Принципы реализации активного выпрямителя тока

На данный момент к полупроводниковым преобразователям частоты (ПЧ) предъявляются достаточно жесткие требования по качеству входного тока потребляемого из сети переменного тока [1]. Относительно ПЧ на базе автономного инвертора напряжения эти требования могут быть удовлетворены при использовании активного выпрямителя напряжения, который обеспечивает формирование практически синусоидального тока с использованием ШИМ. При использовании в схеме ПЧ автономного инвертора тока (АИТ) возникает та же проблема с формированием входного тока. Ее решение возможно при использовании активного выпрямителя тока (АВТ) [2].

Цель работы. Разработать алгоритм реализации АВТ при использовании релейного принципа регулирования входного тока и при этом выполнить моделирование процессов в схеме АВТ.

Схема АВТ включает в себя согласующий трансформатор (при необходимости), трехфазный мост на IGВT с сглаживающим дросселем в звене постоянного тока и входной LC – фильтр.

Для формирования входного тока АВТ используются три релейных регулятора для каждой из входящих фаз АВТ. Задается отклонения δ входного тока фазы АВТ напряжения iф относительно заданного значения iзад. Так для положительной полуволны, если iф < ізад + δ, то формируется сигнал Р = 1 на включение ключа обеспечивающего протекание во входной фазе АВТ тока положительной полярности, в противном случае Р = 0. Для негативной полуволны аналогичным образом формируется сигнал N на включение ключа обеспечивающего протекание во входной фазе АВС тока отрицательной полярности.

Алгоритм работы АВТ предусматривает отпирание двух ключей в разных плечах моста (нагрузка подключается к источнику). Когда нагрузка отключается от источника, открываются оба ключа в одном из плечей моста для замыкания тока выходной цепи. Работа схемы осуществляется в соответствии с сигналами тактового генератора, который формирует две последовательности (прямая – n и инверсная – m) с частотой модуляции ƒм = 1 / Tм. Продолжительность тактового импульса (такта работы) соответствует половине периода модуляции и определяет зону работы релейной регулятора. Период выходного напряжения разбивается на шесть интервалов работы. На каждом из интервалов токи двух фаз имеют одинаковую полярность (например, a и c), ток третьей фазы (например, в) имеет противоположную полярность. Тогда на такте n открываются ключи в фазах a и в, на такте m открываются ключи в фазах c и в. При этом ключ фазы в открытый в течение всего интервала работы, при замыкании ключей в фазах а и с отпирается второй ключ фазы в, чем достигается замыкания тока нагрузки.

Моделирование схемы АВТ осуществлялось с использованием программного пакета MATLAB. Структурная схема модели приведена на рис.1. Модель включает в себя трёхфазный мост на IGBT с системой управления SU, входную цепь (Input link).

Выходную цепь образуют сглаживающий дроссель Ld, активная нагрузка и источник ЭДС (Ed). Входная цепь включает в себя трехфазный источник переменного тока и входной сглаживающий LC фильтр. Задаются амплитуда входного тока Im, заданное отклонение δ (delta). Рассматривались два режима работы АВТ: выпрямительный с передачей энергии в цепь выпрямленного тока (нагрузка активная и Ed = 0) и инверторный при обратном направлении передачи энергии (Ed > 0). Изменение фазы входного тока АВТ осуществляется по входу G (Regim = 1 при φ= 0 и Regim = - 1 при φ = π).

Осциллограммы напряжения фазы сети uA , тока фазы сети iФА, тока фазы АВТ в входной фильтр і¹ФА, выпрямленного тока іd приведены на рис.2. При этом коэффициент гармоник входного тока iФA с учетом гармоник до 37-й составил 5.26%.

В высоковольтных ПЧ в схеме АВТ используется последовательное соединение ключей. В работе предложено использовать последовательное соединение нескольких АВТ при питании их от изолированных вторичных обмоток входного трансформатора. Это исключает вопрос выравнивания напряжений ключей и позволяет решить вопрос по-улучшению гармонического состава тока на входе трансформатора без увеличения частоты переключения ключей АВС.

Литература

1. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. –USA.; IEEE Standard, Jun. 1992. 519с.
2. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковым преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер / / – Екатеринабург: УРО РАН. – 2000. – 654 с.