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

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.

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].

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 = U₁ – U₃ 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.

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).

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 (П_{1, 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.

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.