Активные выпрямители с принудительным формированием кривой тока, потребляемого из питающей сети

   Рисунок 2: а - Форма входного тока и напряжения и б - спектр сигнала входного тока преобразователя с активным выпрямителем 
 
 
 
 
 
 

   2. ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ КРИВОЙ ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ

   2.1 ОДНОФАЗНАЯ  ПОЛУМОСТОАВЯ СХЕМА АКТИВНОГО  ВЫПРЯМИТЕЛЯ

   В элементарных схемах выпрямления коммутация тока в вентилях сопровождалась коммутацией токов в фазах питающей сети. В выпрямителях на вентилях с неполным управлением обе коммутации осуществляются параллельно, в выпрямителях на вентилях с полным управлением, сначала осуществляется коммутация тока в вентилях, а затем – токов в фазах. В обоих случаях это приводит к импульсному характеру токов в фазах входного трансформатора и в сети, т. е. к сниженному качеству тока по сравнению с токами линейных потребителей электрической энергии. Можно существенно «выправить» нелинейность вентильного преобразователя по входу, если дать вентильному преобразователю возможность формировать кривую его входного тока. Для этого, очевидно, во-первых, необходимо, чтобы преобразователь был выполнен на полностью управляемых вентилях и, во-вторых, после выключения вентилей оставался путь для продолжения протекания тока фазы через другой, дополнительный вентиль. Однофазная полумостовая схема такого преобразователя на запираемых тиристорах показана на   рис. 3.

   Рисунок 3: а - Однофазная полумостовая схема активного выпрямителя 

                    б - векторная диаграмма

   Здесь дополнительными вентилями являются диоды Д1, Д2. Второе плечо моста образовано конденсаторами С1, С2, с которых одновременно как с выходного емкостного фильтра выпрямителя снимается постоянное напряжение Ud. Входной реактор с индуктивностью Lф, роль которой может выполнить и индуктивность рассеивания входного трансформатора при его наличии, предназначен для сглаживания пульсаций, обусловленных коммутациями вентилей, в непрерывной (без токовых пауз) кривой входного тока.

   Можно промодулировать методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительность проводящего состояния запираемых тиристоров, коммутируемых с повышенной частотой, по синусоидальному закону с частотой, равной частоте напряжения питающей сети. Тогда, при условии постоянства напряжения Ud  на выходе моста, на входе моста образуется широтно-модулированная последовательность двух полярных импульсов u. Положительный импульс напряжения u создается при включенном состоянии запираемого тиристора ЗТ2 или диода Д2 (в зависимости от направления тока через это плечо моста), а отрицательный импульс напряжения u – при включенном состоянии запираемого тиристора ЗТ1 или диода Д1. Под действием разности напряжения сети u1 и сформированного соответствующим управлением напряжения u будет протекать непрерывно ток i1 с пульсациями, ограничиваемый величиной индуктивности Lф. При определенных соотношениях между этими напряжениями фаза первой гармоники этого тока, как видно из векторной диаграммы на рис. 3б, может равняться нулю.

   При достаточном  превышении (в десять раз и более) частоты коммутации тиристоров над  частотой напряжения сети пульсации  тока могут стать малы, т. е. входной  ток выпрямителя будет практически  синусоидальным.

   2.2 ТРЕХФАЗНЫЙ  АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

   Схема активного выпрямителя с питанием от трехфазной сети образуется из трех аналогичных вентильных плеч, как показано на рис. 4. При этом потребность в емкостном делителе напряжения, имеющемся в однофазной схеме, здесь уже отпадает.

   Рисунок 4 – Схема трехфазного активного  выпрямителя на основе АИН. 

   В простейшем случае для изучения свойств АВ представим, что нагрузка имеет активный характер. Работа АВ основана на работе повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения, что иллюстрирует рисунок 2.

   Рисунок 5 – Работа активного выпрямителя: а) накопление энергии в

   дросселях; б) заряд конденсатора в звене постоянного тока

   При коммутации транзисторных ключей VT1-VT6 (рис.4) образуются кратковременные короткозамкнутые контуры (КЗК) во всех фазах (рис.5,а). В этот интервал времени накапливается энергия в дросселях Др на входе АВ, а абсолютное значение входного тока увеличивается. Когда же КЗК (рис.5,б) размыкаются, на конденсатор C, который находится в звене постоянного тока, прикладывается напряжение сети и ЭДС, накопленной в ДР, а абсолютное значение входного тока - уменьшается.

