Борьба с пусковыми токами, помехами и пульсациями

August 10, 2013 by admin Комментировать »

В составе статических преобразователей для систем электроснабжения, питаемых от сетей однофазного переменного тока 220 В 50 Гц и трехфазного переменного тока 380 В 50 Гц традиционно используется входное звено, осуществляющее преобразование переменного сетевого напряжения в постоянное, которое затем трансформируется посредством управляемого высокочастотного звена в переменное напряжение импульсной формы. С момента появления высокочастотных преобразователей входное звено по своему схемотехническому построению не претерпело существенных изменений: традиционно оно представляет собой каскадное соединение выпрямителя (мостового или трехфазного, управляемого или неуправляемого) и сглаживающего емкостного или индуктивно-емкостного фильтра. Разработка таких схем, что называется, «в лоб», может привести к появлению зарядных сверхтоков, во много раз превышающих рабочие токи потребления. Поэтому разработчики силовой преобразовательной техники применяют меры разной степени сложности для полного исключения пусковых сверхтоков или их снижения до безопасных значений. Поговорим подробнее об этих мерах.

В случае разработки маломощных высокочастотных статических преобразователей (с выходной мощностью не более 200…300 Вт), входное звено, питаемое от однофазной сети, сроится по хорошо известной простейшей схеме, показанной на рис. 2.4.1.

Переменное напряжение 220 В 50 Гц здесь выпрямляется диодным мостом VDl…VD4, пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются емкостным фильтром на основе конденсатора С. Поскольку включение преобразователя в питающую сеть может произойти не только в момент, когда сетевое напряжение близко к нулевому, но и на его амплитуде, зарядный ток конденсатора С может легко вывести из строя диодный мост, то есть вызвать эффект токового пробоя, если не приняты меры по ограничению этого сверхтока. Понятно, что ограничение зарядного тока в условиях близкого к нулевому импедансу конденсатора С, может происходить только за счет активного сопротивления токоведущих проводников (которое крайне мало), а это значит, что, по сути, никакой защиты от аварийного режима в таком случае быть не может. Чтобы все-таки исключить возникновение аварийного режима, в состав входного звена вводится резистор R с небольшим сопротивлением, ограничивающим зарядный ток. Этот способ защиты широко используется в промышленных преобразователях, даже несмотря на то, что в рабочем режиме резистор R вынужден рассеивать тепловую энергию, а значит, несколько снижает КПД преобразователя в целом. Методы расчета номинала резистора R хорошо известны, и с ними можно познакомиться, например, в [1] и [2].

Коэффициент полезного действия (КПД) схемы, показанной на рис. 2.4.1, можно повысить, если применить вместо линейного резистора R нелинейный термистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. Что дает применение термистора? При первоначальном пуске токовый импульс разогревает термистор, и его сопротивление резко возрастает, обеспечивая снижение пускового тока. В установившемся режиме потребления тока термистор восстанавливает свое малое сопротивление (охлаждается), и тепловые потери уменьшаются.

Рис. 2.4.1. Входное звено маломощных преобразователей

При разработке мощной преобразовательной техники существенной становится проблема отвода выделяемого тепла, поэтому разработчики стремятся максимально снизить тепловыделение, зачастую — ценой значительного усложнения схемы построения. Соответственно, описанный выше метод снижения пусковых токов здесь приходится модифицировать. Рассмотрим подробнее такие модификации.

На рис. 2.4.2 приведена модифицированная схема ограничения пусковых сверхтоков, часто применяемая в составе преобразователей с номинальной выходной мощностью более 1 кВт. Как видно из схемы, в составе первичного звена имеется уже знакомый нам ограничительный резистор R, но, кроме этого, также введены дополнительные элементы: контактор K1 подачи сетевого напряжения 3 x 380 В 50 Гц; реле K2, шунтирующее токоограничительный резистор R; датчик контроля выходного напряжения ДН. При первоначальном включении замыкается контактор K1 и конденсатор С заряжается через ре-

зистор R. При этом величина напряжения Uc на конденсаторе С контролируется датчиком напряжения ДН. Когда напряжение Uc достигает величины, необходимой для запуска звена высокочастотного инвертора, замыкается реле K2, шунтируя резистор R, что обеспечивает снижение тепловых потерь в установившемся режиме работы.

