Энергосберегающие выпрямители с улучшенной электромагнитной совместимостью

Свойство полууправляемости делает возможным включение тиристоров лишь в области так называемых отстающих углов управления (вправо от точки естественной коммутации). Это свойство однооперационных тиристоров приводит к потреблению реактивной мощности индуктивного характера. В наиболее распространенных схемах управляемых вентильных преобразователей (УВП) потребление реактивной мощности происходит в размерах, пропорциональных степени регулирования выходного напряжения. В результате работа мощного вентильного преобразователя зачастую сопровождается посадками напряжения в питающей сети, нарушающими режим энергоснабжения предприятий. Компенсация реактивной мощности, потребляемой УВП, затруднительна и часто малоэффективна, ввиду сравнительно высокого быстродействия этих устройств.

В этой связи большие возможности для улучшения динамических и энергетических показателей УВП представляет метод искусственной коммутации тиристоров. Управление преобразователями с искусственной коммутацией возможно в области опережающих углов (- π ≤ α ≤ 0), что превращает эти устройства из потребителей в генераторы реактивной мощности емкостного характера (компенсационные преобразователи). Существует возможность построения преобразователей, работа которых основывается на сочетании искусственной и естественной коммутации вентилей. Регулирование этих устройств возможно с поддержанием cosφ₍₁₎ = 1, в связи с чем их принято называть компенсированными.

Последний этап в развитии УВП с искусственной коммутацией ознаменовался появлением глубокорегулируемых устройств, свойства которых делают возможным применение их в широкой области техники.

Принципы построения и управления УВП с искусственной коммутацией могут быть перенесены на область преобразовательных схем, выполняемых на полностью управляемых приборах, которые в настоящее время бурными темпами внедряются в область силовой преобразовательной техники.

Выбор элементной базы преобразователей рассматриваемого класса осуществляется с учетом преобразуемой мощности. Силовые цепи управляемых тиристорных преобразователей с искусственной коммутацией должны содержать, как правило, три функциональные части: тиристорный выпрямитель, устройство искусственной коммутации (УИК) и устройство защиты от коммутационных перенапряжений (УЗП). УИК служит для прерывания протекающего через тиристоры тока, в результате чего достигается эффект двух операционного управления преобразователем. Усовершенствование конденсаторной коммутации происходит в направлении отделения цепей коммутации от нагрузки, обеспечивающей инвариантность процессов прерывания тока вентилей от параметров и процессов в цепи выпрямленного тока.

Одновременно существует тенденция к уменьшению необходимой емкости коммутирующих конденсаторов путем создания таких УИК, в которых она определяется лишь временем восстановления запирающих свойств тиристоров. Все это способствует улучшению регулировочных свойств преобразователей, а также делает их внешние характеристики более жесткими и линейными с высокой добротностью и собственной частотой порядка нескольких кГц. Такие УИК обеспечивают надежное и практически мгновенное выключение силовых вентилей в любой части диапазона регулирования при любой допустимой величине протекающего тока.

В схемах с управляемыми вентилями применение конденсаторов может обеспечить плавный принудительный перевод тока нагрузки во время коммутации из фазы с большим напряжением в фазу с меньшим напряжение сети. Это облегчает условия работы вентильных ключей в схемах выпрямления.

Стремление уменьшить емкость коммутирующих конденсаторов в тиристорных преобразователях влечет за собой необходимость разработки эффективных устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Такие УЗП становятся обязательной частью не только тиристорных, но и более мощных транзисторных схем, что обусловливает актуальность указанной проблемы.

Назначением УЗП является вывод из контура коммутации фазных токов избытка электромагнитной энергии, выделяющейся на индуктивных элементах в момент запирания вентилей. Необходимо отметить, что до сих пор наибольшее применение находят УЗП, работающие по принципу рассеивания энергии, заимствованному из практики преобразователей с естественной коммутацией вентилей.

Однако, ввиду несоизмеримости энергий, выделяющихся в условиях естественной и искусственной коммутаций, в последнем случае КПД преобразователя резко уменьшается. Применив схемные решения, появилась возможность обеспечения двухстороннего обмена энергией фильтра с контуром коммутации. Данный принцип положен в основу работы компенсированных преобразователей.

Рассмотрим работу конденсаторного фильтра в режимах, когда его заряд под воздействием тока выходящей из работы фазы чередуется с частичным разрядом тока включаемой фазы.

Однако для его использования важно выяснить возможность установившейся работы устройства, которая, очевидно, может быть лишь в условиях равенства энергий, отдаваемых и получаемых конденсатором на интервалах повторяемости процессов.

Реализация указанного принципа возможна при различной задаваемой частоте следования разряда и заряда конденсатора в схеме, изображенной на рис. 1, а, б.

Данный преобразователь содержит группу силовых полностью управляемых вентилей (типов GTO, IGCT или IGBT) VT1, VT2, VT3, группу вспомогательных маломощных диодов VD1, VD2, VD3, полярный конденсатор фильтра Сф, коммутирующий вентиль VT_k и разделительный диод VD4. Схема содержит минимально возможное число вспомогательных элементов, необходимых для реализации рассматриваемых режимов. Для того чтобы конденсатор начал разряжаться током вступающей в работу фазы, необходимо подать управляющий импульс на включение силового вентиля этой фазы и одновременно на вентиль VT_k (рисунок 1, а).

Перевод конденсатора в цепь выходящей из работы фазы с целью его заряда осуществляется путем выключения силового вентиля в этой фазе и одновременно вентиля VT_k (рис. 1 ,б).

На внекоммутационных интервалах конденсатор оказывается вне контура тока нагрузки, не оказывая влияния на протекание процессов в схеме.

Оснащение компенсированного преобразователя конденсаторным фильтром придает ему ряд новых свойств. Принципиальная схема рассматриваемого устройства приведена на рисунке 2.

При допущении мгновенности коммутаций можно получить простые зависимости и сделать общие выводы относительно гармонического состава тока, потребляемого из сети компенсированным преобразователем. При разложении периодических несинусоидальных функций в ряд Фурье определяются действующие значения ряда нечетных гармоник тока (n=1,5,7…).

для действующих значений ряда четных гармоник (n=2,4,6...)

откуда следует, что в составе переменного тока преобразователя отсутствуют гармоники кратные трем, однако присутствуют четные составляющие.

На основании полученных выражений на рисунке 3 построены зависимости действующих значений некоторых основных гармоник в функции угла регулирования.

Величины гармоник отнесены к амплитуде первой гармоники при α = 0. Из этого графика видно, что первая гармоника тока с увеличением угла регулирования монотонно уменьшается по закону косинусоидальной функции.

Действующее значение высших гармоник периодически изменяет свою величину, причем максимальные значения их обратно пропорциональны своему порядковому номеру:

Фазовый сдвиг первой гармоники тока относительно кривой напряжения (считаем ее синусоидальной):

где a₁,b₁ – коэффициенты при нулевом члене ряда Фурье.

Выражение (4) показывает, что коэффициент сдвига(cosφ₁ ) по первой гармонике компенсированного преобразователя не зависит от углов управления и при допущении мгновенной коммутации равен единице. Следовательно, работа компенсированного преобразователя происходит без перетоков реактивной мощности между установкой и питающей сетью.

Таким образом, полная мощность компенсированного преобразователя содержит лишь две составляющие и определяется по выражению

Приняв в качестве базовой величины полную мощность S при α = 0, получаем зависимость в относительных единицах:

Данные зависимости позволяют оценить содержание высших гармоник в фазном токе преобразователя. Из графиков рисунка 4, построенных на основании (6) (7), следует, что, в отличие от обычных схем выпрямления, уменьшение выходного напряжения при регулировании компенсированного преобразователя сопровождается уменьшением величины полной, а также полезной мощностей.