Сравнительный анализ и выбор входного каскада преобразователя для автономной зарядной станции

№ 6’2020
PDF версия
В статье дается сравнительная оценка вариантов построения силовой части входного каскада для преобразователя зарядной станции и способов его управления. Преобразователь предназначен для заряда стартерных аккумуляторных батарей. Функционирует в составе как передвижных, так и стационарных зарядных электростанций. Электропитание от автономного электроагрегата или промышленной сети.

При выборе структуры, электрической схемы и принципов управления преобразователя для автономной зарядной станции аккумуляторных батарей основными критериями являются электромагнитная совместимость с источником электроэнергии; КПД преобразования, габариты, функциональные возможности и надежность. Реализация необходимых функций и надежности требует модульной конструкции зарядного преобразователя [1, 2, 3]. Это позволяет повторно использовать готовые решения в преобразователях различной мощности. Каждый модуль производит заряд (или разряд) группы аккумуляторов по заданной программе.

Для обеспечения согласования напряжения питающей сети или электроагрегата возможны варианты построения преобразователя с общим сетевым согласующим трансформатором или промежуточным согласующим трансформатором (в каждом модуле), работающим на повышенной частоте. Второй вариант предпочтителен для преобразователей малой и средней мощности (единицы и десятки киловатт), поскольку снижаются габариты зарядного преобразователя.

Зарядные модули могут иметь общую шину переменного или постоянного тока. При использовании общей шины постоянного тока потребуется только один общий AC/DC-преобразователь, который будет питать несколько однотипных DC/DC-преобразователей. Такой подход представляется оптимальным, поскольку уменьшает количество и стоимость компонентов, а также повышается эффективность. Шина постоянного тока позволяет организовать энергообмен между преобразователями при организации контрольно-тренировочного цикла (КТЦ). Основным недостатком такого решения становится снижение надежности, поскольку выход из строя входного каскада означает выход из строя всей станции. Такая конфигурация целесообразна, если в качестве входного каскада применен высоконадежный AC/DC-преобразователь — например, диодный выпрямитель. Однако в этом случае следует решать вопросы электромагнитной совместимости преобразователя с источником электроэнергии.

Качество электрической энергии в точке подключения регламентируется ГОСТ 32144-2013. Однако при подключении к промышленной сети возникают требования к ограничению гармонических составляющих потребляемого тока ГОСТ 30804.3.12-2013
(либо ГОСТ Р 51317.3.4-2006 для тока свыше 75 А на фазу). Согласно указанным ГОСТам, ограничение по суммарному коэффициенту гармонических составляющих СКГС (THDI) потребляемого тока для сетей соизмеримой мощности (отношение короткого замыкания Rsce = 33) равно 13%. Этот показатель недостижим, например, у неуправляемого выпрямителя, чей наилучший СКГС достигает примерно 28%.

Следует иметь входной каскад, решающий вопросы снижения гармоник потребляемого тока и стабилизации напряжения на шине DC. В этом случае следует использовать активный выпрямитель (АВ) с принудительным формированием кривой потребляемого тока (с коррекцией коэффициента мощности ККМ).

Анализ источников информации показывает, что только два базовых решения получили набольшее распространение в промышленности (иная «экзотика» не прижилась) [1, 2, 4]. Это трехфазный мост на полностью управляемых ключах (АВ1, рис. 1) либо выпрямитель Виенна (АВ2). На рис. 2 изображена популярная схема выпрямителя Виенна с минимально возможным числом силовых ключей.

АВ1 — трехфазная мостовая схема

Рис. 1. АВ1 — трехфазная мостовая схема

АВ2 — выпрямитель Виенна

Рис. 2. АВ2 — выпрямитель Виенна

Анализ работы имитационных моделей этих преобразователей позволил определить загрузку силовых ключей по току и напряжению, а также коэффициент мощности, СКГС (THDI) потребляемого тока и СКГС (THDU) напряжения в точке подключения. Для управления использован классический ШИМ (подобно тому, как он реализован в [5]) и ШИМ с пассивной фазой.

Имитационное моделирование проводилось в среде Multisim при следующих условиях:

  • сеть трехфазная: 380 В, 50 Гц;
  • активное сопротивление фаз: 0,01 Ом;
  • напряжение опыта короткого замыкания: UКЗ = 3%;
  • индуктивность фазы: 0,2 мГн;
  • выходная мощность: Рd = 63 кВт;
  • выходное напряжение: Ud = 720 В;
  • номинальный ток на выходе: Id = 88 А;
  • эквивалентное сопротивление нагрузки на выходе: Rн = 8,15 Ом;
  • установленное минимальное линейное напряжение сети: 342 В (фазное 198 В);
  • частота модуляции: 5 кГц.

При этом индуктивности реакторов и конденсаторы входного фильтра рассчитаны из условия реактивного падения напряжения 5% при условии, что частота модуляции в пять раз превышает резонансную частоту фильтра (L = 0,3 мГн, С = 80 мкФ). Для снижения добротности фильтра в цепь конденсатора фильтра установлен резистор 0,1 Ом. В качестве силовых ключей использованы идеальные ключи с активным сопротивлением в открытом состоянии 20 мОм. Модели диодов виртуальные. Для определения значений токов, напряжения, мощности и СКГС использовались измерительные средства Multisim.

Реализованы имитационные модели этих преобразователей с замкнутой системой ШИМ-регулирования тока в фазах для АВ1 и АВ2. Для стабилизации выходного напряжения использована система подчиненного регулирования, в которой контур тока подчинен задачам регулирования напряжения.

Структурная схема системы управления, реализованной в имитационной модели, приведена на рис. 3. Частота модуляции постоянная (синхронное управление). Опорная пила на выходе генератора ГП равносторонняя. Сигнал с выхода регулятора напряжения РН перемножается с эталонным синусоидальным сигналом, формируемым блоком ФОС. Результирующий сигнал является заданием по амплитуде и фазе для соответствующего тока входного реактора. Этот сигнал поступает на регулятор тока РТ, инверсный вход которого подключен к датчику тока реактора. Выход РТ соединен с компаратором, на второй вход которого подается пилообразный сигнал с выхода ГП. Каждый из компараторов формирует управляющий сигнал для соответствующего драйвера полумоста АВ. Для реализации пассивной фазы каждый драйвер имеет дополнительный вход, соединенный с соответствующим выходом блока ФПФ.

Система управления активным выпрямителем

Рис. 3. Система управления активным выпрямителем:
ФОС — формирователь опорной синусоиды;
ДТ — датчик тока;
РТ — регулятор тока;
ГП — генератор пилы;
К — компаратор;
ФПФ — формирователь пассивной фазы;
РН — регулятор напряжения;
ДР — драйверы

Ток в реакторе формируется замкнутым контуром регулирования. Имеет место так называемое регулирование по среднему току. При управлении с пассивной фазой реализуется режим, когда каждый транзистор фазы отключен на время, соответствующее углу 60° в области максимального фазного тока, при этом коммутируются транзисторы двух других фаз. Осциллограммы, поясняющие работу АВ1 в этом режиме, представлены на рис. 4. Такое управление эффективно, поскольку исключаются коммутации в области максимального тока фазы.

Осциллограммы входного тока, тока транзистора и напряжения на транзисторе активного выпрямителя АВ1 при управлении с пассивной фазой

Рис. 4. Осциллограммы входного тока, тока транзистора и напряжения на транзисторе активного выпрямителя АВ1 при управлении с пассивной фазой

Осциллограммы напряжений и токов в контрольных точках схемы приведены на рис. 5 для классической ШИМ и на рис. 6 для ШИМ с пассивной фазой. Результаты измерения сведены в таблицу.

Осциллограммы тока входного реактора

Рис. 5. Осциллограммы тока входного реактора (красный), тока фазы (желтый), линейного напряжения (черный) при классической ШИМ:
а) в активном выпрямителе АВ1;
б) в активном выпрямителе АВ2

Осциллограммы тока входного реактора

Рис. 6. Осциллограммы тока входного реактора (красный), тока фазы (желтый), линейного напряжения (черный) при управлении с пассивной фазой:
а) в активном выпрямителе АВ1;
б) в активном выпрямителе АВ2

Таблица. Сравнительные характеристики активных выпрямителей при синхронном управлении

Активные выпрямители

АВ1 — трехфазная мостовая схема

АВ2 — выпрямитель Виенна

Направление передачи энергии

двунаправленное

однонаправленное

Общее количество силовых ключей

6

12

Количество управляемых силовых ключей

6

Пиковое напряжение (Upic) на управляемых силовых ключах в режиме переключения, В

Ud

Ud/2

*Расчетная мощность транзисторов управляемых силовых ключей, отн. ед.

