Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 55

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Виходячи з наведеного, на нашу думку, знання специфіки вирішення порушених питань для фахівців електротехнічного профілю є не тільки корисним, але і необхідними. Тому розглянемо детальніше використан­ня компенсаційних джерел реактивної потужності для поліпшення Кпот вентильних перетворювачів.

12.3. Некеровані джерела реактивної потужності

Підмикання джерел реактивної потужності до входу вентильних пе­ретворювачів компенсує неактивну складову споживаної потужності і у такий спосіб підвищує їхній вхідний коефіцієнт потужності. Джерела реактивної потужності дозволяють підвищити коефіцієнт потужності будь-яких кіл. Однак їх використання разом з вентильними перетворювачами має свої особливості, зумовлені нелінійним характером вхідного опору перетворювачів і несинусоїдністю струму, споживаного із мережі.

Некеровані джерела реактивної потужності можуть виконува­тися у різний спосіб. Найбільше поширення в перетворювальній техніці дістали джерела реактивної потужності, що являють собою силові згладжуючі ємнісні фільтри або резонансні LC-фільтри.

Розглянемо можливість підвищення Кпдт за допомогою джерела реактивної потужності, що складається з так званих косинусних кон­денсаторів, як показано на рис. 12.2. Набір конденсаторів увімкнено паралельно до входу вентильного перетворювача, тому струм і, спо­живаний із мережі, дорівнює сумі струмів перетворювача і та компен­саційного струму і.

in

у

т

Zn

lip

с/\с

б)

іс

а)

Рис. 12.2 - Схема підмикання до вентильного перетворювача компенсаційних конденсаторів (а) та векторна діаграма струмів і напруг (б)

На векторній діаграмі, наведеній на рис. 12.2,б, вектор І відповідає першій (основній) гармоніці струму і Розкладемо струм І на його складові - /1я (активну) і / (реактивну). Якщо струм конденсаторів 7x=/1sinj = /, то струм і є синфазним до напруги живлення. Установка за рис. 12.2,а у цьому випадку не споживає із мережі реактивної по­тужності: реактивна потужність, споживана перетворювачем, має індук­тивний характер і компенсується за рахунок реактивної потужності, що виробляється конденсаторами фільтра.

Струм через кожний конденсатор у схемі становить Іс = Ік /-J3, напруга на конденсаторі UC = U\„ = л/ЗГЛ^. Таким чином,

C

Іс

І,

coUc 3(£>U

(12.9)

іф

При повній компенсації реактивної потужності споживача за першою гармонікоюде Кс„ = А =      1      - коефіцієнт спотворення струму i ; Т»    ф + К н2 " I - діюче значення струму, споживаного перетворювачем.

Для захисту конденсаторів від перегріву за рахунок протікання че­рез них вищих гармонік струму, генерованих перетворювачем, в схему вводять невеликі індуктивності (показані на рис. 12.2,а пунктиром).

Оскільки реактивна потужність перетворювача змінюється у про­цесі роботи (через зміни значення кута керування а), повна компенса­ція реактивної потужності можлива лише у одному з режимів. У інших режимах можлива неповна компенсація реактивної потужності або ге­нерація у мережу надлишкової реактивної потужності. Вибір ємності конденсаторів при цьому визначається режимами роботи перетворю­вача й мережі, а також економічними міркуваннями, оскільки збільшення ємності підвищує вартість установки та її габарити. Однак при викори­станні косинусних конденсаторів завжди необхідно пам'ятати про те, що хоча це й не призводить до додаткового утворення гармонік, проте, створює резонансні кола, що можуть викликати багаторазове збільшен­ня нормального рівня гармонік у колах конденсаторів. Як наслідок -додаткові перевантаження устаткування, зокрема, тих же силових кон­денсаторів.

Зараз більш поширені силові резонансні фільтри, що складають­ся з реакторів і конденсаторів, з'єднаних послідовно. Параметри ос­танніх вибираються таким чином, щоб для обраних частот мав місце резонанс напруг. Резонансний контур напруги, як правило, виконує под­війну функцію. По-перше, він генерує на основній частоті реактивну потужність, що дозволяє поліпшити коефіцієнт потужності, по-друге, частково шунтує вищі гармоніки, на частоту яких він налаштований.

Таким чином, силові резонансні фільтри, що їх ще називають фільтро-компенсаційними пристроями (ФКП), забезпечують комплексне вирішення задачі підвищення якості електроенергії в мережі живлення.

На рис. 12.3 наведено схему такого пристрою, що містить систе­му багатофазних коливальних LC-контурів з резонансом напруг. Час­тота резонансу кожного із цих контурів відповідає частотам найбільшінтенсивних вищих гармонійних скла­дових напруги ме­режі, зумовлених роботою перетво­рювача (або іншого нелінійного наван­таження). У три­фазних системах без нульового про­воду гармоніки кратні трьом, зазви-

A о во-Со

C5

C7

чай, (в силу си- Рис. 12.3 - Схема підмикання силового резонансного метрії) відсутні і фільтру для компенсації 5 та 7 гармонік

гармонійними складовими напруги в мережі бувають 5, 7, 11, 13 і т.н. гармоніки. При цьому нижчі з них діють найбільш інтенсивно.

Резонансна частота контуру L5C5 становить w 05 = 5w.

Для цього контуру виконуються співвідношення

СО05 3(5со)2 У контурі L7C7 резонанс настає на частоті w 07 = 7w, тому

і     ^ 1

=-, L7C7

Ю01

3(7ю)2'

(12.11)

(12.12)

При резонансі вхідний опір кожного із контурів дорівнює нулеві (якщо зневажити втратами в індуктивності та ємності) і через них замика­ються гармонійні складові струмів, що генеруються перетворювачем, минаючи мережу живлення. У результаті різко знижуються спотво­рення кривої напруги мережі. На її частоті w опір зазначених контурів

і

має ємнісний характер (->> coL5) і конденсатори С5 та С7 ком-

пенсують реактивну потужність, споживану перетворювачем, подібно конденсаторам схеми за рис. 12.2. Тому цей пристрій також можна вважати джерелом реактивної потужності.

Силові резонансні фільтри, що використовуються як у високовольт­них, так і у низьковольтних мережах, мають ряд істотних недоліків. Оскільки їх необхідно встановлювати на кожну гармоніку, що фільтруєть­ся, то чим більш широкосмуговим є спектр частот гармонік вищих порядків, тим більш громіздким стає ФКП. Крім того, у випадку зміни еквівалентного опору системи, частоти резонансу чи порядку генеро­ваних гармонік (а це практично завжди має місце при використанні перетворювачів), необхідно відповідно змінювати структуру фільтра.

У наш час поряд із резонансними застосовують також нетрадиційні фільтри. Вони, змінюючи умови розподілу струмів вищих гармонік, не мають названих вище недоліків. Наприклад, у низьковольтних трифаз­них мережах з нульовим проводом, що їхньою характерною рисою є наявність великої частки струмів вищих гармонік нульової послідов­ності, досить ефективним і економічно доцільним є застосування фільтрів струмів нульової послідовності (ФСНП). ФСНП, здійсню­ючи ефективну фільтрацію струмів нульової послідовності, у 2-3 рази знижує спотворення форми кривої напруги без застосування ФКП.

Крім того, у низьковольтних мережах для зменшення взаємних ви­сокочастотних завад навантажень і мережі малопотужні споживачі (ра­діоелектронні пристрої, ЕОМ, освітлювальні установки з електронним баластом і т.п.) рекомендується підмикати до мережі через так звані завадопоглинаючі фільтри. Найбільш розповсюджену схему такого фільтра наведено на рис. 12.4.

TV

w =150

і

1

С1

 

0,22 мкФ

3-(

і-

w =150

2

C2 0,47 мкФ

C 3 0,47 мкФ - С4 & 0,22 мкФ

Рис. 12.4 - Мережний завадопоглинаючий фільтр Зверніть увагу на орієнтацію обмоток трансформатора TV, що за­безпечує взаємне віднімання струмів завад у провідниках (обмотках).

Конденсатори необхідно застосовувати призначені для роботи на си­нусоїдній напрузі відповідної величини і з малою власною індуктивністю.

Однак необхідно зазначити, що в умовах несиметрії вищих гармонік симетричні фільтруючі пристрої, як традиційні (резонансні фільтри), так

иі нетрадиційні не завжди є ефективним засобом зниження несинусоїд-ності струмів і напруг у низьковольтних (до 1000 В) розподільних мере­жах. При цьому організаційно-технічні заходи з запобігання несиметрії вищих гармонік, що виникають у процесі експлуатації мереж низької напруги, часто нездійсненні. Отже, необхідна розробка нових пристроїв, здатних в умовах несиметрії вищих гармонік струму й напруги здійсню­вати їхню ефективну фільтрацію.