Каковы недостатки данной схемы? Во-первых, в состав звена вводятся контакторы и реле с мощными контакторами, которые должны допускать прохождение тока не ниже номинальной потребляемой величины. Во-вторых, появляется дополнительная электронная схема на основе датчика напряжения ДН, которая должна алгоритмически отрабатывать задачу пуска и принимать решение об отключении контактора K1, если напряжение на конденсаторе С не достигнет требуемой величины за заданное время (напряжение питающей сети не соответствует номинальному в меньшую сторону), или в процессе работы произошел выход питающего напряжения за номинальные пределы. Кроме этого, электронная схема должна обеспечить задержку повторного пуска после отключения преобразователя, в противном случае преобразователь может выйти на режим питания с разомкнутым реле K2, а это однозначно приведет к недопустимому разогреву токоограничительного резистора R. Тем не менее, описанная схема в авторском варианте использована при разработке серийного статического преобразователя трехфазного напряжения 380 В 50 Гц в трехфазное напряжение 220 В 400 Гц мощностью 6 кВА. В процессе шестилетней эксплуатации узел ни разу не отказал и зарекомендовал себя по параметру надежности с лучшей стороны.

Более сложная (но и более эффективная) схема ограничения сверхтоков, использованная при разработке преобразователя постоянного тока мощностью 12 кВт, приведена на рис. 2.4.3.

Эта схема ограничения сверхтоков кардинально отличается от описанных выше, так как построена на основе чопперного регулятора напряжения [1]. В ней используется IGBT транзисторная сборка VT1 типа CM200DY-24A (производитель — «Mitsubishi Electric») со встроенными ультрабыстрыми диодами. Дроссели L1, L2 и конденсатор C2 образуют фильтр пульсаций выпрямленного напряжения. Конденсатор C1 защищает схему от выбросов напряжения при работе. Кроме того, в схеме имеются: датчик тока ДТ типа LA55P и датчик напряжения ДН типа LV25P (производитель — ОАО «Твелем»), драйвер ДР управления «верхним» транзистором IGBT-сборки (производитель — ЗАО «Электрум АВ»), схема управления СУ.

В момент включения преобразователя в сеть транзисторУТ1.1 переводится в проводящее состояние, начинается заряд конденсатора C2. При достижении пускового тока некоторого установленного значения, схема управления СУ прерывает ток, который далее начинает снижаться до другого установленного значения, транзисторУТ1.1 вновь переводится в проводящее состояние, и процесс повторяется. Причем цикличность этого процесса продолжается до тех пор, пока не сработает датчик напряжения ДН, свидетельствующийодостижении напряжения на конденсаторе C2 уровня, необходимого для запуска высокочастотного инвертора. Датчик ДН через схему управления блокирует транзистор VT1.1 в открытом состоянии, и далее происходит запуск высокочастотного инвертора. Главное достоинство этой схемы очевидно: с ее помощью можно достичь значения пускового тока, не превышающего значения потребляемого номинального тока в установившемся режиме работы (естественно, за счет увеличения времени заряда конденсатора C2). К сожалению, и данное схемотехническое решение оказалось достаточно сложным с точки зрения своей реализации: в состав преобразователя пришлось ввести ряд непростых функциональных узлов, которые используются по прямому назначению преимущественно в момент первоначального пуска, и в дальнейшем не несут никакой функциональной нагрузки. Кроме того, схема по рис. 2.4.3 в процессе эксплуатации показала себя гораздо менее надежной, чем схема по рис. 2.4.2.

Можно построить входное звено статического преобразователя с применением тиристора в качестве ключевого элемента, шунтирующего зарядный резистор. На рис. 2.4.4 показан вариант такого звена, достаточно хорошо известный разработчикам силовой техники. Но это — не самое лучшее техническое решение, так как тиристор имеет 4-слойную структуру, из-за чего падение напряжения на нем тоже велико, а значит, рассеивается дополнительная тепловая энергия.

Возможно ли найти скрытые возможности традиционных элементов входных цепей статических преобразователей, чтобы обеспечить надежную защиту от сверхтоков? Давайте обратимся к рис. 2.4.5, на котором состав входного звена мощного статического преобразовате-

Рис. 2.4.4. Вариант входной цепи с использованием тиристора в качестве

ключевого элемента

Рис. 2.4.5. Входное звено мощного преобразователя

ля обозначен подробнее. В составе звена имеется, во-первых, сетевой дроссель L1, ограничивающий распространение высокочастотных гармоник в питающую сеть и гасящий коммутационные перенапряжения. Кроме этого, в составе силовой схемы предусмотрен помехоподавляющий фильтр (ППФ) модульного исполнения, задерживающий высшие гармоники помех (радиопомехи). Элементы фильтра подавления пульсаций выпрямленного напряжения L2, С тривиальны, а потому не требуют пояснений.

Использовать ППФ в качестве ограничителя пусковых токов не получится, так как эта функция ему не свойственна, а вот близкие к этой задаче функции выполняютдроссели L1 и L2. Их, как оказалось, можно «нагрузить» еще и на выполнение задачи ограничения пусковых токов. Вот здесь необходимо сделать небольшое «лирическое» отступление и сказать несколько добрых слов в адрес сетевых дросселей, выпускаемых фирмой «Elhand» [36]. Внешний вид наиболее интересных в данном случае типов дросселей показан на рис. 2.4.6, а—д.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты