Силовая электроника №1'2007

Принцип «импульсного деления тока» и его применение в трехфазных мостовых инверторах с синусоидальными выходными токами

Станислав Резников
Александр Соколов

В статье рассматривается новый принцип «импульсного деления тока», позволяющий регулировать распределение заданного суммарного тока по «n» каналам, а также наоборот – «размножать» и «умножать» заданный ток. На его базе построены схемы трехфазных (в частности высоковольтных) мостовых инверторов тока с синусоидальными выходными токами при активно-индуктивных нагрузках, в частности, электродвигателях, причем без емкостного фильтра переменного тока. Помимо снижения массы и габаритов системы питания схемы позволяют исключить автоколебания, расширять диапазон регулирования с повышенным cos fi1 в цепи нагрузки, а главное – существенно снизить тепловые потери в электродвигателе и питающем кабеле (повысить КПД и рабочий ресурс изоляции).



В силовой электронике под инверторами тока обычно подразумеваются преобразователи постоянного тока силового реактора в прямоугольный двуполярный ток (или в несколько таких токов). При трехфазном исполнении ток силового реактора («звена постоянного тока») обычно циклически (поочередно) коммутируется по фазам с помощью мостового транзисторного или тиристорного коммутатора. Если при этом в нагрузке образуются общие для всех фаз паузы, то в них ток силового реактора закорачивается через любую пару плеч коммутатора. Стабилизация и плавное регулирование тока силового реактора обычно обеспечивается предвключенным управляемым выпрямителем (в случае преобразователя частоты), либо импульсным конвектором (ШИМ, ЧИМ или порогово-релейным преобразователем напряжения).

В первом случае проявляется сильное преимущество инвертора тока перед инвертором напряжения в отношении регулируемого электропривода: возможность рекуперации энергии в сеть путем перевода выпрямителя и инвертора на взаимно-обратные функции.

При работе на чисто активную (резистивную) нагрузку с прямоугольными токами линейные выходные напряжения также будут двуполярно-прямоугольными. При подключении в качестве нагрузки сети переменного напряжения «бесконечной» мощности или сильноточного (энергоемкого) параллельного индуктивно-емкостного колебательного контура выходное напряжение инвертора тока будет синусоидальным. При этом cos φ1 для основных гармоник тока и напряжения будет зависеть от временных фаз коммутации и может принимать значения от 0 до 1. Однако коэффициент мощности

учитывающий помимо реактивной мощности (Q) мощность искажений (Т) в составе полной мощности

при прямоугольных фазных токах не может быть близким к 1. Этим обстоятельством определяются повышенные тепловые потери в питаемых электродвигателях и соединительных проводах. Во многих случаях указанные потери приводят к перегреву двигателей и существенному снижению рабочего ресурса для изоляции (особенно при высоковольтном исполнении и неблагоприятных климатических условиях).

К основному недостатку инвертора тока относится неприемлемость выключения цепи для тока реактора или переключения этой цепи на цепь с последовательной индуктивностью (например, индуктивностью рассеяния трансформатора). Такие коммутации вызывают недопустимые перенапряжения на полупроводниковых ключах. Поэтому необходимо предусматривать наличие защитных цепочек — либо накоротко шунтирующих, либо емкостных— для коммутируемого тока реактора и токов индуктивных нагрузок. Наиболее простым вариантом обеспечения таких цепочек является трехфазный выходной емкостный фильтр, выполняющий также функцию фильтра напряжения низкой частоты, функцию компенсаторов реактивной мощности нагрузки (для повышения cos φ1), а иногда и функцию запирания силовых тиристорных ключей. Однако наличие такого фильтра определяет следующие недостатки преобразователя:

  • существенные масса и габариты;
  • возникновение автоколебаний;
  • узкий диапазон регулирования частоты;
  • сильная зависимость величины cos φ1 от частоты.

Все вышеперечисленные недостатки существенно тормозят развитие силовой электроники и электротехники, особенно в области регулируемых электроприводов, параллельной работы источников и сетей переменного тока и многих других. Для их устранения предлагается применить новый, достаточно простой принцип «импульсного деления тока».

Схемы импульсных делителей
Рис. 1. Схемы импульсных делителей: а) постоянного напряжения и б) постоянного тока

В статьях [1–4] достаточно подробно описан принцип активного (импульсного) деления постоянного напряжения на базе обратимых ШИМ-регуляторов (инвертирующего типа). Если применить принцип дуальности основных электротехнических пассивных и активных элементов, то аналогичный принцип можно использовать для импульсного деления постоянного тока. На рис. 1 упрощенно показаны схемы импульсных делителей постоянного напряжения (рис. 1а) и постоянного тока (рис.1б). Первая из них содержит идеальный источник напряжения (Е), батарею конденсаторов (С1С3), два дозирующих дросселя (L1, L2) и четыре управляемых однонаправленных электронных ключа (ЭК1ЭК4). Благодаря образованным из этих элементов четырем инвертирующим ШИМ-регуляторам легко реализуется так называемый принцип «транспортирования заряда» и его произвольного перераспределения по обкладкам конденсаторов батареи. При любых токах нагрузок, подключаемых к выходным клеммам делителя, можно распределить напряжение питания (Е) с любым заданным соотношением между выходными напряжениями U1, U2, U3 в соответствии с равенством:

Этот принцип является обратимым, то есть позволяет «размножить» и «умножить» заданное напряжение. Если к зажимам С3 подсоединить источник напряжения (Е), то на зажимах С1 и С2 получим заданные напряжения U1 и U2, а на общих зажимах батареи — суммарное напряжение:

Схема на рис. 1б содержит идеальный источник тока (J), нагрузочные дроссели (L1–3), два (или три) дозирующих конденсатора (С1, С2 или С1С3), три управляемых однонаправленных электронных ключа (ЭК1ЭК3), два (или три) управляемых двунаправленных электронных ключа (ЭК4, ЭК5 или ЭК4ЭК6), а также три развязывающих диода (VD1VD3). Благодаря образованным из этих элементов (ЭК1ЭК6, С1С3) трем импульсно-емкостным дозаторам можно при любых напряжениях на нагрузочных дросселях распределять ток питания (J) с любыми соотношениями между токами I1, I2, I3, в соответствии с равенством: I1 + I2 + I3 = J.

Рассмотрим следующий пример.

Пусть ЭК1ЭК3 замкнуты, все три тока нагрузок равны между собой (I1 = I2 = I3 = 1/3×J), и требуется произвести обнуление второго тока с обеспечением равенства:

Для этого включим и будем держать постоянно включенными ЭК4 и ЭК5. На короткое время паузы Δt выключаем ЭК2. В первый момент после выключения ЭК2 все три нагрузочных тока остаются прежними (I1(0) = I2(0) = I3(0) = 1/3×J), но части токов ЭК1 и ЭК3, равные 1/6×J, вынуждены начать протекать по цепям соответствующих конденсаторов С1 и С2, заряжая их за время паузы Δt дозами энергии ΔWдо напряжений ΔU. К моменту окончания паузы ток I2 уменьшается на величину ΔI, а токи I1 и I3 увеличиваются в цепи на величину 1/2ΔI. После включения ЭК2 энергия каждого из конденсаторов C1 и ЭК2 полностью или частично передается в цепи нагрузочных дросселей L1 и L3, еще более увеличивая токи I1 и I3. Далее описанный процесс периодически повторяется до полного обнуления тока I2, после чего ЭК2 может окончательно выключиться, а ЭК1 и ЭК3 — включиться. Скорость и время заданного перераспределения нагрузочных токов определяются допустимым перенапряжением на дозирующих конденсаторах, которое может регулироваться относительными величинами пауз при ШИМ-регулировании.

Нетрадиционность этой схемы определяется не только «импульсным делением тока», но и тем, что в ней источник тока (возможно, плавно регулируемый) включен последовательно с индуктивными нагрузками (возможно, произвольно изменяющимися), тогда как обычно регулируемый источник тока способен работать с переменной нагрузкой только если она имеет активно-емкостной характер или представляет собой плавно регулируемую противо-ЭДС.

Вариант схемы «размножения» и «умножения» тока
Рис. 2. Вариант схемы «размножения» и «умножения» тока

Таким образом, суть рассматриваемого принципа «импульсного деления тока» сводится к возможности регулируемого распределения заданного суммарного тока по n каналам. Кроме того, этот принцип является обратимым, то есть позволяет «размножить» и «умножить» заданный ток. Если в одном из каналов разветвления (рис. 2) включен источник тока (J), то в n–1 других каналах получим заданные токи (I1 и I2), а в общем канале получим суммарный ток:

Все описанные свойства рассматриваемого принципа позволяют создать многофазный инвертор тока с синусоидальными выходными токами при активно-индуктивной нагрузке (в частности, электродвигателей), причем без емкостного фильтра переменного тока.

