Новый принцип обратимого выпрямительно-инверторного преобразования с ШИМ-коррекцией мощности

Автономные системы электроснабжения с машинно-вентильным синхронным генератором и звеном постоянного напряжения давно нашли широкое применение на многих видах наземного, воздушного и водного транспорта благодаря необязательности использования пневмо- или гидропривода постоянной частоты вращения вала генератора. При этом часть нагрузок целесообразно питать непосредственно от звена постоянного (выпрямленного) напряжения, а остальные — через различные статические преобразователи: централизованные, групповые или индивидуальные конверторы, инверторы и др.

В последние десятилетия по мере возрастания электроэнерговооруженности транспортных средств и ужесточения требований к тепловыделению, электроэнергоэкономичности и динамической устойчивости бортового оборудования все более обостряется проблема рекуперации энергии электромеханических, индуктивных или емкостных накопителей обратно в систему привода питающего синхронного генератора (в тяговую или вспомогательную силовую установку).

На рис. 1 приведены известные типовые схемы машинно-вентильных генераторов постоянного тока с выходным обратимым выпрямителем — инвертором (ОВ-> — <-И) в двух вариантах: а) с транзисторным инвертором тока и тиристорным выпрямителем; б) с тиристорным унифицированным мостом и контактным мостовым реверсором (МР). Синхронный генератор (Г) приводится во вращение силовой установкой (СУ) и может содержать регулятор напряжения (РН) или иметь магнитоэлектрическое возбуждение.

Рис. 1. Известные варианты машинно-вентильных генераторов постоянного тока с выходным обратимым выпрямителем — инвертором (ОВ-> — <- И)

К недостаткам этих и подобных вариантов относятся:

• низкий коэффициент использования установленной мощности генератора и преобразователя в обоих режимах (питания и рекуперации);
• низкий КПД в обоих режимах;
• низкое качество электроэнергии в цепи переменного напряжения (большие нелинейные искажения), а также в звене постоянного напряжения (большие пульсации напряжения) в обоих режимах;
• большая масса генератора, преобразователя и сглаживающих фильтров — как следствие вышеперечисленных причин.

Существенное повышение массо-энергетической эффективности генератора обратимого выпрямительно-инверторного преобразователя и сглаживающих фильтров представляется возможным при использовании нового принципа статического преобразования, который можно было бы назвать принципом «плавающего потенциала» в емкостном делителе напряжения [1, 2].

Суть принципа при полумостовом (двухлучевом) однофазном варианте реализации демонстрируется на рис. 2, где

напряжение («плавающий потенциал») источника синусоидальной ЭДС, Е — напряжение источника постоянной ЭДС со средней точкой, С1, С2 — конденсаторы емкостного делителя напряжения, L — VT — D12 — транзисторный инвертирующий («обратноходовой») импульсный модулятор с рабочей частотой 

Рис. 2. Полумостовой (двухлучевой) однофазный вариант реализации принципа «плавающих потенциалов» в емкостном делителе напряжения для обратимой связи источников синусоидального и постоянного напряжений

Сначала рассмотрим работу схемы на «микроуровне», то есть в последовательно пошаговом алгоритме.

Проанализируем режим выпрямления с коррекцией мощности, потребляемой от источника синусоидального напряжения e(t), а именно произвольный период широтно-импульс-ной модуляции, при котором e я ф я const < E/2. После отпирания VT-D2 ток дросселя L нарастает относительно исходной величины — на величину ДI в течение времени импульса

(пренебрегаем активными сопротивлениями и емкостями С12), а после его запирания спадает на такую же величину в течение времени паузы

Поскольку Δt_П> Δt_И , то энергия, полученная источником постоянного напряжения за время паузы

будет превышать энергию, отданную им за время импульса

причем

где

относительная ширина импульса, плавно изменяемая на протяжении четверти периода e(t) в пределах от 1/2 до 0.

Режим инвертирования с широтно-им-пульсной модуляцией отличается от аналогичного режима в обычной полумостовой схеме ШИМ-инвертора напряжения наличием Т-образного низкочастотного фильтра С₁-L-C₂ и, соответственно, алгоритмом управления ШИМ.

На рис. 3 приведен мостовой вариант реализации принципа «плавающих потенциалов» в емкостном делителе напряжения. Эта схема также отличается от известных наличием двух Т-образных низкочастотных фильтров С₁-L₁-C₂ и С₃-L₂-C₄ и, соответственно, алгоритмом управления.

Рис. 3. Мостовой вариант реализации принципа «плавающих потенциалов» в емкостном делителе напряжения

Приведем объяснение предлагаемого принципа на «макроуровне», то есть в алгоритме, по огибающим модулированных сигналов.

Наличие Т-образных низкочастотных фильтров позволяет существенно упростить и унифицировать алгоритмы управления описанными схемами однофазных обратимых выпрямителей — инверторов с ШИМ-коррекцией мощности. Относительно зажимов U₁(t) и U₂(t) узел С₁₂-L-VT-D₁₂ на рис. 2 представляет собой классический инвертирующий (обратноходовой) обратимый ШИМ-конвертор, способный перекачивать энергию из С1 в С2 и обратно. При этом режим непрерывного квазиустановившегося тока в дросселе L характеризуется известным соотношением

(для прямой и обратной передачи соответственно). Это позволяет, исключив источник e(t) и сравнивая потенциал cp(t) с эталонным синусом, легко реализовать кривые cp(t), U₁(t) и U2(t), показанные на рис. 2 справа. Установив источник e(t) и введя каналы коррекции эталонного синуса в зависимости от знака, величины и фазы тока через источник e(t), нетрудно обеспечить коррекцию мощности в любом из режимов для приближения к значению cosφ = 1.

В мостовом варианте на рис. 3 потенциалы средних точек двух емкостных делителей изменяются в противофазе по законам

а их разность является гармонической функцией

На рис. 4 приведены мостовой и шести-лучевой (с пунктирной цепью) трехфазные варианты обратимого выпрямителя — инвертора с ШИМ-коррекцией мощности. Устройство служит для обратимой связи синхронной машины СМ и машины постоянного тока МПТ. Здесь транзисторы VT-D1–6 работают в качестве ШИМ-регуляторов, обеспечивающих функциональные временные зависимости потенциалов средних точек емкостных делителей:

Рис. 4. Мостовой и шестилучевой трехфазные варианты обратимого выпрямителя-инвертора с ШИМ-коррекцией мощности

На рис. 5 показана упрощенная структура каналов управления силовой схемой, обеспечивающая двустороннее преобразование энергии с cosφ ≈ 1 при произвольном изменении частот вращения обеих машин. Структура содержит: управляемые источники синусоидального напряжения (УИСН) и постоянного тока (УИПТ), преобразователь «управляемый выпрямитель — источник синусоидального тока УВ-ИТ, схему управления (С_У), управляемое нагрузочное сопротивление (R_У), индуктивное сопротивление рассеяния (Х_S), емкости С₁ и С₂, датчики токов и напряжений.

Рис. 5. Упрощенная структура каналов управления (для начальной отстройки алгоритмов управления]

Компьютерное моделирование указанной структуры позволило опробовать и отработать алгоритмы управления силовой схемой, показанной на рис. 4.

Заключение

Предложенный новый принцип обратимого выпрямления — инвертирования с ШИМ-коррекцией мощности с использованием «плавающих потенциалов» в емкостных делителях напряжения — позволяет реализовать взаимосвязь каналов питания постоянного и переменного тока с высокой массо-энергетической эффективностью и высоким качеством электроэнергии системы электроснабжения. Принцип может быть рекомендован для автономных электроэнергетических комплексов, например для эффективного использования рекуперации энергии при торможении электроприводов, для параллельной работы и взаиморезервирования различных источников электроэнергии и т. п.