У останні роки, особливо з введенням у дію останньої редакції зга­дуваного вище стандарту МЕК 555-2, велика увага приділяється роз­робці і практичному використанню керованих джерел реактивної по­тужності, що виконують роль силових активних фільтрів (САФ). Застосування САФ дозволяє усунути недоліки, характерні для резо­нансних фільтрів вищих гармонік, і забезпечує практично синусоїдну форму струму, споживаного вентильним перетворювачем чи будь-яким іншим нелінійним навантаженням із мережі.

Принцип роботи таких пристроїв полягає у тому, що спеціальний на­півпровідниковий перетворювач (основна частина САФ), використову­ючи енергію джерел струму або напруги, формує у своїх мережних провідниках струм, за гармонійним складом аналогічний струму не­лінійного навантаження (за винятком першої гармоніки), але протилеж­ний за знаком. У результаті відбувається взаємна компенсація неоснов­них гармонік струмів навантаження і зазначених напівпровідникового перетворювача. В якості останнього найбільш зручно використовува­ти так званий регулятор змінного струму з імпульсною модуляцією, що забезпечує керування параметрами струму у чотирьох квадрантах комплексної площини.

З огляду на важливість функції з забезпечення електромагнітної су­місності силових вентильних перетворювачів, виконуваної САФ, нижче розглянуто основні принципи їхньої побудови й використання.

12.4. Керовані джерела реактивної потужності

12.4.1. Принцип керування параметрами змінного струму у чотириквадрантних перетворювачах з імпульсною модуляцією

Як було показано у пп. 11.2, джерело змінного струму можна підімкнути до джерела постійного струму через перетворювач, виконаний на основі

Ш+j і r~j—і силових напівпровідникових ключів, з'єднаних І    , S ІІ за відомими схемами випрямлячів (як пра­вило, мостових). Якщо у якості ключів тако­го перетворювача обрано повністю керовані напівпровідникові прилади (силові БТІЗ чи дво-III IV операційні тиристори), то, змінюючи алгоритм

Рис. 12.5 - Векторна діаграма керування ключами, можна забезпечити будь-струму та напруги на чотири- які режими перетворювача, що відповідають квадрантній комплексній площині векторній діаграмі на рис. 12.5. Тут показано вектори струму / та напруги U з боку джерела змінного струму на комп­лексній площині. Перетворювач може працювати як у режимі випрямлен­ня (квадранти I та IV), так і у режимі інвертування (квадранти II та III). Повна керованість силових ключів у даному випадку дозволяє забезпечи­ти роботу у квадрантах I та II, без застосування вузлів примусової кому­тації. Завдяки цьому такі перетворювачі й називають чотириквадрант-ними. Як джерело (споживач) постійного струму можна використовувати будь який накопичувач електричної енергії, наприклад, індуктивний.

Розглянемо більш докладно роботу пристрою у зазначених квад­рантах на прикладі перетворювача, виконаного за однофазною мосто­вою схемою на двоопераційних тиристорах VSI-VS4 з реактором Ldна боці постійного струму, показаній на рис. 12.6.

Відповідно до закону електромагнітної індукції полярність напруги на індуктивності природно змінюється на протилежну при переході з режиму накопичення в ній енергії до режиму віддавання енергії при інвертуванні. У цьому випадку немає необхідності в переключенні по­лярності джерела постійного струму стосовно мостової схеми при пе­реході з режиму випрямлення до режиму інвертування.

Приймемо наступні допущення: елементи схеми ідеальні; у реакторі з індуктивністю Ld накопичена енергія, що відповідає струму Id; індук­тивність досить велика, щоб вважати струм незмінним і рівним стру­мові комутації тиристорів VSI-VS4.

Діаграми струму і напруги наведені на рис. 12.6,б.

Квадрант IV відповідає роботі у режимі випрямлення з кутом керу­вання від 0 до p/2, а напрямок струму / відповідає прийому енергії індуктивним накопичувачем (цьому режимові відповідає полярність на­пруги на реакторі Ld, вказана без дужок).н

u, iк _

I

а)

Ємнісний характер + k

u, i і -u

III

IV

Індуктивний характер б)

Рис. 12.6 - Чотириквадрантний перетворювач: схема (а); діаграми струмів та напруг (б) Квадрант III відповідає режимові інвертування з кутом керування від p/2 до p. При цьому полярність напруги на реакторі змінюється на протилежну (на рис.12.6,а вказана у дужках), що відповідає видачі енергії з реактора Ld. Слід зазначити, що у квадрантах III та IV відбувається природна комутація тиристорів VSI-VS4. Тому для роботи тільки у цих

37В

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

квадрантах замість двоопераційних можуть бути використані звичайні тиристори (див. пп. 11.2).

