этом ОНЦ работает в качестве инвертора с синусоидальным выходным напряжением U3.

Рис. 2. Система бесперебойного питания на базе многомодуляторного обратимого непосредственного циклоконвертера
Рис. 2. Система бесперебойного питания на базе многомодуляторного обратимого непосредственного циклоконвертера

Питающая сеть может быть подключена либо со стороны U1, либо со стороны U2. При этом схема позволяет выбирать режимы (прямоходовые — с понижением или с повышением напряжения, и обратноходовой) в зависимости от соотношения между напряжениями и в соответствии с их полярностями.

Наличие общей точки для входа и выхода позволяет не только использовать общее заземление, но и без затруднений применить схему для трехфазной сети (с тройным комплектом ОНЦ).

Компьютерное «квазианалоговое» моделирование данной схемы показало, что при амплитудно-модулированных колебаниях питающего напряжения порядка 20-30% и номинальной мощности 3-4 кВт стабилизация в вольтодобавочном режиме по сравнению с режимом прямого преобразования позволяет снизить тепловые потери в IGBT биполярных транзисторах на 40-50% (при частоте модуляции 15 кГц).

Если пожертвовать наличием общей точки вход-выход, то можно реализовать двухмодуляторный вариант ОНЦ (вместо рассмотренного 10-модуляторного). В этом случае функция циклического изменения структуры каналов преобразования может быть возложена на низкочастотные тиристоры и симисторы. Такой вариант представляется рациональным в случае относительно высоких значений амплитуд рабочих напряжений (например, √2x380B) при относительно больших номинальных токах (200-400 А и более). В этом случае возможен существенный выигрыш в стоимости системы, так как модульные IGBT биполярные транзисторы с предельными значениями 200-400 А и 1200-1700 В в комплекте с драйверами в настоящее время имеют относительно высокую стоимость.

Рис. 3. Система бесперебойного питания на базе двухмодупяторного обратимого непосредственного циклоконвертера
Рис. 3. Система бесперебойного питания на базе двухмодупяторного обратимого непосредственного циклоконвертера

На рис. 3 показана запатентованная авторами принципиальная схема силовой части системы бесперебойного питания на базе двухмодуляторного ОНЦ. Для повышения КПД в схеме предусмотрены только прямоходовые режимы импульсной модуляции:

а) с понижением напряжения согласно соотношению: U2 = U х γ (обозначен зеленым цветом; сплошная линия — нарастание тока дросселя, пунктирная — снижение тока);

б) с повышением напряжения согласно соотношению: U2 = (1/(1-γ))U1(обозначен красным цветом). При полярности питания «±» работает второй импульсный модулятор ИМ2, а при  -+ ИМ1. В режиме стабилизации напряжения симисторный мостовой реверсор (МР) может быть зашунтирован контактами К1 и К2. В режиме питания от аккумуляторной батареи АБ работают ИМ2 и МР. Благодаря МР возможен режим смены выходной фазы на 180° по отношению к входной (смена полярности).

Выводы

Предложенные схемы системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконвертеров по сравнению с традиционными аналогами имеют следующие преимущества:

  • однократное (непосредственное) преобразование энергии, позволяющее повысить КПД, особенно при вольтодобавочном режиме;
  • обратимость направления преобразования, позволяющая осуществлять рекуперацию энергии (например, при торможении электропривода, форсированном гашении магнитного поля, взаимосвязи каналов питания и т. п.);
  • отсутствие сглаживающего силового конденсатора с большой энергоемкостью;
  • произвольное значение номинального напряжения резервной аккумуляторной батареи и произвольная нестабильность ее реального напряжения;
  • наличие общей точки вход-выход, (например, заземленной) и простая реализация трехфазного исполнения (для варианта с многомодуляторным ОНЦ);
  • обеспечение синусоидальности выходного напряжения без громоздких низкочастотных фильтров.
  • Результаты моделирования и экспериментальных исследований рассмотренных схем позволяют рекомендовать их для проектирования перспективных систем бесперебойного питания в широком диапазоне мощностей (до 150-250 кВт) на базе IGBT биполярных транзисторов.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_02_60.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо