Системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконвертеров

К основным недостаткам указанной структуры относятся:

1. двойное преобразование энергии;
2. необратимость направления преобразования (неприемлемость для рекуперативного торможения электроприводов, для взаимосвязи каналов питания и т. п.);
3. высокая энергоемкость сглаживающего силового конденсатора;
4. сложность обеспечения синусоидальности выходного напряжения без громоздких низкочастотных фильтров;
5. наличие, как правило, высоковольтной аккумуляторный батареи;
6. трудность обеспечения общей точки вход-выход (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 циклоконвертеров (ОНЦ).

На рис. 1а показан осесимметричный вариант структуры многомодуляторного ОНЦ, подключенного к вершинам емкостного треугольного фильтра (с относительно малыми емкостями силовых конденсаторов).

Рис. 1. Структура многомодуляторного обратимого непосредственного цикпоконвертера (а) и пример осциллограмм напряжений (б)

Данный ОНЦ способен работать в одном из трех возможных режимов:

1. обратимое преобразование U₁ <-> U₂ или U₂ <-> U₃ или с нулевым или 180-градусным фазовым сдвигом;
2. обратимое преобразование U₁ <-> U₃ со 180-градусным фазовым сдвигом (со сменой полярности);
3. вольтодобавочное обратимое преобразование U₁ <->±ΔU₂ <-> U₃ с нулевым фазовым сдвигом.

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

На рис. 1б 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 вольтодобавочном силовом 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 = (γ/(1-γ))U₁ (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 вольтодобавку ΔU₂ = ΔU.

Для этого в течение периода ШИМ сначала включаются ЭК₁ и ЭК₅, а затем вместо ЭК₅ — ЭК₁ и т. д. Для снижения величины AU2 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. 2 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.

Рис. 2. 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, и 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 вольтодобавочном режиме по сравнению с режимом прямого преобразования позволяет снизить тепловые потери в IGBT биполярных транзисторах на 40-50% (при частоте модуляции 15 кГц).

Если пожертвовать наличием общей точки вход-выход, то можно реализовать двухмодуляторный вариант ОНЦ (вместо рассмотренного 10-модуляторного). В этом случае функция циклического изменения структуры каналов преобразования может быть возложена на низкочастотные тиристоры и симисторы. Такой вариант представляется рациональным в случае относительно высоких значений амплитуд рабочих напряжений (например, √2x380B) при относительно больших номинальных токах (200-400 А и более). В этом случае возможен существенный выигрыш в стоимости системы, так как модульные IGBT биполярные транзисторы с предельными значениями 200-400 А и 1200-1700 В в комплекте с драйверами в настоящее время имеют относительно высокую стоимость.

Рис. 3. Система бесперебойного питания на базе двухмодупяторного обратимого непосредственного циклоконвертера

На рис. 3 показана запатентованная авторами принципиальная схема силовой части системы бесперебойного питания на базе двухмодуляторного ОНЦ. Для повышения КПД в схеме предусмотрены только прямоходовые режимы импульсной модуляции:

а) с понижением напряжения согласно соотношению: U₂ = U х γ (обозначен зеленым цветом; сплошная линия — нарастание тока дросселя, пунктирная — снижение тока);

б) с повышением напряжения согласно соотношению: U₂ = (1/(1-γ))U₁(обозначен красным цветом). При полярности питания «±» работает второй импульсный модулятор ИМ₂, а при  -+ ИМ₁. В режиме стабилизации напряжения симисторный мостовой реверсор (МР) может быть зашунтирован контактами К1 и К2. В режиме питания от аккумуляторной батареи АБ работают ИМ2 и МР. Благодаря МР возможен режим смены выходной фазы на 180° по отношению к входной (смена полярности).

Выводы

Предложенные схемы системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконвертеров по сравнению с традиционными аналогами имеют следующие преимущества:

• однократное (непосредственное) преобразование энергии, позволяющее повысить КПД, особенно при вольтодобавочном режиме;
• обратимость направления преобразования, позволяющая осуществлять рекуперацию энергии (например, при торможении электропривода, форсированном гашении магнитного поля, взаимосвязи каналов питания и т. п.);
• отсутствие сглаживающего силового конденсатора с большой энергоемкостью;
• произвольное значение номинального напряжения резервной аккумуляторной батареи и произвольная нестабильность ее реального напряжения;
• наличие общей точки вход-выход, (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 бесперебойного питания в широком диапазоне мощностей (до 150-250 кВт) на базе IGBT биполярных транзисторов.