Квадранти I та II також відповідають режимам інвертування і випрям­лення перетворювача. Істотною відмінністю цих режимів від режимів, що відповідають квадрантам III і IV є необхідність примусової кому­тації тиристорів VSI-VS4 або використання двоопераційних тиристорів.

Припустимо, що перетворювач працює у режимі випрямлення з ви­переджуючим кутом керування у квадранті I, а струм Id протікає через тиристори VSI та VS4. Для того щоб перевести струм у тиристори VS2 та VS3 , необхідно вимкнути тиристори VSI та VS4, а тиристори VS2, VS3 увімкнути. При цьому умови природної комутації відсутні, бо до тиристорів VS2 та VS3 прикладена зворотна вимикаюча напруга з боку мережі змінного струму, миттєве значення якої у цю половину періоду негативне. Однак вимикання тиристорів VSI та VS4 у заданий момент сигналом керування призведе до виникнення проти-е.р.с. на індуктивності з полярністю, що відповідає прямій напрузі на тиристорах VS2 та VS3. За наявності сигналів вмикання цих тиристорів вони перей­дуть у провідний стан, тобто відбудеться процес комутації. За прийнятих допущень цей процес протікає миттєво. У реальних схемах кінцеві зна­чення часу вмикання і вимикання тиристорів призводять до необхідності використання ЯС-ланцюжків (снаберів), параметри яких тим менші, чим більша швидкодія тиристорів. Без цього у схемі виникають перенапруги, що можуть призвести до виходу з ладу тиристорів. Крім того, варто враховувати вплив на комутацію індуктивності мережі змінного струму, що також проявляється у перенапругах. Для зменшення перенапруг з боку змінного струму перетворювача встановлюються ЬС-фільтри.

Аналогічним чином відбувається комутація двоопераційних тирис­торів при роботі перетворювача у режимі інвертування з випереджую­чим кутом керування (квадрант II).

Робота у різних режимах, що відповідають чотирьом квадрантам, дозволяє керувати струмом перетворювача з боку змінної напруги за заданим системою керування законом. Наприклад, у розглянутій схемі можна отримати струм у формі меандру з частотою, що дорівнює ча­стоті третьої гармоніки напруги мережі (рис. 12.7). У цьому випадку режими роботи перетворювача чередуються періодично з частотою третьої гармоніки.

Рис. 12.7 - Струм та напруга при модуляції струму У даний час одним із основних методів керування є широтно-імпуль­сна модуляція струму або напруги за визначеним законом (див. пп. 9.10.1). У розглянутій схемі використання двоопераційних тиристорів дозволяє реалізувати ШІМ на підвищеній частоті, граничне значення якої обмежене частотними параметрами тиристорів.

Принцип реалізації ШІМ у розглянутій схемі пояснюється діаграмою напруги й струму мережі, наведеній на рис. 12.8.

Рис. 12.8 - Широтно-імпульсна модуляція Тут паузи, що відповідають нульовому значенню струму і, формують­ся, коли ввімкнена одна пара тиристорів мосту (наприклад, VS1 і VS2),

3SD

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

а інша пара (VS3 і VS4) вимкнена. На цих інтервалах струм Idзами­кається усередині мосту, не потрапляючи в джерело змінного струму. У результаті імпульсної модуляції струм буде містити вищі гармоніки, зумовлені перемиканням ключів. Для фільтрації цих гармонік на боці змінного струму використовують LC-фільтр. Зазвичай частота імпульс­ної модуляції вибирається як можна вищою, тому фільтр є порівняно «лег­ким» і істотно не впливає на енергетичні показники перетворювача.

Робота перетворювача у різних режимах, що відповідають чотирьом квадрантам, виходячи з властивості дуальності ємнісних і індуктивних елементів, може бути реалізована і при ємнісному накопичувачі з боку постійного струму. У цьому випадку джерело струму замінюється джерелом напруги Uc. За припущення, що ємність Cd досить велика, пульсаціями напруги на ній можна знехтувати і прийняти Uc = const. Однак на боці змінного струму джерело напруги u необхідно замінити на джерело струму і. На практиці це може відповідати послідовному вмиканню перетворювача у коло змінного струму. На рис. 12.9 пред­ставлено однофазну схему перетворювача, виконаного на БТІЗ, на боці постійного струму якого увімкнено конденсатор Cd.

Очевидно, що на таких транзисторах могла бути виконана й попе­редня схема.__

Iab

VD3

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка