Управление трехфазными выпрямителями с активной коррекцией коэффициента мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УПРАВЛЕНИЕ ТРЕХФАЗНЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ С АКТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

Нгуен Хоанг Ан

Москва - 2006

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока. Введенные в последние годы международные и государственные стандарты жестко ограничивают эмиссию в сеть высших гармоник тока и создаваемые преобразователями кондуктивные искажения напряжения сети. Появление мощных высокочастотных полностью управляемых ключей позволило решать задачу электромагнитной совместимости с использованием коммутации ключей сетевых преобразователей на высокой частоте. Такие установки получили название преобразователей с активной коррекцией коэффициента мощности или корректоров коэффициента мощности (ККМ). Помимо улучшения электромагнитной совместимости преобразователя и сети ККМ способны решать и другие важные задачи: обеспечивать двунаправленную передачу энергии от сети в нагрузку и обратно (двухквадрантные ККМ), а также повышение напряжения на стороне постоянного тока, что дает возможность построения бестрансформаторных преобразователей частоты для электропривода и источников бесперебойного питания с выходным напряжением 220 В.

Для создания источников питания мощностью более 1 кВт применяют трехфазные ККМ. Среди них наибольшее распространение получил так называемый активный выпрямитель, реализуемый на базе трехфазного инвертора напряжения, функционирующего как в инверторном, так и в обратимом (выпрямительном) режимах. Наряду с активным выпрямителем известен и одноквадрантный трехфазный ККМ - Виенна-выпрямитель.

Электромагнитные процессы в силовой части активного выпрямителя не имеют существенных отличий от работы инвертора напряжения в традиционном (инверторном) режиме, которые досконально исследованы. Процессы в силовой схеме Виенна-выпрямителя в значительной степени аналогичны процессам в однофазном ККМ на базе повышающего регулятора постоянного напряжения, которые также многократно исследовались.

В значительно меньшей степени исследованы проблемы управления трехфазными ККМ. Особенностью этих процессов является необходимость формирования сетевого тока заданной формы при использовании преобразователя напряжения. В силу этого в таких преобразователях широкое распространение получили системы управления с быстродействующей обратной связью по сетевому току. В трехфазных преобразователях, подключенных к сети без нулевого провода, наблюдается влияние процессов в других фазах на формирование фазного сетевого тока, которое может вызвать сбои в работе замкнутой системы управления. Эти явления характерны и для традиционных трехфазных инверторов напряжения, работающих в режиме формирования выходного тока заданной формы, и многие из возникающих при этом проблем еще ждут решения. В ККМ решение указанных проблем имеет свою специфику и в то же время недостаточно затронуто исследователями. В частности нет работ, посвященных управлению ККМ при питании от неидеальной сети и несимметрии силовой схемы и управления. Надо добавить, что ряд вопросов управления однофазными ККМ также не исследован, в частности, отсутствуют развернутые исследования ККМ с асинхронным управлением (-модуляция) и сопоставление ККМ с синхронным и асинхронным управлением.

Для исследования вопросов управления ККМ необходимы математические модели. Известные пакеты прикладных программ (PSpace, Matlab) позволяют успешно моделировать ККМ, но в силу универсальности этих моделей их производительность при моделировании преобразователей, у которых на периоде сети содержится несколько сот и более межкоммутационных интервалов, очень низка. Для проведения исследований широкого круга способов управления и режимов ККМ и проведения обобщений на основе результатов модельного эксперимента необходимо создание быстродействующих моделей. Решение данной задачи также оказалось необходимым при выполнении данной работы.

Цель работы заключается в исследовании возможных способов управления трехфазными ККМ при учете параметров реальной сети и наличии несимметрии в силовой схеме преобразователя, определение влияния выбора способа управления на показатели качества сетевого тока и пульсаций на стороне постоянного тока, сопоставление различных способов управления и формулировка рекомендаций по выбору силовой схемы и способа управления трехфазными преобразователями с активной коррекцией коэффициента мощности.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

§ Разработаны быстродействующие модели для исследования электромагнитных процессов в ККМ с синхронным и асинхронным управлением, основанные на модифицированном спектральном методе переключающих функций, а также на основе решения рекуррентной системы разностных уравнений.

§ Проведено сравнения качества сетевого тока ККМ при синхронном и асинхронном управлении.

§ Определено влияние несимметрии сети, силовой схемы и управления преобразователем на коэффициент мощности преобразователя и пульсации на стороне постоянного тока при различных способах управления ККМ.

§ Проведен анализ способов построения систем управления трехфазными ККМ, выявлены причины потери управляемости следящих систем управления, найдены способы восстановления работоспособности системы управления.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы модели преобразователей по усредненным на межкоммутационном интервале параметрам процесса, спектральные модели на основе модифицированного метода переключающих функций, модели на основе решения системы рекуррентных разностных уравнений, моделирование на основе пакетов прикладных программ PSpice и Matlab-Simulink. Проведены эксперименты на макете Виенна-выпрямителя мощностью 0,8 кВт.

Достоверность научных результатов обеспечена сопоставлением основных результатов, полученных на основе различных методов математического моделирования, и воспроизведением зависимостей на физической модели (макете) ККМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен способ спектрального моделирования преобразователей с переменной частотой коммутации.

2. Установлена идентичность показателей качества сетевого тока ККМ с синхронными и асинхронным управлением при одинаковой средней частоте коммутации ключей.

3. Определено влияние несимметрии сети и силовой схемы на показатели качества токов на стороне переменного и постоянного тока при различных законах управления.

4. Предложена асинхронная система управления Виенна-выпрямителем с пассивной фазой и коррекцией срывов слежения.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Использование предложенной асинхронной системы управления Виенна-выпрямителем, устойчивой к срывам слежения при работе от реальной сети.

2. Использование рекомендаций по расчету емкостных фильтров на стороне постоянного тока трехфазных ККМ.

На защиту выносится:

1. Способ спектрального моделирования преобразователей с переменной частотой коммутации, в том числе преобразователей с асинхронным следящим управлением.

2. Результаты сравнения показателей качества сетевого тока ККМ с синхронным и асинхронным управлением.

3. Результаты анализа работы трехфазных ККМ при несимметрии сети и силовой схемы и различных способах управления и рекомендации по выбору управляющих сигналов.

4. Способ построения асинхронной системы управления Виенна-выпрямителем с пассивной фазой и коррекцией срывов слежения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2005 и 2006 г.

Публикации: По результатам работы опубликовано 6 работ: 4 статьи и 2 публикации тезисов докладов.

2. Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В главе 1 вначале дан обзор основных положений теории мощности. Показано, что при работе преобразователя от несинусоидальной и несимметричной сети при достижении коэффициента мощности = 1, токи преобразователя по форме повторяют напряжения сети и могут вызывать кондуктивные помехи в сети. Поэтому идеальный трехфазный преобразователь должен потреблять от сети синусоидальный ток, синфазный прямой последовательности основной гармоники напряжения сети.

В проведенном обзоре основных способов построения сетевых преобразователей с коррекцией коэффициента мощности (корректоров коэффициента мощности, ККМ) особое внимание уделено одно- и двухквадрантным корректорам на базе преобразователей напряжения с активной коррекцией коэффициента мощности при высокой частоте коммутации. При анализе однофазных ККМ на базе инверторов напряжения и повышающего регулятора напряжения показаны значительная общность электромагнитных процессов в ККМ на базе повышающего регулятора напряжения и в преобразователе на базе мостового инвертора напряжения при формировании однополярной ШИМ. Определены параметры ШИМ-последовательности, при реализации которых достигается синфазность основных гармоник сетевого напряжения и тока.

Рис. 1. Типовые схемы трехфазных ККМ

Известны два схемных решения для создания трехфазных сетевых преобразователей с активной коррекцией коэффициента мощности. Это двухквадрантный ККМ на базе трехфазного мостового инвертора напряжения (так называемый активный выпрямитель) (рис. 1,а) и Виенна-выпрямитель, одноквадрантный преобразователь (рис. 1,б). В схеме рис. 1, б транзисторные ключи S1 - S3 с двухсторонней проводимостью. Принцип действия Виенна-выпрямителя во многом соответствует работе ККМ на базе повышающего регулятора напряжения. Напряжение на ключах в активном выпрямителе равно напряжению на нагрузке и больше удвоенной амплитуды напряжения сети. Преимуществом Виенна-выпрямителя является то, что напряжение на управляемых ключах почти в 2 раза меньше, чем в активном выпрямителе, что позволяет применять в схеме МДП-транзисторы и повысить частоту коммутации, что позволяет снизить номиналы фазных дросселей L.

Обе схемы сводятся к единой схеме замещения рис. 2, где e_A,B,C - э.д.с. сети. Различие заключается в том, что э.д.с. преобразователя e_пА,B,С в активном выпрямителе представляет собой двухполярную ШИМ-последовательность, а в Виенна-выпрямителе - однополярную. Напряжения на фазных дросселях определяются управлениями (1).

(1)

Рис. 2. Обобщенная схема замещения трехфазных ККМ.

Напряжение u_L определяет производную фазного сетевого тока. Уравнение (1) показывает, что на фазовый ток влияет не только э.д.с. преобразователя данной фазы, но и э.д.с. других фаз. В связи с этим управление трехфазными ККМ имеет значительные отличия от однофазных преобразователей.

ККМ могут функционировать с постоянной частотой коммутации (синхронное управление) либо с переменной частотой коммутации (асинхронное управление). Синхронные системы управления, построенные по программному принципу, когда преобразователь формирует ШИМ-последовательность, связанную с напряжением сети определенным соотношением по амплитуде и фазе, являются параметрическими. Показатели качества формы сетевого тока будут тем хуже, чем меньше коэффициент регулирования k_p - отношение основной гармоники напряжения на дросселе к фазному напряжению сети. В то же время разработчики стремятся за счет повышения частоты коммутации уменьшить индуктивность дросселей L, при этом уменьшается k_p. Поэтому в однофазных ККМ применяются лишь системы управления с замкнутым контуром управления по сетевому току.

Асинхронные системы управления представляют собой устройства с двухпозиционным слежением по току сети по синусоидальному закону (-модуляция), когда коммутация в силовой схеме осуществляется при отклонении сетевого тока от эталонного значения на величину Д.

Применение подобных систем управления в трехфазных ККМ, подключенных к сети без нулевого провода, ограничено в связи с наличием двух проблем:

1) В преобразователе лишь два фазных сетевых тока из трех являются независимыми, поэтому введение обратной связи по трем токовым каналам чревато сбоями в работе системы управления;

2) В преобразователях отмечается эффект потери управляемости, когда коммутация ключа какой-либо фазы не приводит к изменению производной сетевого тока данной фазы. Потеря управляемости обусловлена взаимовлиянием фаз (см. выражение (1)) и приводит к сбоям в работе системы управления.

Проведенный с помощью предложенной демонстрационной модели анализ электромагнитных процессов в активном выпрямителе и Виенна-выпрямителе показал, что потеря управляемости присутствует практически в любом режиме работы преобразователей в течение большей части периода сети. Сформулированные выше особенности управления трехфазными ККМ обуславливают значительные отличия в построении систем управления однофазными и трехфазными ККМ, и объясняют усложнение задач, стоящих перед разработчиками систем управления трехфазными корректорами.

В главе 2 рассмотрены способы создания быстродействующих моделей ККМ и представлены результаты моделирования. Для моделирования ККМ могут использоваться известные пакеты прикладных программ (например, Pspace), однако в силу избыточности универсальных программ время, затрачиваемое на моделирование преобразователей, у которых отношение частоты коммутации к частоте сети A >100, чрезвычайно велико, что не позволяет накопить данные, необходимые для обобщающих выводов. Применение спектральных моделей, реализованных в базисе Mathcad, позволяет на порядок и более повысить производительность моделей. Для использования спектральной модели необходимо, чтобы априорно был известен закон коммутации ключей в схеме. Поскольку в ККМ закон формирования ШИМ-последовательности определяется аналитически, то независимо от используемого способа управления возможно применение спектральных моделей для анализа процессов в силовой схеме. При наличии замкнутого контура управления спектральные модели представляют установившийся режим при абсолютной устойчивости системы.

Спектр э.д.с. преобразователя - ШИМ-последовательности по синусоидальному закону - содержит гармонику с частотой сети и группу гармоник, расположенных вблизи частоты коммутации и выше нее. При высокой частоте коммутации (A > 50) гармоники вблизи частоты коммутации могут быть заменены одной эквивалентной гармоникой с амплитудой C_экв. Проведенный модельный эксперимент различных однофазных и трехфазных схем ККМ позволил установить, что C_экв практически не зависит от частоты коммутации, коэффициента регулирования k_р и мощности нагрузки, а определяется только типом формируемой ШИМ и коэффициентом k_U = U_н / k_схU_m, где U_н - напряжение на нагрузке, U_m - амплитуда напряжения сети, k_сх =1 в однофазной мостовой схеме, k_сх = 2 в полумостовых и трехфазных схемах ККМ.

