Активный выпрямитель (AFE)

Активный выпрямитель (AFE)

Выпрямитель – это преобразователь переменного напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые – на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентилей проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток.

Процесс управления выпрямителем приводит к повышению коэффициентов несинусоидальности как тока, так и напряжения.

Проблемы возникают следующие:

1. искажение формы питающего напряжения;
2. падение напряжения в распределительной сети;
3. резонансные явления на частотах высших гармоник;
4. наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
5. повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
6. вибрация в электромашинных системах;
7. снижение электрического и механического КПД нагрузок;
8. ухудшение характеристик защитных автоматов;
9. завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок;
10. нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах;
11. нагрев конденсаторов;
12. нагрев кабелей распределительной сети.

Для устранения отмеченных выше недостатков можно рекомендовать активный выпрямитель (рис.1).

Рисунок 1 – Активный выпрямитель с функцией рекуперации

Такие выпрямители комплектуются полностью управляемыми вентилями с обратными диодами. С помощью широтно-импульсной модуляции реализуются режимы принудительного формирования сетевого тока. Форму тока приближают к синусоидальной с регулируемой начальной фазой, что и обеспечивает желаемый результат (форму кривой тока и коэффициент мощности). При помощи коррекции коэффициента мощности возможно не только организовать потребляемый ток сети, совпадающий по форме и фазе с напряжением, но и обеспечить заданный уровень постоянного напряжения на конденсаторе. Кроме того, в электроприводе за счет связи инвертора-выпрямителя с питающей сетью, возможна обратная рекуперация энергии, получаемая при работе привода в генераторном режиме.

Наиболее массовое практическое применение в системах регулируемых электроприводов переменного тока получили двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, а из них – преобразователи с автономными инверторами напряжения.

У этого преобразователя недостаточно полно проработаны некоторые вопросы энергосбережения, качества электропотребления и электромагнитной совместимости преобразователей. При использовании пассивного выпрямителя, состоящего из диодного моста и фильтрующего конденсатора, несмотря на малые пульсации выпрямленного выходного напряжения на входе получаем несинусоидальный ток с большими пиковыми значениями. Это значительно понижает коэффициент мощности системы, вызывает существенные радиопомехи. Улучшить форму тока можно путем внесения в цепь дополнительных пассивных элементов. Но это приводит к увеличению массогабаритных показателей устройства, так как реактивные компоненты в таком случае работают на относительно низких частотах. Кроме этого выпрямитель подразумевает поток энергии только в одном направлении от сети в нагрузку. Проблему перенапряжения в звене постоянного тока, возникающую при торможении привода (особенно при большой мощности) в этом типе преобразователя приходится решать с помощью тормозного резистора очень большой мощности, просто рассеивая выделяющуюся энергию в тепло (рис.2).

Рисунок 2 – Стандартное подключение ПЧ

На рис.3 представлены способы управления энергией при работе частотного электропривода.

Рисунок 3 – Управление энергией

Улучшить показатели преобразователей частоты помогает использования в звене постоянного тока выпрямителей с принудительной коммутацией. Структуру силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем напряжения иллюстрирует рис.4. В силовой цепи последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВН), фильтр Ф и автономный инвертор напряжения АИН. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель АВН, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока Ud на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.

Рисунок 4 – Структура силовых цепей двхзвенного ПЧ

выпрямителем и автономным инвертором напряжения

Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора Ud в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А, В и С. Эти зажимы связаны с питающей сетью через буферные реакторы БР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения на зажимах переменного тока АИН А1, В1 и С1 рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВН постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВН воспринимаются буферными реакторами БР, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором основная (полезная) гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, буферными реакторами. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока.
Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя с помощью системы управления АВН параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А1, В1 и С1, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо «опережающим», либо «отстающим» коэффициентом мощности.
Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает чрезвычайно ценным свойством – возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электрическим двигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть. Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии (Рис.5).

Рисунок 5 – Коррекция коэффициента мощности

Компания Delta Electronics предлагает на отечественном рынке модуль рекуперации AFE 2000 не случайно. На настоящий момент для многих предприятий становится существенным рост тарифов за электроэнергию, что влечет повышение стоимости конечного товара, необходимость улучшения качества промышленной сети. Также было принято законодательное решение о мерах по экономии электроэнергии, энергосбережению. Компания «Элпрон» предлагает установку активных рекуператоров «под ключ», то есть от проведения исследований и экономического обоснования до монтажа на объекте.

Литература

1. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости электротехники.

2. Народницкий А.Г. Частотно регулируемые приводы и энергораспределительные системы // Цемент и его применение. 2008. № 4. С. 38-41.

3. Шкердин Д.Г. Преобразователи частоты в энергосберегающем приводе насосов // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. №7. С. 29-32.

4. Мухамадеев А.Р. Преобразователи частоты и устройства плавного пуска для электроприводов переменного тока // Энергетика Татарстана. 2010. № 17. С. 44-53.

5. Гринштейн Б.И., Колоколкин А.М., Тарасов А.Н. Опыт разработки и внедрения тиристорных преобразователей частоты для пуска и регулирования частоты вращения мощных синхронных машин // Электрические станции. 2005. № 8. С. 45-53.