Рекуперативний трифазний випрямляч

Реферат: Рекуперативний трифазний випрямляч належить до електротехніки і може бути використаний як джерело постійної напруги, яке живиться від трифазної мережі і має змогу забезпечувати рекуперацію енергії постійного струму до мережі. Таке джерело може бути використано для живлення, наприклад, перетворювача частоти, при цьому в гальмівних режимах приводу буде забезпечено повертання енергії до мережі. Рекуперативний трифазний випрямляч містить тиристорний міст з шістьома тиристорами, дросель, чотири діоди, чотири ключі, вихідний ємнісний накопичувач енергії з конденсаторами та схему керування, високочастотний трансформатор, напівмостовий перетворювач. Технічним результатом є уникнення споживання реактивної потужності в рекуперативному режимі, зменшення встановленої потужності інвертора, підвищення ККД та підвищення споживчої якості. UA 102041 C2 (12) UA 102041 C2 UA 102041 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний як джерело постійної напруги, яке живиться від трифазної мережі і має змогу забезпечувати рекуперацію енергії постійного струму до мережі. Таке джерело може бути використано для живлення, наприклад, перетворювача частоти, при цьому в гальмівних режимах приводу буде забезпечено повертання енергії до мережі. Відомий рекуперативний трифазний випрямляч, який складається з двох зустрічнопаралельно включених 6-пульсних мостів (P. Pejovic, J.W. Kolar, Y. Nishida, Bidirectional AC-DC Converter for regenerative Braking, Proceedings of the 16th International Symposium on Power Electronics (ЕЕ 2011), Novi Sad, Republic of Serbia, October 26-28, 2011.). Недоліками такої системи є низький вхідний коефіцієнт потужності (КП) у випрямному і рекуперативному режимах, великі спотворення форми кривої струму споживання, неможливість стабілізації вихідної напруги. Відомий рекуперативний трифазний випрямляч, в якому застосовано метод пасивної інжекції третьої гармоніки у вхідні струми (U. Drofenik, G. Gong, J.W. Kolar, A Novel Bi-Directional Three-Phase Active Third-Harmonic Injection High Input Current Quality AC-DC Converter., Proceedings of the 9th European Power Quality Conference (PCIM), Nuremberg, Germany, May 2022, pp. 243-254 (2003)). Схема дозволяє стабілізувати вихідну напругу і забезпечити високу якість спектрального складу вхідних струмів у випрямному і рекуперативному режимах. До недоліків такого технічного рішення слід віднести споживання реактивної потужності у рекуперативному режимі з-за неможливості встановлення кута керування тиристорами рівним 180° та великі габарити і масу трансформатора інжекції третьої гармоніки. Відомий рекуперативний трифазний випрямляч - прототип (Clare, J.C., Mayers, P.R., and Ray, W.F.: Bidirectional Power Converter for Voltage Fed Inverter Machine Drives. Proceedings of the rd 23 Power Electronics Specialists Conference, Toledo, Spain, June 29-July 3, Vol. 1, pp. 189-194 (1992)), що містить тиристорний міст з 6 тиристорами, до виходу якого підключено інвертор, схему переключення полярності, вихідний накопичувач енергії та схему керування. Схема також дозволяє стабілізувати вихідну напругу, забезпечити коефіцієнт потужності близко 0,95 у випрямному і (-0,82…-0,92) у рекуперативному режимах. Недоліками технічного рішення є споживання реактивної потужності у рекуперативному режимі з-за неможливості встановлення кута керування тиристорами рівним 180° та необхідність вибору високочастотних компонентів інвертора виходячи з максимальної вихідної потужності випрямляча. В основу винаходу поставлена задача удосконалити рекуперативний трифазний випрямляч шляхом зміни схеми, що дозволить уникнути споживання реактивної потужності в рекуперативному режимі, зменшити встановлену потужність інвертора, підвищити ККД рекуперативного трифазного випрямляча, тим самим підвищити його споживчі якості. Для рішення поставленої задачі в рекуперативному трифазному випрямлячі, що містить тиристорний міст з 6 тиристорами, дросель, два діоди, два ключі, вихідний ємнісний накопичувач енергії та схему керування, позитивний вивід накопичувача енергії підключений до позитивного виводу тиристорного мосту через згідно включений діод і дросель, негативний вивід накопичувача енергії через другий згідно-включений діод підключено до негативного виводу тиристорного моста, при цьому між анодами діодів включено перший ключ, між катодами цих діодів включено другий ключ, відповідно до винаходу, додатково містить високочастотний трансформатор, два діоди, два ключі, напівмостовий перетворювач з двох послідовно з'єднаних ключів, крайні виводи яких підключені до вихідного ємнісного накопичувача енергії з двох послідовно підключених конденсаторів, середня точка з'єднання ключів підключена до першого виводу первинної обмотки високочастотного трансформатора, другий вивід цієї обмотки підключено до середньої точки конденсаторів накопичувача енергії, вторинна обмотка високочастотного трансформатора виконана з відводом від середини, який підключено до позитивного виводу тиристорного моста, до крайніх виводів вторинної обмотки трансформатора підключені аноди двох діодів, катоди цих діодів підключені до дроселя через два ключі. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких показані: фіг. 1 - блок-схема рекуперативного трифазного випрямляча; фіг. 2 - схема заміщення рекуперативного трифазного випрямляча в випрямному режимі; фіг. 3 - схема заміщення рекуперативного трифазного випрямляча в рекуперативному режимі; фіг. 4 - принципова електрична схема силової частини рекуперативного трифазного випрямляча; 1 UA 102041 C2 5 10 15 20 25 30 фіг. 5 - вхідна фазна напруга і струм рекуперативного трифазного випрямляча у випрямному режимі; фіг. 6 - вхідна фазна напруга і струм рекуперативного трифазного випрямляча у рекуперативному режимі; Розглянемо приклад реалізації пристрою. Пристрій містить тиристорний міст з 6 тиристорами 1 (VS1-VS6 25TTS12FP, фіг. 4), до виходу якого підключено інвертор 2 (S1, S2, VD1, VD2, Т1, S5, S6, L1, фіг. 4), схему переключення полярності 3 (S3, S4 IRG4PH50S, VD3, VD4 60CPF12, фіг. 4), вихідний накопичувач енергії 4 (С1, С2 2×470 мкФ×400 В, фіг. 4) та схему керування 5 (на фіг. 4 показана умовно), інвертор виконано з високочастотним трансформатором (Т1 коефіцієнт трансформації Кmр=5, фіг. 4), первинна обмотка якого підключена до виходу напівмостового перетворювача з двох ключів (S5, S6 FGA25N120ANTD, фіг. 4), вторинна обмотка виконана з відводом від середини, її крайні виводи підключені до анодів діодів (VD1, VD2 30CPF04, фіг. 4) керованого випрямляча, згідно-послідовно з цими діодами включено ключі (SI, S2 IRFP4768, фіг. 4), виходи останніх з'єднані між собою і через дросель, що згладжує (L1 120 мкГн при струмі 30 А, фіг. 4), підключені до схеми переключення полярності, вихід якої підключено до вихідного накопичувача енергії, від цього ж накопичувача виконано живлення інвертора. Пристрій працює в такий спосіб. Розглянемо роботу рекуперативного трифазного випрямляча у випрямному режимі за умов живлення від симетричної трифазної мережі. Вихідна напруга тиристорного мосту upn(t) (фіг. 1) при встановленні кута керування α=0 може бути визначена як     upn t   Um cos t mod    (1) 3  6 ,  де Um - амплітуда вхідної лінійної напруги, В; -1 ω - кутова частота мережі, с . Для забезпечення постійного вихідного струму тиристорного мосту Idc необхідно дотримуватися умови e(t)=Udc-upn(t), (2) де e(t) - вихідна напруга інвертора, В; Udc - вихідна напруга випрямляча, В. Для мінімізації встановленої потужності інвертора необхідно визначити умови мінімуму модуля його вихідної напруги. Оскільки напруга upn(t) змінюється від Um до 3 Um 2 , очевидно, 3 Um 2 3 2 Udc   Um  0,933Um 2 4 що ця умова буде виконана при встановленні . Вихідна напруга інвертора при цьому повинна буде змінюватись в діапазоні [-0,067Um; +0,067Um]. Середня потужність інвертора Ра визначається як Um  Pa  Idc  35 40 45  2 /    et dt  Idc 2 0    2 /  3     Udc    upn t dt   Idc   Udc  Um    2 0   ,   (3) і для випадку Udc=0,933Um становитиме 2,2 % від вихідної потужності випрямляча. Таким чином, при оптимально вибраній вихідній напрузі інвертор має бути розрахований на роботу з повним вихідним струмом Idс, вихідною напругою від -0,067 Um до 0,067 Um і мати середню потужність 0,022 від вихідної. В практичній реалізації рекуперативного трифазного випрямляча частота перемикання інвертора становить 20 кГц. Система керування містить однокристальний мікроконтролер Atmega48-20PA, формування керуючих сигналів для затворів транзисторів виконується за допомогою спеціалізованих оптопар HCPL3120. Комутація ключів схеми зміни полярності (S5, S6, фіг. 4) здійснюється з частотою 300 Гц (6-а гармоніка частоти мережі). Для керування ключами інвертора (S1, S2, S5, S6, фіг. 4) використана широтно-імпульсна модуляція із фазовим зсувом, тобто пари S1-S2 і S5-S6 переключаються з однаковою частотою і скважністю 50 %, а зміна вихідної напруги інвертора здійснюється за рахунок фазового зсуву між керуючими сигналами цих пар. При цьому пара S1-S2 переключається з перекриттям, a S5-S6 з безструмовою паузою. Інвертор отримує живлення від вихідних шин трифазного випрямляча (конденсатори С1, С2, фіг. 4). 2 UA 102041 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Амплітуда напруги на первинній обмотці трансформатора при застосуванні напівмостового інвертора дорівнює 0,5 Udc=0,466 Um. Оскільки на вторинній обмотці напруга повинна бути не менше 0,067 Um, коефіцієнт трансформації має бути не більше, ніж 0,466/0,067=6,95. В практичній реалізації випрямляча встановлено трансформатор з коефіцієнтом трансформації Kmр=5. Застосування напівмостового інвертора також дозволяє симетрувати напруги на послідовно з'єднаних вихідних конденсаторах випрямляча (С1, С2, фіг. 4). Для реалізації цієї функції трансформатор Т1 виконується з повітряним зазором в магнітопроводі, внаслідок чого робота допоміжного перетворювача не буде порушуватися при виникненні струму несиметрії, який протікатиме через первинну обмотку Т1. Система керування інвертора двоконтурна. Внутрішній широкосмуговий контур з регулятором струму забезпечує стабілізацію вихідного струму тиристорного мосту Idc. Рівень цього струму задається зовнішнім контуром, що містить інерційний стабілізатор вихідної напруги, який реалізує функцію Boost-Follower, тобто вихідна напруга випрямляча встановлюється пропорційній напрузі мережі живлення. Це дозволяє мінімізувати потужність допоміжного інвертора (див. вище). За необхідності стабілізації вихідної напруги на фіксованому рівні необхідно зменшувати коефіцієнт трансформації Т1. Так, при встановленні Kmр=2 можна забезпечити стабілізацію вихідної напруги на рівні 600 В при зміні лінійної напруги живлення в межах 368-530 В. Однак середня потужність інвертора в цьому разі повинна бути близько 21 % потужності навантаження. При роботі запропонованого рекуперативного трифазного випрямляча у випрямному режимі його вхідні струми являють собою прямокутні імпульси шириною 120 електричних градусів (фіг. 5). Вхідний КП у цьому разі становить 0,955, а коефіцієнт гармонік вхідного струму дорівнює THDI=31 %. При роботі рекуперативного трифазного випрямляча у рекуперативному режимі кут керування тиристорами моста встановлюється рівним α=180°. При цьому вихідна напруга моста (1) змінює знак, а для збереження знака вихідної напруги включаються ключі схеми зміни полярності. Схема заміщення приймає вид, показаний на фіг. 3. Для надійної комутації тиристорів при куті α=180° здійснюється примусове переривання вихідного струму тиристорного моста. Це виконується завдяки тимчасовому відключенню ключів схеми зміни полярності, що призводить до швидкого скидання енергії дроселя L1 у вихідні конденсатори і спаду струму Idc до нуля. Після цього схема зміни полярності знову активується і на тиристори моста подається керуючий сигнал. У практичній реалізації рекуперативного трифазного випрямляча переривання струму здійснювалось на 500 мкс, що гарантує закриття тиристорів мосту типу 25TTS12FP, для яких час відновлення непровідного стану дорівнює tq=110 мкс. Вхідні струми у рекуперативному режимі являють собою пари прямокутних імпульсів (фіг. 6). Вхідний КП у цьому разі становить -0,892, а коефіцієнт гармонік вхідного струму дорівнює THDI=50 %. Зменшення часу переривання струму до 250 мкс призводить до підвищення КП до 0,92 і зменшенню THDI до 42 %. Для підвищення ефективності системи і зменшення втрат потужності допоміжний інвертор може бути виконаний резонансним, з м'якою комутацією ключів. Застосування запропонованого рекуперативного трифазного випрямляча дозволяє підвищити якість (покращити спектральний склад) напруги мережі живлення за рахунок зниження емісії вищих гармонік струму, підвищення коефіцієнта потужності, зниження струму споживання і зниження втрат енергії в мережі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Рекуперативний трифазний випрямляч, що містить тиристорний міст з шістьома тиристорами, дросель, два діоди, два ключі, вихідний ємнісний накопичувач енергії та схему керування, позитивний вивід накопичувача енергії підключений до позитивного виводу тиристорного мосту через узгоджено-включений діод і дросель, негативний вивід накопичувача енергії через другий узгоджено-включений діод підключено до негативного виводу тиристорного моста, при цьому між анодами діодів включено перший ключ, між катодами цих діодів включено другий ключ, який відрізняється тим, що додатково містить високочастотний трансформатор, два діоди, два ключі, напівмостовий перетворювач з двох послідовно з'єднаних ключів, крайні виводи яких підключені до вихідного ємнісного накопичувача енергії з двох послідовно підключених конденсаторів, середня точка з'єднання ключів підключена до першого виводу первинної 3 UA 102041 C2 5 обмотки високочастотного трансформатора, другий вивід цієї обмотки підключено до середньої точки конденсаторів накопичувача енергії, вторинна обмотка високочастотного трансформатора виконана з відводом від середини, який підключено до позитивного виводу тиристорного моста, до крайніх виводів вторинної обмотки трансформатора підключені аноди двох діодів, катоди цих діодів підключені до дроселя через два ключі. 4 UA 102041 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5