2,47

1,68

*Расчетная мощность диодов управляемых силовых ключей, отн. ед.

4,73

3,32

*Расчетная мощность (суммарная) управляемых силовых ключей, отн. ед.

7,2

4,0

*Установленная мощность диодов, отн. ед.

4,2

Количество реакторов

3

**Действующий ток (IRMS) реакторов, отн. ед.

1,25

**Действующий ток конденсаторов выходного фильтра, отн.ед.

0,89

0,82

Коэффициент мощности

> 0,99

СКГС потребляемого тока (THDI), %

0,8

1,9

СКГС напряжения в точке подключения (THDU), %

0,87

0,58

Управление с пассивной фазой

Коэффициент мощности

> 0,99

0,98

СКГС потребляемого тока (THDI), %

2,54

16,2

СКГС напряжения в точке подключения (THDU), %

1,2

3,7

Примечания.

*Значение расчетной мощности дано по отношению к номинальной мощности выпрямителя — (SUpic×IRMS)/Pd.

** Значение тока дано по отношению к номинальному выходному току выпрямителя — IRMS/Id.

По результатам анализа были сделаны следующие выводы:

  1. АВ1 в сравнении с АВ2 имеет меньшее количество полупроводниковых ключей (6) и наименьшую суммарную установленную мощность силовых полупроводников (в 1,3 раза меньше, чем АВ2). Однако у АВ1 по сравнению с АВ2 выше расчетная мощность управляемых силовых ключей, соответственно, более высокие динамические потери и генерируемые помехи при классической ШИМ из-за повышенного (в два раза) напряжения на силовых управляемых ключах.
  2. Для управления АВ1 рекомендуется управление с пассивной фазой, несмотря на некоторое увеличение искажения тока и напряжения в точке подключения. Такое управление позволяет уменьшить динамические потери в 1,5 раза и снизить уровень помехоэмиссии. Кроме того, АВ1 позволяет организовать двунаправленную передачу энергии, что целесообразно в случае работы преобразователя от промышленной сети.
  3. АВ2 имеет в два раза больше силовых ключей, но меньшую расчетную мощность управляемых силовых ключей (примерно 1,48 раза меньше). Параметры электромагнитной совместимости АВ2 вполне хорошие, но только при классической ШИМ.
  4. Управление с пассивной фазой в АВ2 не рекомендуется, поскольку ведет к недопустимому искажению потребляемого тока и напряжения в точке подключения. Это вызвано плохой управляемостью выпрямителя в области перехода фазного тока через ноль. Кроме того, действующий ток первой гармоники выходных конденсаторов пропорционального увеличивается, что требует значительного увеличения их емкости (в 4–5 раз [4]) для поддержания заданного уровня пульсаций напряжения.

Таким образом, сравниваемые выпрямители имеют паритетные характеристики. Решение остается за разработчиком. Однако по функциональным возможностям (возможность передачи энергии в сеть при разряде аккумуляторной батареи) для зарядного преобразователя предпочтительна трехфазная мостовая схема АВ1. Для АВ1 рекомендуется синхронное управление с пассивной фазой.

Литература
  1. Особенности построения зарядных устройств на транзисторных модулях Infineon
  2. Ramakrishnan H., Rangaraju J. Power Topology Considerations for Electric Vehicle Charging Stations // Application Report. Texas Instruments, 2020.
  3. Поляков В. Д. Выбор и сравнительный анализ схем преобразователей для автономных зарядных станций стартерных аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2018. № 6.
  4. Чаплыгин Е. Е., Тьинь В. М., Ан Н. Х. Виенна-выпрямитель — трехфазный корректор коэффициента мощности // Силовая электроника. 2006. № 1.
  5. Плахтий А. А. Анализ энергетических характеристик активного трехфазного выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности при работе с постоянной частотой модуляции // Вестник НТУ «ХПИ». 2015. № 12.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory