Силовая электроника №4'2009

Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть II. Обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов. Приближенные критерии оценки элементов

Станислав Резников

Владимир Бочаров

Евгений Парфенов

Николай Гуренков

Александр Корнилов

Данная статья продолжает цикл, посвященный выбору способов и схемотехнических решений, обеспечивающих сохранение качества электроэнергии питающей сети и допустимого уровня генерируемых электромагнитных помех при работе вторичных источников импульсного питания (ВИИП) с емкостным накопителем в составе автономных систем (АСЭС), в частности транспортных.

Все статьи цикла:

Обзор и систематизация известных структур и схем основных узлов ВИИП

Помимо своего прямого функционального назначения — циклической зарядки выходного емкостного накопителя, ВИИП обязан обеспечить сохранение качества электроэнергии питающей сети, параметры которого рассмотрены в [1].

В связи с этим рассматриваются только такие структуры ВИИП, с помощью которых принципиально возможно решение основной задачи — локализации импульсных возмущений со стороны импульсных потребителей в автономных системах централизованного электроснабжения переменного тока ограниченной мощности. Они отличаются массо-габаритными, энергетическими и другими характеристиками, и важно сделать обоснованный выбор конкретных схем ВИИП в зависимости от технических требований и условий применения [2-10].

Структурные схемы ВИИП с постоянным входным током

Классификация и анализ схем показали, что рациональными структурами ВИИП, обеспечивающими постоянство входного сопротивления, то есть сохранение качества напряжения сети, являются (рис. 1-5):

  • ВИИП с электромашинным преобразователем;
  • ВИИП с индуктивно-емкостным преобразователем;
  • ВИИП с дозатором энергии (емкостным или индуктивным), шунтируемым на время паузы с помощью активного, индуктивного или емкостного элемента;
  • комбинированные ВИИП с промежуточным емкостным накопителем, содержащие стабилизатор входного тока и зарядный преобразователь.

ВИИП с электромашинным преобразователем (рис. 1) содержит асинхронный двигатель АД и синхронный генератор Г с электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением, выпрямитель В и накопительный конденсатор Сн (конденсаторы Ск применены для продольной или поперечной емкостной компенсации реактивности генератора).

К преимуществам таких ВИИП следует отнести относительно малые величины модуляции и нелинейных искажений питающего напряжения, к недостаткам — низкую надежность, ограниченный ресурс из-за вращающихся частей, наличие шума и вибраций, относительно низкие КПД и коэффициент мощности.

В состав ВИИП с индуктивно-емкостным преобразователем (ИЕП) (рис. 2), помимо ИЕП, входит повышающий трансформатор Тр, выпрямитель В, шунтирующий ключ К и накопительный конденсатор Сн. Указанная структура характеризуется отсутствием демпфирующего промежуточного накопителя. Сглаживание низкочастотных возмущений в сети из-за зарядных процессов осуществляется путем перераспределения потребляемой мощности между активной и реактивной составляющими.

Шунтирование ИЕП может выполняться как в цепи переменного (ключ К1), так и постоянного тока (ключ К2).

Достоинствами ВИИП с ИЕП являются простота, надежность и высокий КПД, недостатками — низкий коэффициент мощности и наличие модуляции потребляемой активной мощности.

В состав ВИИП с дозатором энергии, шунтируемым в паузе, входят: входной выпрямитель с Lс-фильтром (Ф), дозатор энергии — емкостный Сд (ЕДЭ) или индуктивный Lд (ИДЭ), шунтирующий элемент — активный(Rш), емкостный (Cш) или индуктивный (Др2) и емкостный накопитель Сн.

Дозатор энергии обычно представляет собой вторичный источник постоянной мощности, который при фиксированной частоте коммутации ключей (К1 — ЕДЭ, К2 — ИДЭ) и при обеспечении полной отдачи энергии дозирующего элемента в нагрузку потребляет из сети постоянную мощность, а следовательно — постоянный ток независимо от изменения нагрузки. Рассмотрим особенности работы каждого из дозаторов при различных шунтирующих элементах.

Емкостный дозатор (рис. 3а) не требует применения схем запирания тиристоров в случае их использования в качестве ключей К1 и К2. КПД емкостного дозатора определяется, в основном, добротностями дросселей Др1 и Др2 и может быть достаточно высоким. При шунтировании с помощью ключа К4 дроссель Др2 выполняет роль индуктивного накопителя. Частично ту же роль дроссель Др2 выполняет в начальной стадии зарядки емкостного накопителя Сн, что способствует повышению КПД. Установка повышающего трансформатора на выходе емкостного дозатора (с целью использования в качестве ключей К1 и К2 низковольтных тиристоров) вызывает снижение КПД, связанное с существенными потерями в стали при ступенчатом напряжении и большими потерями в меди из-за разрядки относительно малой емкости на большую.

Индуктивный дозатор энергии (рис. 3б) отличается простотой и надежностью, однако его применение ограничивается в связи такими недостатками, как:

  • необходимость специальной схемы запирания тиристора в случае его использования в качестве ключа К1;

  • низкий КПД и большая установленная мощность элементов при существенных величинах емкостей рабочего накопителя и шунтирующего конденсатора (Сш) в связи с необходимостью выбора малой величины Lд, а следовательно — большой величины тока Iд, соответствующего дозе энергии LдIд2/2;

  • невозможность накопления энергии в индуктивности дросселя (при фиксированной частоте коммутации) во время зарядной паузы и начальной стадии зарядки, что дополнительно снижает КПД.

Применение емкостного шунтирующего элемента Сш при прочих равных условиях повышает КПД системы, но может существенно повысить ее массу при относительно большой величине послеразрядной паузы. Роль дозатора энергии может выполнять также любой модулятор или инвертор с отрицательной обратной связью по потребляемому току, то есть авторе-гулируемый стабилизатор входного тока.

Характерной особенностью рассмотренных ВИИП является невозможность регулирования зарядного тока в процессе зарядки при обеспечении постоянства потребляемой мощности.

Недостатки ВИИП с ИЕП и дозаторами энергии устраняются в комбинированных ВИИП (таблица), в которых функции обеспечения постоянства потребляемой мощности и повышения КПД за счет постоянства зарядного тока разделены путем введения дополнительного промежуточного накопителя.

Комбинированные ВИИП содержат: стабилизатор входного тока с выпрямителем, промежуточный емкостный накопитель (Спн), зарядный преобразователь и рабочий емкостный накопитель.

В качестве нерегулируемого стабилизатора входного тока могут быть использованы: индуктивно-емкостный преобразователь (ИЕП); дозатор энергии — емкостный или индуктивный (ДЭ); токоограничительный дроссель (Дрогр). Регулируемый стабилизатор входного тока может быть выполнен в виде: дросселя насыщения (ДН), магнитного усилителя (МУ), трансформатора с перераспределением напряжения (ТРПН), полупроводникового фазового регулятора (ПФР), инвертора (И) или широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Функцией стабилизатора входного тока является регулируемая или нерегулируемая стабилизация либо демпфирование резких изменений входного тока при относительно небольшом изменении напряжения на промежуточном накопителе энергии (Спн).

Задача зарядного преобразователя — повышение КПД зарядного процесса за счет равномерности временного распределения токов и минимизации производной изменения напряжения на промежуточном емкостном накопителе. В качестве зарядного преобразователя целесообразно использовать: дозатор энергии (ДЭ); зарядный дроссель с цепью отсечки; инвертор (И) или широтно-импульсный модулятор. При использовании ДЭ и И возможно обеспечение непрерывного регулирования напряжения на рабочем накопителе (по эталону), что позволяет исключать предразрядную паузу, необходимая величина которой определяется нестабильностью параметров элементов ВИИП и питающей сети.

Послеразрядная пауза может быть исключена с помощью (рис. 1-4):

  1. поочередного переключения полярности напряжения рабочего накопителя после каждой его разрядки;

  2. установки полупроводникового коммутатора в разрядной цепи рабочего накопителя;

  3. использования секционирования рабочего накопителя по схеме умножения напряжения.

Недостатком двух последних схем является необходимость установки высоковольтных мощных тиристоров (на токи порядка 1000 А и более).

Указанная комбинированная структура ВИИП, несмотря на сложную зарядную цепь, во многих случаях имеет наилучшие энергетические и массо-габаритные показатели.

Схемы силовой части статических ВИИП

Схема силовой части ВИИП с индуктивно-емкостным преобразователем (ИЕП) показана на рис. 4.

В качестве ИЕП может применяться Г-образная схема Бушеро с предвключенными индуктивностями, Т-образная или мостовая схемы с взаимоиндукцией между фазными дросселями (LА,B,С и La,b,c).

Преимущества Г-образной схемы: простота, относительно малая масса, малое воздействие на первичный источник (малая модуляция питающего напряжения) и практическое отсутствие передачи нелинейных искажений в сеть; недостатки — низкий коэффициент мощности и более низкий КПД.

Т-образная и мостовая схемы существенно выигрывают по коэффициенту мощности и КПД, но проигрывают по массе и влиянию на качество первичного напряжения. При этом особенно высокими энергетическими показателями обладает мостовая схема.

С точки зрения снижения массы ВИИП более рациональным представляется объединение повышающего трансформатора и дросселей ИЕП на одном сердечнике с воздушным зазором.

На рис. 4 показаны два варианта схем шунтирующего коммутатора — с симисторами на переменном токе (VSab, bc, ca) и с тиристорами за выпрямителем (VS1 и VS2). Для симисторного коммутатора в данной схеме необходима синхронизация его включения с моментом прохождения выходных линейных напряжений ИЕП через ноль.

В ВИИП с дозатором энергии роль нерегулируемого дозатора могут выполнять высокочастотные импульсные преобразователи с емкостным или индуктивным накопителем (дозирующим элементом) при обеспечении полной его разрядки независимо от параметров нагрузки.

По внешнему виду некоторые схемы нерегулируемых дозаторов подобны схемам инверторов, однако принцип работы и конечные эффекты существенно различаются.

В качестве авторегулируемого дозатора могут быть использованы обычные инверторы или широтно-импульсные модуляторы, имеющие цепь обратной связи для стабилизации потребляемого тока (мощности).

Возможные схемы ВИИП с дозаторами энергии весьма разнообразны. Рассмотрим две характерные схемы дозаторов — емкостного и индуктивного (рис. 5 и 6).

Указанные схемы содержат выпрямительно-фильтровой блок (В-Ф), дозатор энергии (ДЭ), шунтирующий элемент (ШЭ), подключаемый на время предразрядной и послеразрядной пауз, и накопительный конденсатор (Н), подключенный к импульсной нагрузке (ИН).

Схема емкостного дозатора (рис. 5) содержит выходной повышающий трансформатор, поэтому тиристоры и дозирующие конденсаторы относительно низковольтные. Однако КПД схемы по отношению к обычным инверторам несколько снижен, а масса трансформатора завышена из-за постоянной составляющей тока и несинусоидальности напряжения первичных обмоток трансформатора.

Установка обратных диодов параллельно дозирующим конденсаторам и соответственно коммутирующего конденсатора (Ск), показанных на рис. 6 пунктиром, позволяет исключить нежелательную частичную перезарядку дозирующих конденсаторов, связанную с ограниченностью значения индуктивности намагничивания трансформатора.

Схема индуктивного дозатора (рис. 5б) содержит два дозирующих трансреактора (Тр1, Тр2). КПД у индуктивного дозатора несколько ниже, чем у емкостных. Это связано с необходимостью обеспечения условия, при котором время разрядки дозирующих трансреакторов при разряженном накопителе не превышает половины периода дозирования. При несоблюдении указанного условия при фиксированной частоте управления схема теряет основное свойство дозатора — потребление постоянной мощности, что может быть скомпенсировано изменением частоты управления по обратной связи в функции входной мощности. При этом схема переходит в разряд авторегулируемых дозаторов на основе широтно-импульсных модуляторов. Применение двухобмоточ-ных дозирующих трансреакторов облегчает реализацию указанного условия. Однако в некоторых случаях может оказаться, что коммутирующие тиристоры должны быть высоковольтными, что снижает достоинства данной схемы.

Шунтирующий элемент (ШЭ) может быть выполнен по следующим схемам (рис. 5): закорачивание тиристором VSin (рис. 5в), имеющим специальную цепь коммутации; закорачивание тиристорами VSni1-VSnr4 (рис. 5г) с использованием остаточного послезаряд-ного напряжения накопителя для коммутации при совмещении с функцией изменения полярности предразрядного напряжения накопителя; шунтирование вспомогательным накопителем (Сш) (рис. 5д).

Выбор схемы шунтирующего элемента определяется относительной длительностью предразрядной и послеразрядной пауз, требованиями к массе и КПД ВИИП и заданной среднециклической мощностью.

Как указывалось ранее, комбинированные ВИИП (рис. 6) содержат два преобразователя— стабилизатор входного тока (СВТ) и зарядный преобразователь (ЗП), развязанные по мгновенной мощности с помощью промежуточного емкостного накопителя (Спн). В связи с возможностью регулирования зарядного преобразователя без нарушения постоянства потребляемой от сети мощности представляется целесообразным исключение предразряд-ной и послеразрядной пауз в зарядном токе. Поэтому наряду с обычной схемой включения рабочего накопителя применимы и другие схемы.

Судя по рис. 1-3 и данным таблицы, возможны различные схемы стабилизатора входного тока и зарядного преобразователя. Ограничимся рассмотрением только одной схемы с нерегулируемым стабилизатором входного тока (ИЕП) и зарядным преобразователем, выполненным в виде регулируемого инвертора с однополупериодньгм выпрямлением на выходе трансреактора.

