Силовая электроника №4'2007

Импульсные регуляторы амплитуды с коррекцией формы переменного напряжения для транспортных и стационарных электроэнергосистем

Станислав Резников
Игорь Соловьев
Николай Гуренков

Рассмотрены структуры и схемы импульсных регуляторов амплитуды с коррекцией формы переменного напряжения на базе непосредственных или трансформаторных обратимых циклоконверторов с повторением частоты. В качестве примеров возможного широкого применения в области электроники подробно рассмотрены системы бесперебойного питания и блок обеспечения электробезопасности и согласования.

Совершенствование силовых IGBT и MOSFET-транзисторов позволяет широко внедрять различные схемы импульсных регуляторов амплитуды с коррекцией формы переменного напряжения (ИРА-КФ), называемые также дискретными стабилизаторами и формирователями переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием [1–3]. По сути, такие устройства можно отнести к обратимым циклоконверторам с повторением частоты и активной фильтрацией основной гармоники. Однако термин «циклоконвертор» исторически закрепился за преобразователями высокой частоты в низкую путем амплитудной или широтной модуляции с последующей демодуляцией. Указанные разночтения понятия «циклоконвертор» соответствуют изменению определения для термина «конвертор», под которым когда-то понимался преобразователь переменного напряжения в постоянное (обобщенный выпрямитель), а в последние десятилетия — преобразователь постоянного напряжения в постоянное.

Применение ИРА-КФ может быть весьма широким:

  • системы бесперебойного питания [4];
  • стабилизаторы амплитуды и формы переменного напряжения для нагрузок с высоким качеством питающей электроэнергии;
  • корректоры коэффициента мощности сети, активные фильтры и компенсаторы;
  • устройства согласования синхронных (синфазных) сетей;
  • выходные регуляторы и стабилизаторы для магнитоэлектрических генераторов (МЭГ) с приводом постоянной частоты вращения (ППЧВ);
  • блоки обеспечения электробезопасности и согласования (обобщенные трансформаторы с промежуточным высокочастотным звеном);
  • регуляторы скорости электродвигателей переменного тока с кодо-импульсным амплитудно-частотным разгоном и стабилизацией скорости и др.

Основной трудностью реализации ИРА-КФ является обеспечение обратимости преобразования, необходимой для питания реактивных нагрузок или согласования синхронных (синфазных) сетей. Обобщенная структура ИРА-КФ, обеспечивающая указанное обратимое преобразование, показана на рис. 1, где обозначены: М — модулятор, ДМ — демодулятор, Тр — трансформатор (автотрансформатор), ШИР — широтно-импульсный регулятор. Структура может быть и бестрансформаторной, то есть с непосредственным преобразованием. Вход и выход могут иметь или не иметь общую точку, например нейтраль трехфазной сети.

Обобщенная структура ИРА-КФ

В качестве наиболее характерного примера применения ИРА-КФ рассмотрим системы бесперебойного питания.

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:

  • двойное преобразование энергии;
  • необратимость направления преобразования (неприемлемость для рекуперативного торможения электроприводов, для взаимосвязи каналов питания и т. п.);
  • высокая энергоемкость сглаживающего конденсатора;
    • сложность обеспечения синусоидальности выходного напряжения без громоздких низкочастотных фильтров;
    • как правило, наличие высоковольтной аккумуляторной батареи;
    • трудность обеспечения общей точки входа-выхода (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 или трансформаторных конвертеров (ОНЦ или ОТЦ).

На рис. 2а показан осесимметричный вариант структуры многомодуляторного ОНЦ, подключенного к вершинам емкостного треугольного фильтра (с относительно малыми емкостями конденсаторов) [4].

Структура многомодуляторного обратимого непосредственного циклоконвертера и пример осциллограмм напряжения

Данный ОНЦ способен работать в одном из трех режимов:

  • обратимое преобразование U1 ? U2 или U2 ? U3 с нулевым или 180-градусным фазовым сдвигом;
  • обратимое преобразование U1 ? U3 со 180-градусным фазовым сдвигом (со сменой полярности);
  • вольтдобавочное (вольтвычитающее) обратимое преобразование U1 ? ±ΔU2 ? U3 с нулевым фазовым сдвигом.

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

На рис. 2б приведен пример осциллограмм напряжений, соответствующий этому режиму.

При появлении на первой полуволне питающего напряжения U1 положительного отклонения (всплеска) ΔU = U1U3 относительно заданной синусоиды U3 необходимо на вольтдобавочном 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 = γU1/(1 – γ) (в случае непрерывного тока в дросселе). После прохода вершины всплеска для снижения величины в течение каждого периода широтно-импульсного модуля ΔU2 сначала включаются ЭК2 и ЭК3, а затем вместо ЭК3 включается ЭК5, после чего подзаряжается С3.

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

Для этого в течение периода ШИМ сначала включаются ЭК1 и ЭК5, а затем вместо ЭК5 — ЭК1 и т. д. Для снижения величины ΔU2 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. 3 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 симистор VS шунтируется контакторным ключом Кл для снижения тепловых потерь. При этом ОНЦ работает в качестве инвертора с синусоидальным выходным напряжением U3.

