УЛУЧШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОГО ДИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВХОДНОГО КАСКАДА С ГИБРИДНЫМ ОДНОНАПРАВЛЕННЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

Введение

Традиционно трехфазное преобразование переменного тока в постоянный выполняется с помощью диодных или фазоуправляемых выпрямителей. Из-за коммутации этих систем при переходе тока через ноль их также называют выпрямителями с линейной коммутацией.

Такие выпрямители надежны и имеют низкую стоимость, но потребляют от источника несинусоидальные токи или реактивную мощность, что ухудшает качество электроэнергии. Для компенсации гармонических искажений, создаваемых диодными выпрямителями, могут использоваться пассивные линейные фильтры или системы коррекции коэффициента мощности.

Многоимпульсные трехфазные выпрямители обеспечивают подавление гармоник за счет сдвига фаз с помощью специальных трехфазных трансформаторов. При этом простота и надежность диодных выпрямителей сохраняются. Однако, они тяжелые, громоздкие и дорогие.

Выпрямители с трехфазной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) широко используются в приводах малой и средней мощности, где должны удовлетворяться требования, установленные международными стандартами. Такого рода аггрегаты являются наиболее перспективными с точки зрения качества электроэнергии, поскольку они могут обеспечивать низкий уровень гармонических искажений и коэффициент мощности, равный единице.

Последние тенденции в области силовых выпрямителей привели к появлению нового класса трехфазных выпрямителей — гибридных выпрямителей. Термин «гибридный выпрямитель» обозначает последовательное и/или параллельное соединение выпрямителя с линейной коммутацией и самокоммутируемого преобразователя.

Выпрямитель с линейной коммутацией работает на низкой частоте и имеет более высокую номинальную выходную мощность. Активный выпрямитель предназначен для работы с небольшой номинальной мощностью и высокой частотой коммутации.

Количество публикаций в литературе показывает, что исследования выпрямителей сосредоточены на самокоммутирующихся и гибридных выпрямителях. Большой проблемой является разработка выпрямителя, который был бы таким же прочным, легким, простым и дешевым, как пассивные выпрямители, и обеспечивал бы эффективное снижение содержания гармоник входного тока выпрямителей с ШИМ. Данная область исследований имеет большой потенциал для будущих применений.

Гибридный выпрямитель

Параллельное соединение трехфазного диодного мостового выпрямителя и однонаправленного трехфазного выпрямителя с ШИМ является основой гибридного преобразователя, который изображен на схеме рис. 1.

Общая выходная мощность гибридного преобразователя в основном обрабатывается неуправляемым выпрямителем, работающим на низкой частоте, в то время как управляемый ШИМ выпрямитель, работающий на высокой частоте, обрабатывает только около 45% мощности. Таким образом, общая эффективность системы повысится.

 

1. Трехфазный повышающий выпрямитель с одним переключателем

Трехфазный повышающий выпрямитель с одним ключом, является основой гибридного преобразователя. Он имеет относительно высокий коэффициент мощности и в целом характеризуется очень высоким коэффициентом использования силовых компонентов. Повышающий выпрямитель с одним ключом придает прямоугольную форму графика входного тока. Контур управления током может управлять только амплитудой этих токов, поддерживая постоянное выходное напряжение при изменении нагрузки.

Чтобы составить гибридный выпрямитель, необходимо внести небольшую модификацию в схему, представленную на рис. 1. Эта модификация состоит в разделении повышающего диода и повышающей катушки индуктивности, чтобы избежать неподходящих путей тока в системе. Конструкция этих разделенных катушек индуктивности не требует каких-либо специальных процедур.

2. Однонаправленные выпрямители с ШИМ

Теоретически, любой трехфазный выпрямитель с ШИМ может быть гибридным выпрямителем. Требование к системе состоит в том, чтобы выпрямитель был однонаправленным, поэтому был выбран выпрямитель, показанный на рис. 1. Преимущество этой концепции в том, что она представляет собой меньшее количество активных коммутаторов.

Основной задачей гибридного выпрямителя является получение идеально синусоидальных входных токов и характеристик распределения нагрузки за счет использования структур.

Способ объединения токов отдельных преобразователей для получения результирующего входного тока без гармоник представлен на рис. 4.

 

Схематическое изображение модели

Рис. 1. Схема моделирования однонаправленного гибридного выпрямителя

 

№	Параметр	Значение
1	Фазное напряжение	30 В
2	Выходное напряжение	Макс. 100 В
3	Частота коммутации однонаправленного ШИМ	10 Кгц
4	Индуктивность с одним переключателем	2 мГн
5	Индуктивность на входе активного выпрямителя	2,5 мГн
6	Конденсатор на выходном фильтре	4700 мкФ
7	Выходная мощность	Макс. 500 Вт

Таб.1. Значения параметров используемых в модели

 

Значения, использованные при моделировании, представлены в табл.1. Сначала моделируется только трехфазная схема диодного выпрямителя и получаются напряжения и токи источника. Во втором моделировании весь гибридный однонаправленный выпрямитель был выполнен с трехфазным однонаправленным повышающим выпрямителем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и без него, а также напряжением источника, током и выходным напряжением.

Стабилизация выходного напряжения постоянного тока обеспечивается контуром управления напряжением. Сигнал, полученный на выходе регулятора напряжения, используется для настройки опорных токов в случае изменения нагрузки или входного напряжения.

Ток катушки индуктивности повышающего выпрямителя с одним переключателем измеряется и сравнивается с эталонным. Ошибка, возникающая в результате этого сравнения, применяется к компенсатору тока повышения, а модулятор ШИМ генерирует стробирующий сигнал повышающего выпрямителя.

Токи ia1 (t), ia2 (t) и ia3 (t) косвенно контролируются путем измерения сетевых токов и сравнения их с соответствующими синусоидальными опорными значениями. Эти опорные сигналы должны быть синхронизированы с напряжением сети. Хорошим практическим решением для получения этих сигналов является подключение синхронизирующих трансформаторов к сети для получения формы напряжения каждой фазы.

Ошибки, возникающие при сравнении дискретизированных сигналов и опорных сигналов, применяются к их соответствующим компенсаторам, а ШИМ-модуляторы генерируют стробирующие сигналы активного выпрямителя.

Результаты моделирования

Диод, включенный в первую фазу, проводит от 30 до 150 градусов входного напряжения. Диод не будет проводить от 0 до 30 градусов и от 150 до 180 градусов. В этот период ток источника становится равным нулю, а напряжение источника немного снижается. Основная цель этой статьи состоит в том, чтобы сделать ток источника непрерывным и синусоидальным.

Рис. 2. Результаты моделирования трехфазного 6-ти пульсового выпрямителя

Форма сигнала источника напряжения, источника тока и выходного напряжения гибридного однонаправленного выпрямителя была смоделирована с использованием и без использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

До компенсации диод, включенный в первую фазу мостового выпрямителя, проводит только от 30 до 150 градусов входного напряжения питания. Таким образом, входной ток подключается к нагрузке только в этот период. От 0 до 30 градусов и от 150 до 180 градусов входной ток не подключен к нагрузке. Благодаря этому ток источника становится прерывистым и несинусоидальным, а также несколько снижается входное напряжение. Следовательно, снижается коэффициент мощности входного источника питания, а также снижается регулирование нагрузки и ее производительность.

После компенсации ток источника непрерывно подключается к нагрузке через повышающий выпрямитель с диодным мостом с одним переключателем и трехфазный однонаправленный повышающий выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В период от 30 до 150 градусов нагрузка подключается через выпрямитель повышающего типа с диодным мостом с одним переключателем. В периоды от 0 до 30 градусов и от 150 до 180 градусов нагрузка подключается через трехфазный однонаправленный повышающий выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поэтому нагрузка подключена весь период от 0 до 180 градусов. Таким образом, форма волны тока источника улучшается и становится синусоидальной, а также улучшается напряжение источника. Из-за этого напряжение нагрузки и производительность нагрузки также улучшена.

Рис. 3. Результаты моделирования гибридного выпрямителя (компенсированный ток источника, напряжение источника и выходное напряжение нагрузки постоянного тока)

Рис. 4. Результат моделирования введенного тока однонаправленного выпрямителя

Вывод

В этой статье представлен новый трехфазный гибридный выпрямитель для силовых систем, который состоит из пассивного выпрямителя, включенного параллельно с активным выпрямителем. Тот факт, что каждый выпрямитель отвечает примерно за 50 % выходной мощности, повышает надежность силового преобразователя и гарантирует высокий КПД.

Принятая стратегия управления регулирует выходное напряжение и контролирует входные токи для достижения высокого коэффициента мощности.

Увеличение количества компонентов за счет использования двух топологий выпрямителей не сильно влияет на производительность, так как компоненты рассчитаны на половину выходной мощности.

Преимуществом гибридной системы является возможность работы с силовыми системами  высокой мощности благодаря параллельному соединению выпрямителей. Значительное повышение коэффициента мощности является наиболее важным преимуществом данной системы.