Режим работы ИЕП в схеме комбинированного ВИИП существенно отличается от режима зарядки рабочего накопителя (рис. 2). Шунтирование ИЕП в данном случае может производиться только в аварийном режиме — при отключении зарядного преобразователя. Кроме того, нагрузка ИЕП (противо-ЭДС за выпрямителем) колеблется в относительно небольших пределах. Поэтому схема и параметры выбираемого ИЕП должны не только соответствовать постоянству потребляемого тока (мощности), но и, в основном, оптимуму массо-энергетических показателей. Отметим, что применение повышающего трансформатора здесь не обязательно, что позволяет значительно снизить массу стабилизатора ИЕП.

Управление частотой регулируемого инвертора производится не в зависимости от потребляемого тока, а по определенному закону, с учетом непрерывного регулирования пред-разрядного напряжения.

На схеме (рис. 6) показан способ включения рабочего накопителя, позволяющий циклически изменять полярность его предразрядного напряжения, что существенно повышает срок службы импульсной лампы и исключает по-слеразрядную (деионизационную) паузу.

Приближенные критерии косвенной оценки массо-энергетических и надежностных характеристик полупроводниковых ключей ВИИП

Для указанной оценки предлагается использовать такие показатели, как среднецикличе-ские коэффициенты загрузки полупроводниковых ключей в составе ВИИП (транзисторов, тиристоров, диодов).

Текущее значение коэффициента загрузки в составе модулятора [11]:

где Uзап. — напряжение в запертом состоянии, Iоткр. — ток в открытом (вкл.) состоянии, Pпpeoбp. — преобразуемая мощность модулятора.

Пусть для зарядного процесса известны временные функции для данного ключа: Uзап.(t), Iоткр.(t), Pпpeoбp.(t), где 0 ≤ t ≤ Тц (период цикла). Тогда среднециклическое значение коэффициента загрузки п/п ключа (VT, VS, VD):

то есть равно отношению максимальных значений, указанных в числителе и знаменателе выражений.

Для оценки результирующих среднецикли-ческих коэффициентов загрузки всех однотипных п/п ключей (VT, VS, VD) в составе ВИИП можно использовать выражения:

где N, K, M — число силовых транзисторов, тиристоров и диодов соответственно, Рср = (СHUНmах2)/2Тц — среднециклическая мощность ВИИП.

Рассмотренные показатели весьма полезны при сравнительной оценке схемотехнических вариантов ВИИП или их узлов, так как косвенно (с учетом частоты и других характеристик) характеризуют массу, габариты, тепловые потери и надежность основных п/п элементов.

Для частотных электромагнитных и конденсаторных элементов можно применять похожие, но другие среднециклические показатели. Промежуточные (буферные, фильтровые) емкостные накопители и дроссели (трансреакторы) с существенными постоянными составляющими напряжения и потоко- сцепления, соответственно, помимо массо- реактивно-мощностных характеристик должны включать и массо-энергетические характеристики (с учетом максимальной накапливаемой энергии).

Литература

  1. Резников С., Бочаров В., Парфенов Е., Гуренков Н., Корнилов А. Электроэнергетическая и электро- магнитная совместимость вторичных источ- ников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока. Часть I. Критерии эффективности схемо- технических средств // Силовая электроника. 2009. № 3.

  2. Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Мальшков Т. М., Резников С. Б. и др. Транзисторные пре- образователи электрической энергии. М.: АОЗТ «Ирбис», 2002.

  3. Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Резников С. Б. Вторичные источники импульсного пи- тания (ВИИП) // Практическая силовая электроника. 2001. № 2.

  4. Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Резников С. Б. Генераторы импульсов тока с демпфировани- ем потребляемой мощности // Практическая силовая электроника. 2002. № 7.

  5. Бут Д. А., Алиевский Б. Л., Мизюрин С. Р., Васюкевич П. В. Накопители энергии / Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1991.

  6. Булатов О. Г., Иванов В. С., Панфилов Д. Н. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. М.: Радио и связь, 1986.

  7. Маршак И. С., Дойников А. С., Жильцов В. П. и др. Импульсные источники света.М.: Энергия, 1978.

  8. Чиженко И. М., Бердинских Г. С. Зарядные устройства емкостных накопителей энер- гии. Киев: Наукова думка, 1980.

  9. Волков И. В., Вакуленко В. М. Источники элек- тропитания лазеров. Киев: Техника, 1976.

  10. Вакуленко В. М., Иванов Л. П. Источники питания лазеров. М.: Советское радио, 1980.

  11. Petersen L., Andersen M., Two-stage Power Factor Corrected Power Supplies: The Low Component — Stress Approach // IEEE Aplied Power Electronic Conference. APEC 2002.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2009_4_74.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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