Калейдоскоп статических преобразователей

August 17, 2013 by admin Комментировать »

В этой главе мы поговорим об общих принципах построения статических преобразователей, об их силовых схемах, о конструктивном исполнении различных типов приборов, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами, о методах их управления и о дополнительных функциональных сервисных узлах, имеющихся в составе современной преобразовательной техники.

Современный рынок статических преобразователей настолько широк, настолько много предложений поступает от производителей этой продукции, что у человека, впервые столкнувшегося с выбором конкретного прибора для реализации своих задач, может возникнуть чувство беспомощности. Интернетовские поисковые системы в ответ на запрос выдают сотни ссылок на сайты производителей, специализированные выставки насыщены стендами, где наперебой предлагают приобрести разнообразную преобразовательную технику. Как вообще сориентироваться в подобном разнообразии продукции? Какой именно преобразователь выбрать? Чем все-таки отличаются приборы с очень близкими техническими характеристиками, произведенными разными фирмами кроме того, что они имеют разные фирменные планки производителя? Насколько надежным в эксплуатации будет применение того или иного прибора? К счастью, эти опасения быстро исчезнут, если удастся разобраться в общих принципах построения и функционирования силовой преобразовательной техники.

Начнем с преобразователей, использующихся для построения частотно-регулируемого электропривода и основных силовых схем, использующихся для их реализации. Наибольшее распространение среди схем данного класса преобразовательной техники получили так называемые схемы двухзвенного преобразования. На рис. 1.2.1 показана в самом общем виде двухзвенная преобразовательная схема с указанием формы напряжений, формируемых каскадами этой схемы.

Двухзвенные схемы преобразуют питающее напряжение в напряжение питания электродвигателя в два этапа. На первом этапе произ-

Рис. 1.2.1. Двухзвенная схема преобразования

водится выпрямление сетевого напряжения UBX в напряжение ивыпр неуправляемым (или управляемым) выпрямителем, в качестве которого выступает диодный мост (или тиристорно-диодный мост), а затем сглаживается емкостным или индуктивно-емкостным фильтром. Получаемое в результате постоянное напряжение Ud на втором этапе преобразуется с помощью «инвертора» в широтно-модулированные импульсы с амплитудой UBklx, которые поступают на обмотки электродвигателя. Поскольку двигательные обмотки имеют индуктивный характер реактивного сопротивления, ток в обмотках (/вых) получается в результате усреднения близким к синусоидальному.

Наиболее интересный узел статического преобразователя — это инвертор. В качестве основных коммутационных элементов для инвертора долгое время использовались тиристоры с неполным управлением (включаемые по управлению, или SRC-тиристоры). Сегодня их заменили тиристоры с полным управлением типа GTO, IGCT, SGCT. Но наиболее перспективным на сегодняшний момент все-таки является использование биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). К сожалению, с помощью IGBT на сегодняшний момент удается строить статические преобразователи с верхней границей мощностей порядка нескольких сотен кВт. Если речь идет о диапазонах мощностей в тысячи кВт, приходится применять известные читателю тиристоры. Но тенденции развития силовой элементной базы позволяют сделать прогноз о возрастании доли IGBT в составе сверхмощных статических преобразователей и о появлении новых разработок мощных высоковольтных IGBT, способных полностью заменить тиристоры.

На рис. 1.2.2 показана структурная схема преобразователя на основе SRC-тиристоров. Элементы VS1—VS6 включены по схеме управляемого выпрямителя, элемент VS7 выполняет функцию коммутатора, запирающего элементы VS8—VS13, работающие в инверторе. Конденсаторы C1—C3 компенсируют индуктивный характер нагрузки. На основе данной схемы выпускалось большое количество преобразователей в диапазоне мощностей от 600 до 13 000 кВт с номинальными

Рис. 1.2.2. Преобразователь на основе SRC-тиристоров

выходными напряжениями до 14 000 В. Такие преобразователи использовались на железнодорожном транспорте для управления тяговыми электродвигателями тепловозов и электровозов.

К сожалению, классические SRC-тиристоры не могут работать на высоких частотах коммутации, из-за чего не удается повысить частоту преобразования и уменьшить гармонические искажения выходных сигналов преобразователей. Так, в среднем, значение гармонических искажений выходных сигналов подобных преобразователей составляет 10 % для выходного тока и напряжения. Насколько важно обеспечить минимальные гармонические искажения выходного напряжения и тока статических преобразователей для электропривода? Оказывается, гармонические искажения увеличивают потери электроэнергии в двигателях и могут оказать разрушающее воздействие на электрическую изоляцию его обмоток.

Более перспективным на сегодняшний момент является замена тиристоров SRC-типа на запираемые тиристоры GTO и IGCT, поскольку, кроме повышенных частот коммутации, эти элементы управляемы по выключению. На рис. 1.2.3 показана схема высоковольтного частотного преобразователя, в которой применяются ЮСТ-тиристоры. На входе преобразователя в данном случае устанавливается трансфор-

матор T1 с двумя вторичными группами обмоток — для повышения выходного напряжения. Выпрямление осуществляется двумя трехфазными диодными мостами CVD1—VD12), включенными последовательно. Выпрямленное напряжение фильтруется элементами Ll~L4, R1— R2, Cl~C4. Элементы VS1—VS12 составляют управляемый инвертор. На выходе преобразователя установлен LC-фильтр L5—L7, C5~C7, который подавляет высшие гармоники напряжения и исключает повреждение обмоток электродвигателей.

Вновь вернемся к рис. 1.2.1 и обратим внимание на сглаживающие (накопительные) конденсаторы, работающие в звене преобразования переменного тока частоты 50 Гц в постоянное напряжение, питающее звено инвертора. Емкость этих конденсаторов в классических преобразовательных схемах должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошее сглаживание выпрямленного тока, а также его поддержание при возникновении скачков и провалов сетевого напряжения. В среднем, величина этих конденсаторов выбирается из соотношения порядка 500 мкФ на 1 кВт выходной мощности. Отсюда следует, что типовой статический преобразователь представляет собой емкостную нагрузку со стороны подачи сетевого напряжения питания. Данное обстоятельство приводит к появлению в питающей сети высших гармоник тока, которые неблагоприятно влияют на сеть. Для питающей сети наиболее желательным считается подключение нагрузок активного характера, поэтому с помощью некоторого усложнения схемотехнического построения выходного каскада статического преобразователя удается приблизить потребление тока к активному характеру, то есть обеспечить коэффициент мощноцти прибора близким к 1.

На рис. 1.2.4 показана модифицированная схема входного звена статического преобразователя [7], в состав которого включен так на-

Рис. 1.2.4. Модифицированная схема входного звена статического преобразователя

Рис. 1.2.4. Модифицированная схема входного звена статического преобразователя

зываемый «бустер» — повышающий управляемый преобразователь на основе IGBT-ключей.

Бустер выполнен по симметричной схеме. В его состав включены индуктивные элементы L1, L2, транзисторные ключи VT1, VT2, обратные диодыУ07, VD8, выпрямительные диоды VD9, VD10 и сглаживающие конденсаторы Cl, C2. Основные функции бустера здесь две: во-первых, балансируется напряжение положительной и отрицательной полярностей относительно нейтрального проводника, что исключает появление в выходном переменном напряжении статического преобразователя постоянной составляющей из-за несимметрии управляющих воздействий, и во-вторых, что важно также отметить, поскольку конденсаторы Cl, C2 фильтра отделены от питающей сети элементами бустера, реактивная составляющая мощности будет «курсировать» между нагрузкой, инвертором, емкостями фильтра, и не сможет проникнуть на вход преобразователя, а значит — и в питающую сеть. Именно поэтому питающая сеть оказывается защищенной от высокочастотных гармоник тока.

Дальнейшее совершенствование схем входного звена преобразователей привело к замене неуправляемых диодных выпрямителей (диодных мостов) на управляемые выпрямители, выполненные на основе IGBT-ключей. Эти схемы позволяют обеспечить коэффициент мощности преобразователей порядка 0,99, то есть для питающей сети такие преобразователи могут стать практически активной нагрузкой. На рис. 1.2.5 показана схема входного звена статического преобразователя с управляемым выпрямителем.

В составе управляемого выпрямителя «работают» диоды VD1— VD6, транзисторы VT1—VT6, входные дроссели L1—L3. Кроме этого, имеется специальная схема уравнителя напряжения, построенная на транзисторах VT7—VT8, диодах VD7—VD8. Сглаживающий фильтр — элементы L4, Cl, C2. Управляемый выпрямитель выполняет функции регулирования напряжения постоянного тока на входе инвертора, управления мощностью за счет ограничения выходного тока. Кроме того, управляемый выпрямитель обеспечивает рекуперативный обмен энергией с питающей сетью. Уравнитель напряжения симметрирует напряжение постоянного тока на шинах подачи питания на инвертор для исключения появления постоянной составляющей в выходном сигнале.

Рис. 1.2.5. Управляемая схема входного звена

Появление так называемых гибридных силовых схем статических преобразователей электроэнергии связано с исследованиями, направленными на снижение их масс и габаритов с одновременным снижением влияния на питающую сеть. В этих схемах вместо фильтрующих конденсаторов большой емкости (а значит — и значительных габаритов) применяются узлы активных фильтров гармоник. Принцип работы активного фильтра гармоник таков: на входе преобразователя устанавливается электронная схема, состоялцая из датчиков тока, напряжения, ключевых элементов (IGBT-транзисторов) и сигнального микроконтроллера. Алгоритм управления фильтром построен таким образом, чтобы обеспечить воздействия, позволяющие скомпенсировать внешние возмущения типа скачков и провалов напряжения. Вследствие этого, потребление тока от сети происходит в режиме, близком к активному, а выходное напряжение, питающее инвертор, оказывается более стабильным. Как правило, активные фильтры гармоник работают параллельно с первичным звеном преобразователя.

На рис. 1.2.6 показана возможная гибридная структура входного звена статического преобразователя, содержащего в своем составе активный фильтр гармоник. Как видно из рисунка, гибридная схема представляет собой параллельное соединение классической силовой

Рис. 1.2.6. Гибридная структура входного звена

схемы с бустерным звеном и активного фильтра гармоник, в составе которого работают элементы VD7, VD8, VD9, VD10, VT1, VT2, L1. Таких фильтров в схеме должно быть три, то есть на каждую фазу «работает» свой фильтр (на рисунке показано внутреннее устройство только одного силового канала).

В том случае, если крайне важно обеспечить минимальное значение гармонических составляющих в нагрузке, гибридная схема реализуется так, как показано на рис. 1.2.7.

Неуправляемый выпрямитель VD1—VD6 здесь построен по традиционной схеме трехфазного моста. Регулирование напряжения на входе инвертора выполняется звеном чопперного типа на элементах VT1, VD7, VD8, 01, C2, L1. Инвертор также включен в классической схеме трехфазного моста на элементах VT8—VT13, VD15—VD19. Управляемый активный фильтр гармоник — элементы VT2—VT7, VD9—VD14, L2—L4, СЗ—С5. Выходные сигналы инвертора и актив-

Рис. 1.2.7. Гибридная схемадля питания нагрузки

ного фильтра суммируются в трансформаторе T1, к выходу которого подключается нагрузка (например, электродвигатель).

Интересной с точки зрения отказа от габаритных конденсаторов фильтра является идеология матричного построения силовой схемы статического преобразователя, приведенная на рис. 1.2.8. Схема построена с использованием девяти двунаправленных силовых ключей, которые подключают любую из трех фаз питающего напряжения к любым трем фазам нагрузки. Управляются ключи специальными трехфазными последовательностями, сформированными микроконтроллером. Накапливаемая в нагрузке энергия транслируется в питающую сеть с помощью оригинального рекуперативного узла. Интересно отметить, что матричная структура преобразователя позволяет как повысить, так и понизить частоту выходного напряжения по сравнению с частотой питающей сети, что не всегда удается в классических тиристорных структурах. Другая важная особенность матричной структуры — возможность сохранения работоспособности преобразователя в целом при отказе одной из ячеек двунаправленных ключей за счет перестройки алгоритма управления исправных ячеек.

А теперь мы поговорим о некоторых типичных промышленных образцах статических преобразователей, которые производятся ведущими

мировыми фирмами и находят широчайшее применение в названных выше технических областях. Начнем с рассказа о маломощных преобразователях, использующихся для управления электродвигателями. На рис. 1.2.9 представлена линейка универсальных компактных приборов серии Sinamics G100, поставляемых фирмой «Siemens». Фирма позиционирует эту линейку как ряд универсальных и недорогих приборов, работающих в диапазоне мощностей нагрузки от 0,12до 3,0 кВт с питанием от однофазной сети переменного тока напряжением 200…240 В. Интерфейс управления преобразователями имеет как аналоговую, так и цифровую части, что позволяет использовать их как в системах с ручным управлением, так и в автоматизированных системах, оснащенных микроконтроллерами и другими программно-аппаратными средствами. Крометого, ко всем преобразователям серии можетбыть подключена выносная дистанционная панель управления, которую можно устанавливать в удобном для оператора месте. Настройка режимов работы преобразователя (временная характеристика плавного пуска, характеристика торможения, цикл работы и т. д.) выполняется посредством встроенной клавиатуры и жидкокристаллического дисплея, или при помощи персонального компьютера, который подключается к специальному конфигурационному разъему. Чтобы установить одинаковый режим работы для нескольких приборов, достаточно выполнить настроечную операцию один раз, и затем перенести конфигурационную информацию на другие преобразователи. Специальное программное обеспечение для персонального компьютера поставляется в комплекте с преобразователем. Нужно сказать, что подобный метод конфигурирования современных преобразователей не является какой-то уникальной технологией, принятой на вооружение только фирмой «Siemens», — по этому пути идут практически все фирмы-производители, заботящиеся о конкурентоспособности своей продукции.

Технические характеристики преобразователей Sinamics G100 достаточно высоки: выходная частота регулируется в пределах от 0 до 630 Гц, КПД составляет 94 %, а коэффициент мощности — около 0,95. Максимальное расстояние от преобразователя до двигателя ~~ 25 м. Узел защиты преобразователя обеспечивает нормальное функционирование при превышении в 1,5 раза номинального выходного тока в течение 60 с. Кроме этого, обеспечивается автоматический перезапуск и выход на установленный ранее режим при перерывах первичного питания преобразователя (все настройки хранятся в энергонезависимой памяти).

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