Трехфазный мостовой инвертор тока (ТМИТ) с синусоидальными выходными токами на базе импульсного делителя тока (ИДТ) (корректора коэффициента выходной мощности)
Рис. 3. Трехфазный мостовой инвертор тока (ТМИТ) с синусоидальными выходными токами на базе импульсного делителя тока (ИДТ) (корректора коэффициента выходной мощности)

На рис. 3 приведена схема трехфазного мостового инвертора тока (ТМИТ) с синусоидальными выходными токами на базе импульсного делителя тока (корректора коэффициента выходной мощности). На входе инвертора включен понижающий конвертор (VTвхVD1), в функции которого входят:

  1. формирование в силовом реакторе (Lср) пульсирующего тока с частотой пульсации, в шесть раз превышающей частоту выходного фазного тока (с амплитудой Im), и с глубиной пульсации (1–(√3/2))×Im;
  2. регулирование амплитуды и частоты пульсации в соответствии с требуемым амплитудно-частотным регулированием выходных фазных токов.

Диод VD2 служит для защиты транзисторов от перенапряжений в случае помеховых и аварийных сбоев или обрывов. Мостовой инвертор собран на транзисторах (VT1VT6) и диодах (VD3VD8), а в качестве двуполярных электронных ключей в ветвях с дозирующими конденсаторами (C1C3) служат встречно-парные тиристоры (VS1VS6). Принцип распределения общего тока силового реактора (I) по фазным выходным каналам (А, В, С) остается тем же, что и описанный выше, а алгоритм ШИМ-регулирования VT1VT6 и включения пар тиристоров VS1VS6 обеспечивает на выходе трехфазную систему синусоидальных токов.

В некоторых случаях требуется с помощью распространенных IGBT-транзисторов с допустимым напряжением 1700 В реализовать ТМИТ с более высоким выходным напряжением, например, до 2400 В, что связано с относительно большой длиной нагрузочного кабеля. Такая необходимость появляется, например, при питании электродвигателя привода погружного насоса для нефтедобычи. В этих случаях длина кабеля питания может достигать 3 км и более.

На рис. 4 показан высоковольтный вариант ТМИТ с синусоидальными выходными токами. В этой схеме входной емкостный фильтр (Cф1, 2) выполнен со средней (заземленной) точкой. Силовой реактор (Lср) выполнен двухобмоточным, а понижающий входной конвертор — расщепленным (VT1, 2вх). Каждый из электронных ключей мостового инвертора выполнен парно-модульным с заземленной через развязывающий диод (VD5VD10) средней точкой — по типу схемы трехступенчатого инвертора [5]. Включение ключа производится с небольшим временным запаздыванием транзистора, соединенного с Lср, относительно второго в данной паре, а выключение — наоборот. Благодаря этому напряжение на любом из выключенных транзисторов в приведенной схеме не превышает половины питающего постоянного напряжения Un. Аналогичным образом можно построить на базе тех же транзисторов и более высоковольтные схемы [6].

Высоковольтный вариант ТМИТ с синусоидальными выходными токами
Рис. 4. Высоковольтный вариант ТМИТ с синусоидальными выходными токами

Литература

  1. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электроприводов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.
  2. Резников С., Булеков В., Болдырев В., Бочаров В. Новый принцип обратимого выпрямительно-инверторного преобразования с ШИМ-коррекцией мощности // Силовая электроника. 2005. № 1.
  3. Резников С., Чуев Д. Эффективные структуры транспортных каналов генерирования постоянного повышенного напряжения с электротрансмиссионной системой запуска силовых установок // Силовая электроника. 2006. № 2.
  4. Резников С., Чуев Д., Ильинский Ю., Милославский А. Бестрансформаторные высоковольтные составные ШИМ-конверторы с активным самовыравниванием напряжений«транспортеры заряда» // Компоненты и технологии. 2006. № 6.
  5. Чибиркин В., Боок А., Завгородний В., Арискин О.,Шестоперов Г. Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов постоянного тока // Силовая электроника. 2005. № 2.
  6. Белов Г. А. Высокочастотные тиристорнотранзисторные преобразователи постоянного напряжения. М.: Энергоатомиздат. 1987.


*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_01_78.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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