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, а также 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 вольтдобавочном режиме по сравнению с режимом прямого преобразования позволяет снизить тепловые потери в IGBT-транзисторах на 40–50% (при частоте модуляции 15 кГц).

На рис. 4 приведены схема и временные диаграммы системы бесперебойного питания на базе вольтдобавочного (вольтвычитающего) обратимого трансформаторного циклоконвертера (ОТЦ).

Схема и временные диаграммы системы бесперебойного питания на базе вольтдобавочного ОТЦ

ОТЦ содержит два идентичных полумостовых обратимых модуляторно-демодуляторных блока (М-ДМ и ДМ-М).

Следует особо отметить, что трансформатор (Тр) в данной схеме может быть выполнен в двух вариантах:

  1. в обычном (беззазорном), но с увеличенным рассеянием для реактивного токоограничения;
  2. в виде трансреактора (двухобмоточного дросселя с зазором в сердечнике), но с малым рассеянием.

Во втором варианте демодуляция (ДМ) производится в обратноходовом режиме.

Схема снабжена резервным каналом питания от аккумуляторной батареи (АБ) через переключатели (П1, 2).

В качестве менее распространенного примера применения ИРА-КФ рассмотрим блок обеспечения электробезопасности и согласования (БЭБС), схема которого приведена на рис. 5. Он представляет собой универсальный защитно-развязывающий, согласующий и стабилизирующий вторичный источник питания на базе повторителя частоты с промежуточным высокочастотным трансформаторным транзисторным импульсным обратимым модулятором и переключателем уровней выходных напряжений.

Силовая схема блока обеспечения электробезопасности и согласования

Схемотехнические и эксплуатационные достоинства:

  1. существенно выигрывает по массе, габаритам и стоимости по сравнению с автостабилизаторами на базе низкочастотных трансформаторов при сохранении применимости к нагрузкам с произвольным соотношением активно-реактивных составляющих, а также с приемлемо высокими КПД и надежностью;
  2. имеет высокую ремонтопригодность благодаря компактности, простоте и модульному исполнению;
  3. позволяет гибко наращивать выходную мощность путем параллельного соединения (благодаря гальванической развязке и независимой самосинхронизации).
  4. включает в себя функции сетевых фильтров для защиты от импульсов напряжения электромагнитных радиочастотных помех группы бытовых потребителей.

БЭБС используется для подключения к розеткам сетевого питания группы или одного из бытовых, офисных, исследовательских и промышленных приборов. Обеспечивает электробезопасность их эксплуатации за счет гальванической развязки и понижения напряжения (при возможности использования низковольтного прибора), стабилизирует выходные синусоидальные напряжения трех уровней (220–240 В, 110-–127 В, 36 В; 50/60 Гц), подавляет высоковольтные импульсы, защищая прибор, отфильтровывает электромагнитные радиочастотные помехи, а также обеспечивает зарядку низковольтного аккумулятора (12 В). Устройство пригодно также для питания от розетки трехфазной сети (три блока в цепях «фаза — нейтраль»). Позволяет наращивать выходную мощность путем параллельного включения блоков.

Бытовое применение — в качестве промежуточного защитно-стабилизирующего звена при питании от сети серийно выпускаемых бытовых приборов.

Промышленное, офисное и исследовательское применение:

  • Гальваническая развязка, стабилизация и защита от высоковольтных импульсов для лабораторных стендов, измерительных приборов, кондиционеров и компьютеров.
  • Использование для развязки с трехфазной сетью (три блока в цепях «фаза — нейтраль»).

Выводы

Предложенные схемы системы бесперебойного питания, а также блока обеспечения электробезопасности и согласования с ИРА-КФ на базе обратимых непосредственных или трансформаторных циклоконвертеров по сравнению с традиционными аналогами имеют следующие преимущества:

  • однократное (непосредственное) преобразование энергии, позволяющее повысить КПД, особенно при вольтдобавочном режиме;
  • обратимость направления преобразования, позволяющая осуществлять рекуперацию энергии (например, при торможении электропривода, форсированном гашении магнитного поля, взаимосвязи каналов питания и т. п.);
  • отсутствие низкочастотных трансформаторов и сглаживающих конденсаторов с большой энергоемкостью и реактивной мощностью;
  • произвольное значение номинального напряжения резервной аккумуляторной батареи и произвольная нестабильность ее реального напряжения;
  • наличие общей точки входа-выхода (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 перечисленных в работе применений, в широком диапазоне мощностей (до 150–250 кВт) на базе IGBT и MOSFET-транзисторов.

Литература

  1. Миловзоров В. П., Мусолин А. К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1986.
  2. Кобзев А. В., Лебедев Ю. М., Михальченко Г. Я. и др. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. М.: Энергоатомиздат, 1986.
  3. Сергиев Б. С., Чечулина А. М. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. М.: Тренспорт, 1998.
  4. Резников С. Б., Гильбурд О. Л. Системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконвертеров // Силовая электроника. 2004. № 2.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_04_60.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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