   Как видно  из векторной диаграммы рис. 3б, при отрицательном знаке угла ψ и той же величине напряжения на входе вентильного комплекта u, ток в цепи переменного тока преобразователя будет в противофазе с напряжением. Это будет означать переход вентильного преобразователя с ШИМ в инверторный режим, так как активная мощность в цепи переменного тока теперь отдается в сеть переменного напряжения. Таким образом имеется возможность рекуперации энергии. Уменьшением угла управления ψ до нуля можно свести до нуля и активную мощность как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. При этом напряжение в звене постоянного тока сохраняет знак и меняется в ограниченных пределах, что отличает выпрямительно-инверторные режимы в таком преобразователе с ШИМ от выпрямительно-инверторных режимов в преобразователе на вентилях с неполным управлением и фазовым способом регулирования.

   2.3МОДНОФАЗНЫЙ ККМ

   Если  нет требования к необходимости  рекуперации энергии из цепи постоянного  тока выпрямителя, т. е. к необходимости  обеспечения возможности инверторного режима, то схема выпрямителя с  принудительным формированием входного тока упрощается и для однофазной сети приобретает вид, показанный на рис. 6 а, а ее временные диаграммы представлены на рис. 6 б.

   Рисунок 6 - однофазный ККМ : а – схема ККМ, б - временные диаграммы  

   Схема содержит однофазную мостовую схему  неуправляемого выпрямителя, накопительный  реактор Ld, транзистор (вентиль с полным управлением), накопительный конденсатор С с разделительным диодом D. Эта часть схемы после диодного выпрямителя являет, как будет показано во второй части пособия, разновидность повышающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное. На качественном уровне его режим работы такой. При проводящем состоянии транзистора все выпрямленное напряжение диодного моста прикладывается к накопительному дросселю, при этом ток в нем нарастает (интервал импульса управления Uупр на рис. 6 б). При выключении транзистора ток накопительного дросселя через разделительный диод D заряжает накопительный конденсатор С и питает цепь нагрузки. Модулируя соответствующим образом длительность проводящего состояния транзистора с частотой, во много раз превышающей частоту питающего напряжения, можно сформировать практически синусоидальные полуволны тока в накопительном дросселе Ld, синфазные с выпрямленным напряжением. Выпрямленный ток в такой однофазной схеме(при проводимости диодов выпрямителя по полпериода сети коммутационная функция моста Ψп – прямоугольное колебание) есть модуль входного тока. Тогда получается практически синусоидальный ток на входе выпрямителя, находящийся в фазе с напряжением сети. При этом выходное напряжение преобразователя Ud должно быть больше амплитуды выпрямленного напряжения на выходе диодного моста. Это необходимо для обеспечения управления спадом тока накопительного реактора Ld на интервале выключения транзистора, когда к реактору прикладывается разность указанных напряжений в направлении, обратном, чем на интервале нарастания тока. Формально данный составной преобразователь образован каскадным включением двух простых указанных вентильных преобразователей, получил очень широкое распространение, прежде всего для целей питания стабилизированным напряжением маломощных нагрузок (устройства управления, теле-, радио- и бытовая аппаратура). На Западе эта схема получила название корректора коэффициента мощности за свое свойство обеспечивать входной коэффициент мощности практически равным единице. Да и родилась она в результате упрощения рассмотренных выше схем однокаскадных выпрямителей с принудительным формированием входного тока, обладающих способностью к рекуперации энергии из нагрузки. Снятие этого требования позволило перенести функцию принудительного формирования кривой тока из цепи переменного тока, как в схемах рис. 3 а и рис. 5, в цепь постоянного тока, как в схеме рис. 6. Схема с двухкаскадным преобразованием и всего одним управляемым вентилем оказалась дешевле схемы с однокаскадным преобразованием, но с двумя управляемыми вентилями.