Значения С_экв/U_m для трехфазных ККМ, подключенных к сети без нулевого провода представлены в табл. 1. По данному параметру Виенна-выпрямитель обладает преимуществом перед активным выпрямителем.

Таблица. 1. Значения эквивалентной гармоники для трехфазных ККМ

Предложен алгоритм аналитического расчета коэффициента мощности с использованием полученных зависимостей С_экв/U_m = f (k_U) для различных типов ККМ с синхронным управлением. Коэффициент искажений сетевого тока определяется по формуле

. (2)

Известные способы спектрального моделирования не позволяют моделировать преобразователи с переменной частотой коммутации. В частности модифицированный спектральный метод, в основе которого лежит модель модулятора вертикального типа, не может быть использован при переменной частоте коммутации. Были исследованы два способа для преодоления этого недостатка, основанные на частотной и фазовой модуляции. Фазовая модуляция оказалась предпочтительнее, поскольку позволяет в явном виде определить зависимость от частоты. Тогда напряжение развертки модулятора (например, при реализации однополярной ШИМ по срезу) при переменной частоте коммутации определяется

(3)

где A₀ - отношение средней частоты коммутации к частоте сети;

ДA - приращение частоты коммутации относительно A₀.

Рис. 3. Сетевой ток и его спектр ККМ на базе РН-2 с -модуляцией.

На рис. 3 приведен сетевой ток ККМ на базе повышающего регулятора напряжения с асинхронным управлением (-модуляция) (для наглядности диаграммы выбрано А₀ = 50) и спектр э.д.с. преобразователя (при А₀=100). Моделирование выполнено спектральным способом. Проверочное моделирование в среде Pspace демонстрирует хорошее совпадение результатов.

Моделирование однофазных ККМ с различными видами асинхронного управления показало, что в спектре э.д.с. преобразователя область гармоник, расположенных вблизи частоты коммутации, расширяется, но амплитуды гармоник уменьшаются, и эквивалентная гармоника C_экв сохраняет то же значение, что и при синхронном управлении. Выражение (2) при асинхронном управлении справедливо. Из этого следует, что показатели качества сетевого тока ККМ с синхронным и асинхронным управлением при одинаковой средней частоте коммутации одинаковы, и ККМ с асинхронным управлением обладают достаточной конкурентоспособностью по сравнению с преобразователями с синхронным управлением.

При асинхронном управлении трехфазными преобразователями, подключенными к сети без нулевого провода, невозможно определить априорно закон коммутации ключей. В силу взаимовлияния фаз в соответствии с выражением (1) этот закон носит вероятностный характер, поэтому использовать спектральные модели невозможно. Однако возможно построение быстродействующих моделей идеализированного преобразователя по схеме замещения рис. 2 на основе системы рекуррентных разностных уравнений.

Ток дросселя (фазный ток сети) любой фазы (например, фазы А) описывается выражением

где дt - малый интервал времени.

Фазное напряжение преобразователя на стороне переменного тока может быть представлено в виде произведения половины напряжения на нагрузке на переключающую функцию ключа данной фазы:

В схеме Виенна-выпрямителя переключающая функция ключа принимает значения 0 или 1. Коммутация ключа осуществляется в моменты отклонения фазного тока дросселя i_LA от эталонного синусоидального сигнала J_A на величину Д.

На основе этих элементарных уравнений и выражения (1), разбив период сети на N малых временных отрезков угловой длительностью д = 2р/N, можно описать работу Виенна-выпрямителя, управляемого по принципу -модуляции, в виде системы рекуррентных разностных уравнений:

Расчет токов и напряжений в преобразователе по указанной системе уравнений, проведенный в базисе MatCad, превосходит по быстродействию известные пакеты прикладных программ по крайней мере на порядок.

Приведем результаты моделирования Виенна-выпрямителя. При синусоидальной и симметричной питающей сети.

На рис. 4 приведена форма сетевых токов фаз и временная зависимость переключающих функций фаз. Диаграммы фазных токов демонстрируют, что формируемые токи имеют близкую к синусоидальной форму. В то же время на переключающих функциях заметны интервалы, когда коммутация затягивается на длительное время и переключающая функция постоянна, т.е. проявляется неуправляемость преобразователя. Достаточно часто потеря управляемости выражается в том, что ток продолжает отклоняться за пределы установленных ограничений, т.е. коммутация в данной фазе не приводит к изменению производной тока. Однако такие «выбросы» тока незначительны по величине, поэтому подобные срывы слежения можно назвать обратимыми. Продолжив эксперименты при несмимметрии сети, ограниченной пределами, заданными ГОСТ 13109-97, обнаруживаем, что сетевые токи, приведенные на рис. 5, имеют неприемлемые искажения, которые обусловлены потерей управляемости и происходящими вследствие этого срывами слежения, которые имеют длительный характер и могут быть названы необратимыми.

Рис. 4. Сетевые токи и переключающие функции в Виенна-выпрямителе.

Рис. 5. Необратимые срывы слежения в Виенна-выпрямителе.

Аналогичные результаты получаем и при моделировании ККМ на базе трехфазного мостового инвертора напряжения. Можно сделать вывод, что известные следящие системы управления, основанные на принципе двухпозиционного слежения, в трехфазных ККМ неработоспособны, и необходима разработка принципиально новых систем управления.

В главе 3 рассмотрены электромагнитные процессы в трехфазных ККМ в несимметричных режимах. Несимметричные режимы возникают при несимметрии сети, силовой схемы (прежде всего, может быть существенным разброс индуктивностей фазных дросселей) и (или) управления. В первую очередь необходимо выяснить влияние несимметрии на низкочастотную часть спектра сетевого тока и напряжения на нагрузке и конденсаторах фильтра в цепи постоянного тока. Для такого анализа использована модель по усредненным на межкоммутационном интервале параметрам процесса.

Необходимо определить максимальное негативное влияние несимметрии во всей совокупности режимов. Напряжение сети представляем в виде суммы прямой, обратной и нулевой последовательностей, причем амплитуды обратной и нулевой последовательностей ограничены ГОСТ, а фазовый сдвиг указанных последовательностей может принимать произвольные значения. Запись напряжений и токов в векторной форме позволяет аналитически представить не только основную, но и высшие гармоники токов как зависимости от параметров несимметрии, а также определить составляющие мгновенной мощности и коэффициенты пульсации на стороне постоянного тока для различных гармоник. На основании полученных зависимостей определены наиболее неблагоприятные (экстремальные) значения составляющих полной мощности и предельные пульсации.

Отличие процессов в ККМ на базе инвертора напряжения и Виенна-выпрямителя проявляется на стороне постоянного тока. На рис. 6 представлено распределение высших гармоник тока в схеме Виенна-выпрямителя.

Даже в симметричном режиме в токах i₀₊ и i_0- содержится 3-я гармоника, амплитуда которой составляет 34% от постоянной составляющей токов, и которая замыкается через внутренний контур преобразователя, минуя нагрузку. В несимметричных режимах, как в схеме активного выпрямителя, так и в Виенна-выпрямителе, появляется 2-я гармоника тока, замыкающаяся через выходную цепь, а в Виенна-выпрямителе и 1-я гармоника тока, замыкающаяся через внутренний контур преобразователя. Величина 3-й гармоники тока в Виенна-выпрямителе мало зависит от параметров несимметрии.

Рис. 6. Распределение гармоник тока на выходе Виенна-выпрямителя

Поскольку в наиболее неблагоприятном случае суммарная амплитуда пульсации тока i₀ определяется суммой амплитуд гармоник, введен суммарный коэффициент пульсации k_У. Для одинакового сглаживания первой гармоники требуется конденсатор вдвое большей емкости, чем для сглаживания второй гармоники, поэтому учтем это, включив в определение коэффициента k_У весовые коэффициенты, обратно пропорциональные номеру гармоники, причем за базовую частоту примем 2-ю гармонику. Тогда

kУ = 2· k1 + k2+ 0,667· k3,

где k1, k2, k3 - коэффициенты пульсаций тока для 1-й, 2-й и 3-й гармоник.

При моделировании исследовались три режима управления: 1) режим 1 - амплитуда фазного тока сети прямо пропорциональная амплитуде напряжения сети данной фазы; 2) режим 2 - амплитуды токов все фаз одинаковы; 3) режим 3 - амплитуды токов сети обратно пропорциональны амплитуде напряжений сети.

Таблица 2. Основные показатели Виенна-выпрямителя без нулевого провода при работе от несимметричной сети (k_р = 0,02)

На основании модельного эксперимента, позволившего найти экстремальные режимы, можно сделать следующие выводы:

Воздействие несимметричных режимов не приводит к заметному снижению коэффициента мощности.