   2.4 "VIENNA" - ВЫПРЯМИТЕЛЬ

   Помимо  схемы активного выпрямителя  на основе АИН схема, показанной на рис. 7. которая получила в литературе название "Vienna». Схема разработанна в Венском технологическом университете. Достоинствами выпрямителя типа "Vienna", которые определяют его широкое использование, являются: минимальное количество силовых управляемых ключей, минимальное значение индуктивности запасающих дросселей, низкий уровень напряжения на полупроводниковых приборах, не превышающий половины выходного напряжения выпрямителя.

   Рисунок 7 - Схема активного выпрямителя "Vienna"

   L1, L2 и L3  - входные запасающие индуктивности фаз А. В. С соответственно. В схеме использованы полевые транзисторы (MOSFET). однако возможно применение и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Диоды VD2-VD5. VD8-VD11 и VD14-VD17 - низкочастотные силовые диоды, a VD1. VD6. VD7. VD12. VD13, VD18 - высокочастотные диоды, блокирующие протекание тока от конденсаторов С1 и С2 к транзисторам VT1  - VT3. Конденсаторы С1 и С2 - ёмкостной фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на частоте работы транзисторов. Эти конденсаторы также выполняют функцию делителя напряжения, т.е. образуют виртуальную нулевую точку. сопротивление R1 – моделирует нагрузку выпрямителя – высокочастотный инвертор напряжения. Схема принципиально представляет собой три однофазных выпрямителя повышающего типа, подключенные параллельно к обшей нагрузке. Преобразование схемы однофазного выпрямителя для применения в качестве узла трёхфазной схемы представлено на рис. 2. Оно заключается в переносе индуктивности из пени постоянного тока в пепь переменного тока и добавлении второго развязывающего диода.

   Рисунок 8 - Преобразование схемы однофазного выпрямителя

   Во  включенном состоянии транзисторы  закорачивают фазные ЭДС сети на входные индуктивности. На этих интервалах энергия, потребляемая от сети, накапливается во входных икдуктнвностях. При выключении транзисторов энергия из индуктиввостей передается в выходной емкостной фильтр, откуда потребляется нагрузкой. Данный принцип соответствует работе повышающего преобразователя. Формирование импульсов управления транзисторов происходит путем сравнения мгновенных значений фазных токов с опорным треугольным сигналом. Для изменения выходного напряжения активного выпрямителя изменяют амплитуду опорного сигнала. Потребляемый АВ сетевой ток при таком алгоритме управления удовлетворяет жестким требованиям стандарта в широком диапазоне регулирования выходного напряжения

   Моменты перехода тока с транзистора на диод фазы А выпрямителя однозначно связаны с моментами изменения производной сетевого тока той же фазы. Это означает, что фазный ток можно формировать, воздействуя только на данной фазы. Это свойство отличает Виенна-выпрямитель от активного выпрямителя, выполненного на базе инвертора напряжения, где подобная независимость процессов формирования фазных токов не присутствует. Поэтому устройство управления Виенна-выпрямителем может быть построено но принципу слежения за сетевым током . Это позволяет для построения систем управления Вненна-выирями-телями использовать опыт, накопленный при разработке однофазных ККМ.

   Рисунок 9 - Зависимость напряжения выпрямителя и сетевого тока фазы А

   Схема выпрямителя "Vienna" имеет следующие достоинства:

• индивидуальный контроль тока каждой фазы в отдельности позволяет минимизировать искажения сетевого тока;
• в каждой фазе работает один лишь транзистор на обеих полуволнах входного тока, т.е. схема имеет минимальное количество силовых управляемых ключей и выходных каскадов драйверов.
• нет необходимости формирования "мёртвого времени" в импульсах управления силовыми транзисторами, что упрощает систему управления;
• при аварии нет опасности протекания сквозных токов и закорачивания выходного фильтрующего конденсатора силовыми транзисторами, что повышает надежность;
• при включении силового транзистора к запасающей индуктивности прикладывается не линейное, а фазное напряжение сети, поэтому' значение запасающей индуктивности минимально;
• к силовым транзисторам прикладывается половина выходного напряжения, что позволяет применять полупроводниковые ключи с меньшим классом по напряжению.

   Результаты  сопоставления достоинств и недостатков  Вненна-выиря-мнтеля с другими сетевыми преобразователями с активной коррекцией коэффициента мощности представлены в таблице 3. 
 
 

   Таблица 2 - Основные показатели трехфазных ККМ