Негативное воздействие несимметрии сети проявляется в увеличение пульсаций выходного тока на второй гармонике сети. Наилучшие результаты дает режим задания тока сети 3, наихудшие результаты режим 1. Однако режим 3 является наименее благоприятным с точки зрения кондуктивного воздействия преобразователя на питающую сеть и пульсации лишь ненамного меньше, чем в режиме 2, поэтому режим 2 можно считать оптимальным

Даже в самом неблагоприятном случае несимметрии пульсации напряжения нагрузки в 5-7 раз ниже, чем в однофазном ККМ при той же постоянной времени фильтра.

При симметрии сети в Виенна-выпрямителе k_У=23%, в несимметричных режимах его значение увеличивается в 2,2 - 3 раза. Суммарный коэффициент пульсации напряжения на конденсаторах Виенна-выпрямителя в 5 - 6 раз выше коэффициента пульсаций напряжения на нагрузке. Пульсация напряжения на конденсаторах увеличивает падение напряжения на управляемых ключах силовой схемы.

Несимметрия дросселей (моделировался разброс индуктивностей дросселей на 10%) незначительно влияет на пульсации на стороне постоянного тока.

Проведенное исследование на спектральной модели показало, что несимметричные режимы незначительно влияют на значения C_экв, поэтому показатели качества тока сети такие же, как и в симметричных режимах. На основании проведенных исследований даны рекомендации по расчету фильтров в цепи постоянного тока трехфазных ККМ с учетом возможной несимметрии режимов работы.

В главе 4 рассмотрены принципы построения систем управления трехфазными выпрямителями с активной коррекцией коэффициента мощности. С помощью моделирования на основе системы рекуррентных разностных уравнений показано, что широко применяемая для управления однофазными ККМ синхронная система управления с однопозиционным слежением за током не может использоваться для управления трехфазными ККМ, подключенными к сети без нулевого провода, так как в несимметричных режимах происходят необратимые срывы слежения.

Для создания систем управления трехфазными ККМ с замкнутым контуром управления предпочтительным является асинхронный принцип, при котором не возникает проблем устойчивости при работе контура формирования кривой тока, а по показателям качества параметров процесса асинхронные системы не уступают синхронным. В трехфазных сетевых преобразователях, подключенных к сети без нулевого провода, один из сетевых токов является зависимым. Поэтому следящая система управления должна работать с пассивной фазой: каждая фаза преобразователя на определенную часть периода становится пассивной, т.е. коммутация ключа в ней не осуществляется, а ток сети пассивной фазы определяется токами двух других фаз.

В Виенна-выпрямителе существуют различные возможности выбора пассивной фазы. Проведенный анализ показал, что предпочтительным является вариант, когда пассивной является фаза с минимальным по модулю напряжением сети, при этом напряжение преобразователя равно нулю (управляемый ключ данной фазы замкнут). На половине периода каждая фаза пребывает в пассивном состоянии в течении 60^о.

Анализ показывает, что при управлении с пассивной фазой существует возможность срывов слежения в результате потери управляемости. Для коррекции срывов слежения рассмотрены варианты, предполагающие воздействие на ключ другой активной фазы либо на ключ пассивной фазы. В случае воздействия на ключ пассивной фазы для коррекции срыва слежения алгоритм ограничен воздействием на ключ только пассивной фазы, поэтому такое решение предпочтительнее, оно лежит в основе предлагаемой модифицированной системы управления Виенна-выпрямителем с пассивной фазой и односторонней коррекцией срывов слежения, представленной на рис. 7.

В каждой фазе содержится модулятор, который, как и в традиционной схеме управления с двухпозиционным слежением, содержит основной компаратор К с гистерезисной передаточной характеристикой и порогами срабатывания, пропорциональными заданным отклонениям сетевого тока ДI и -ДI (компаратор может быть выполнен на основе элементарного компаратора с положительной обратной связью, или по схеме, содержащей два элементарных компаратора и RS-триггер). На компаратор поступает сигнал ошибки, равный разности сигнала, пропорционального модулю тока сети i (абсолютная величина формируется на выходе схемы выделения модуля СВМ), и управляющего сигнала y, синфазного напряжению сети данной фазы, форма которого соответствует модулю синусоидальной функции. Сигнал компаратора К при отсутствии срывов слежения управляет драйвером силовых ключей активной фазы. При работе фазы в пассивном режиме на вход драйвера поступает единичный сигнал Z.

Рис. 7. Модифицированная асинхронная система управления Виенна-выпрямителя с пассивной фазой и односторонней коррекцией срывов слежения.

Для коррекции срывов слежения в модулятор введен дополнительный компаратор КД, который фиксирует превышение сигналом ошибки величины, пропорциональной дI > ДI. После срабатывания КД на выходе цепи задержки формирует нулевой логический сигнал Q длительностью t_к. При нулевом сигнале Q в одной активной фазе на вход драйвера пассивной фазы подается логический 0.

Работа логического узла LU фазы A описывается уравнением

Уравнения для других фаз получают циклической перестановкой обозначений фаз.

Блок синхронизации и формирования управляющих импульсов связан с одной или всеми фазами питающей сети и формирует единичные логические сигналы Z, подаваемые на драйверы ключей пассивных фаз. Этот же блок формирует управляющие сигналы y, подаваемы на модуляторы. При увеличении напряжения на нагрузке его стабилизация достигается уменьшением величины управляющих сигналов.

Форма тока, потребляемого Виенна-выпрямителем из сети, и его спектр, приведены на рис. 8.

Рис. 8. Сетевые токи и спектр сетевого тока.

За счет работы коррекции срывов слежения спектр сетевого тока обогащается гармониками в низкочастотной области спектра, однако их интенсивность невелика и коэффициент мощности сохраняет высокие значения.

Преимуществом предложенного способа управления является значительное снижение числа коммутаций ключей на периоде сети, т.е. снижение средней частоты коммутаций. Это связано в первую очередь с режимом управления с пассивной фазой, т.к. на 1/3 периода сети коммутации в фазе не осуществляются. Модельный эксперимент на основе рекуррентных разностных уравнений показал, что устройство функционирует с высоким коэффициентом мощности и устойчиво работает при несимметрии сети, допускаемой ГОСТ-13109-97, и даже за пределами этих ограничений. Устройство устойчиво к заданию любых начальных условий и быстро и без срывов выходит на режим. Результаты подтверждены при моделировании Виенна-выпрямителя в среде Matlab-Simulink. Исследования показали работоспособность следящей системы управления при различных емкостях конденсаторов фильтра в цепи постоянного тока, в том числе при амплитуде пульсаций напряжения на конденсаторах до 20% от среднего значения. Результаты модельных экспериментов сведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные параметры Виенна-выпрямителя по результатам модельного эксперимента в среде Matlab-simulink

Примечание: При моделировании несимметричной сети коэффициенты обратной и нулевой последовательности равны 2%. При моделировании несинусоидальной сети величина 5-й гармоники равна 5% от напряжения сети.

Результаты проверены при моделировании Виенна-выпрямителя в базисе Pspace, а также на экспериментальном макете мощностью 0,8 кВт.

Исследования ККМ на базе трехфазного инвертора напряжения со следящим управлением с пассивной фазой показало, что вероятность срывов слежения за счет потери управляемости при этом меньше, но вывод преобразователя в рабочий режим после срыва должен осуществляться по сложной траектории, требующих применения сложных микропроцессорных решений.

В результате проведенной работы выявлены преимущества и недостатки различных вариантов построения трехфазных ККМ, которые представлены в табл. 4.

Таблица 4. Основные показатели трехфазных ККМ

Меньшее напряжение на ключах Виенна-выпрямителя позволяет использовать МДП-транзисторы и работать с высокой частотой коммутации, при этом уменьшаются номиналы индуктивностей дросселей, улучшаются массогабаритные показатели. Для управления Виенна-выпрямителем достаточно использование предложенной модифицированной следящей системы управления, которая по сложности не превосходит системы управления однофазными ККМ.

Однако по мере увеличения мощности преобразователя увеличиваются емкости конденсаторов фильтра в цепи постоянного тока Виенна-выпрямителя и затраты на них. Поэтому область применения Виенна-выпрямителей ограничена мощностью нагрузки порядка 1ч5 кВт. При создании сетевых источников питания с выходом на постоянном или переменным токе в качестве входного звена могут использоваться оба типа трехфазных ККМ. В установках для питания электропривода постоянного или переменного тока Виенна-выпрямитель может применяться только при отсутствии режима рекуперации энергии в питающую сеть. В зависимости от области применения (установки с выходом на постоянном либо переменном токе) к выходу ККМ подключают преобразователь постоянного напряжения (в том числе реверсивный) либо инвертор напряжения. В приложениях к работе приведены описание экспериментального макета Виенна-выпрямителя мощностью 800 Вт и результаты эксперимента; структура модели Виенна-выпрямителя в среде Matlab-Simulink и результаты моделирования в различных режимах; результаты моделирования ККМ в среде PSpice.

Основные результаты и выводы

В результате применения модифицированного метода переключающих функций для моделирования ККМ установлено, что амплитуды расположенных около частоты коммутации гармоник напряжения ШИМ-последовательности, приложенной к дросселю ККМ, не зависят от частоты коммутации ККМ и мощности нагрузки, но зависят от отношения постоянного напряжения на выходе ККМ к напряжению сети. Предложена методика расчета коэффициента искажения сетевого тока н и коэффициента мощности ККМ на основании полученных при спектральном моделировании ККМ табличных данных и аналитических выражений.

Предложены способы спектрального моделирования преобразователей с переменной частотой коммутации путем формирования сигналов развертки модулятора с переменной производной. Для формирования указанного сигнала развертки предпочтительным является использование фазовой модуляции, при которой все функции определяются в явном виде.

Моделирование корректоров коэффициента мощности показало, что при одинаковой средней частоте коммутации в преобразователях при постоянной и переменной частоте коммутации показатели качества формируемого ими сетевого тока одинаковы.

Установлено, что несимметрия сети не оказывает заметного влияния на составляющие полной мощности и коэффициент мощности преобразователя, однако вызывает появление на стороне постоянного тока заметных пульсаций выходного тока ККМ с частотой 2fсети; определены максимально возможные пульсации. В схеме Виенна-выпрямителя в симметричных режимах присутствуют колебания напряжения на конденсаторах с частотой 3fсети, амплитуда колебаний не зависит от показателей несимметрии сети, в несимметричных режимах добавляются колебания на первой гармонике. Несимметрия индуктивностей фазных дросселей ККМ практически не влияет на составляющие полной мощности и пульсации на стороне постоянного тока ККМ.

Несимметрия в задании фазных сетевых токов ККМ негативно влияет на пульсации на стороне постоянного тока. Оптимальным является задание симметричной системы фазных токов, обеспечивающее минимизацию кондуктивных помех, вносимых преобразователем в сеть, при близком к оптимальному уровню пульсаций на стороне постоянного тока.

Показано, что при применении программного параметрического способа управления трехфазными ККМ для обеспечения высокого качества сетевого тока при работе от реальной сети необходимо завышать индуктивность сетевых дросселей по сравнению с номиналами, необходимыми для обеспечения высокого коэффициента мощности при синусоидальности сетевого напряжения.

Предложен модифицированный способ управления Виенна-выпрямителем, основанный на двухпозиционном слежении с пассивной фазой и односторонней коррекции срывов слежения. Показано, что оптимальным является выбор в качестве пассивной фазы с минимальным фазовым напряжением.

Установлено, что в трехфазных ККМ на базе инвертора напряжения при следящем управлении с пассивной фазой вероятность возникновения необратимых срывов слежения меньше, чем в Виенна-выпрямителе, но вывод преобразователя из указанного режима может быть осуществлен лишь на основе сложной стратегии дополнительных коммутаций.

Проведено сравнение показателей трехфазных ККМ на базе инвертора напряжения и Виенна-выпрямителя, и на этой основе определены преимущественные области их применения.

преобразователь коммутация ток выпрямитель

Список публикаций по теме диссертации

1. Чаплыгин Е.Е, Нгуен Хоанг Ан Спектральное моделирование корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника, № 15, 2004, с. 23-28.

2. Чаплыгин Е.Е., Нгуен Хоанг Ан Спектральные модели импульсных преобразователей с переменной частотой коммутации // Электричество, № 4. 2006, с. 39-46

3. Чаплыгин Е.Е., Во Минь Тьинь, Нгуен Хоанг Ан Виенна-выпрямитель - трехфазный корректор коэффициента мощности // Силовая электроника (приложение к журналу «Компоненты и технологии»), №1, 2006. с. 20-23.

4. Чаплыгин Е.Е., Нгуен Хоанг Ан Способы управления Виенна-выпрямителем // Практическая силовая электроника, № 21, 2006, с. 11-16.

5. Нгуен Хоанг Ан Спектральный анализ корректоров коэффициента мощности с синхронным и асинхронным управлением // XI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/ Тезисы докладов. - М. МЭИ, 2005. с. 188.

6. Нгуен Хоанг Ан Несимметричные режимы Виенна-выпрямителя // XII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/Тезисы докладов. - М.МЭИ, 2006. с. 191.

Размещено на Allbest.ru