Регуляторы переменного тока с импульсной модуляцией

Принцип управления переменным током

В линейных цепях фазовый сдвиг между током и напряжением не может быть больше значения ±тт/2. В нелинейных цепях с электронными ключами возможно формирование токов (напряжений) с любым фазовом сдвигом в диапазоне от 0 до ±л.

Источник переменного тока можно подключить к источнику постоянного тока через преобразователь, выполненный на основе полностью управляемых электронных ключей, соединенных по известным схемам преобразования [1]. Это позволяет, используя соответствующие алгоритмы управления ключами, получить любые фазовые сдвиги, соответствующие векторной диаграмме на рис. 5.12. На диаграмме показаны векторы тока /_с и напряжения U_c со стороны источника переменного тока на комплексной плоскости. Преобразователь может работать как в режимах выпрямления (квадранты I и IV), гак и в режимах инвертирования (квадранты II и III). Благодаря этому свойству такие преобразователи называют четырехквадрантными. Выпрямительный режим соответствует передаче энергии от источника переменного тока в источник постоянного, а инверторный режим — обратному направлению потока энергии. В качестве источника постоянного тока можно использовать какой-либо накопитель электрической энергии — индуктивный или емкостный.

Рис. 5.12. Векторы тока и напряжения на комплексной плоскости.

Рассмотрим более подробно работу преобразователя, выполненного по однофазной мостовой схеме на запираемых тиристорах VS1 — VS4 с реактором L_d на стороне постоянного тока (рис. 5.13). Примем следующие допущения: элементы схемы идеальны, в реакторе накоплена энергия, соответствующая току I_d, индуктивность L_(i достаточно велика, чтобы считать ток неизменным, т. е. имеем источник тока. Наличием фильтра высших гармоник пренебрегаем. Диаграммы напряжения и тока представлены на рис. 5.13, б.

Рис. 5.13. Четырехквадрантный преобразователь:

а — принципиальная схема; б — диаграммы напряжений и токов Постоянный ток I_d при включенной любой паре тиристоров VS1, VS2 или VS3, VS4 замыкается через источник переменного тока и_с. Ток /_пр на стороне источника равен по модулю I_d, а его направление определяется включенной парой тиристоров и не зависит от полуволны синусоидального напряжения и_с. Таким образом, при коммутации ключей с частотой источника ток г_пр будет иметь форму меандра и сдвинут относительно напряжения на угол управления тиристоров. Напряжение на стороне постоянного тока будет иметь форму выпрямленной синусоиды с полярностью, определяемой направлением потока энергии. Квадрант I соответствует работе в выпрямительном режиме с углом управления 0—тт/2, а направление тока г_пр и полярность напряжения на реакторе (на рис. 5.13 указана без скобок) соответствуют приему энергии индуктивным накопителем. В квадранте II преобразователь работает в инверторном режиме с углом управления л/2—л, т. е. реактор возвращает накопленную энергию обратно в источник переменного тока. Поскольку ток в индуктивности не меняет направления, полярность напряжения на реакторе изменяется на противоположную (указана в скобках). В квадрантах III и IV преобразователь работает в инверторном или выпрямительном режиме. Сдвиг фаз в квадрантах I и II соответствует индуктивному характеру режима, а в квадрантах III и IV — емкостному.

Возможность работы в любом квадранте позволяет управлять током преобразователя со стороны переменного напряжения, но заданному системой управления закону. Например, в рассматриваемой схеме может быть получен ток в форме меандра и с другой частотой, например равной частоте третьей гармоники сетевого напряжения (рис. 5.14). В этом случае периодически с частотой третьей гармоники чередуются режимы работы преобразователя. Более того, используя ШИМ и быстродействующие полностью управляемые ключи, можно получить любую форму тока. Принцип реализации ШИМ в рассматриваемой схеме поясняется диаграммой, представленной на рис. 5.15. Паузы, соответствующие нулевому значению тока и необходимые при методе ШИМ, формируются, когда включена одна пара тиристоров VS1, VS4 или VS2, VS3, а другая пара тиристоров выключена. В этих интервалах ток I_d замыкается внутри моста, не попадая в источник переменного тока. Ток на стороне сети помимо заданного законом модуляции спектра гармоник будет содержать гармоники частоты модуляции. Для фильтрации этих гармоник на стороне переменного тока используют CZ-фильтр.

Четырехквадрантый режим работы возможен и при емкостном накопителе. На рис. 5.16 представлена однофазная схема преобразователя, на стороне постоянного тока которого включен конденсатор C_d. Схема содержит два моста: выпрямительный — диоды VD1 — VD4 и инверторный — транзисторы VT1 — VT4. При достаточно большой емкости C_d пульсациями напряжения на ней можно пренебречь и принять U_d = const. В сравнении с преобразователем с индуктивным накопителем выполнены следующие дуальные замены: источник тока I_d — на источник напряжения U_d, а источник переменного напряжения и_с — на источник переменного тока i_c.

Рис. 5.14. Формирование тока с частотой третьей гармоники.

Рис. 5.15. Формирование тока методом ШИМ.

Рис. 5.16. Четырехквадрантный преобразователь с емкостным накопителем.

Предположим, что задачей преобразователя является формирование на стороне переменного тока напряжения, имеющего форму меандра и частоту третьей гармоники по отношению к частоте тока i_c. Из диаграммы на рис. 5.17 очевидно, что за один период переменного тока с тройной частотой происходит коммутация транзисторов VT1 — VT4 и диодов VD1 — VD4, результатом которой является формирование напряжения заданной формы. При этом проводящее состояние транзисторов VT1, VT2 (VT3, VT4) соответствует инверторному режиму — выводу энергии из конденсатора в сеть, а проводящее состояние диодов VD3, VD4 (VI) 1, VD2) — выпрямительному режиму, т. е. потреблению энергии из сети и заряду конденсатора. Одновременно происходит чередование режимов работы по различным квадрантам. Рассматриваемая схема позволяет реализовать и ШИМ. При этом интервалы с нулевым значением напряжения u_nh = О формируются в процессе проводимости транзисторно-диодных пар VT4 — VD2, VT2 — VD4 (или VT1 — VD3, VT3 — VD1). Для сглаживания пульсации напряжения частоты модуляции на стороне переменного тока включен /Х-фильтр.

Рис. 5.17. Формирование напряжения с частотой третьей гармоники на выходе четырехквадрантного преобразователя.

Необходимо подчеркнуть, что именно создание быстродействующих полностью управляемых силовых электронных ключей сделало возможным импульсное управление токами и напряжениями по любому заданному закону. Эго принципиально изменило функциональные возможности преобразователей. До этого устройства на основе традиционных приборов с неполной управляемостью (тиристоров) использовались преимущественно для преобразования одного вида электроэнергии в другой, например преобразования переменного тока в постоянный и наоборот. При этом возникали искажения тока, и появлялась дополнительная реактивная мощность. Методы импульсной модуляции (в сочетании с возможностью работы преобразователей в четырех квадрантах с любым сдвигом фаз между током и напряжением) не только позволили устранить указанные негативные явления, но и стали основой для разработки многофункциональных регуляторов качества электроэнергии.

Развитие этого перспективного направления управления потоками электроэнергии дает возможность решить следующие технике-экономические задачи [2]:

• 1) обеспечение синусоидальности потребляемых из сети токов в режимах выпрямления и напряжения на нагрузке в режимах инвертирования;
• 2) коррекция коэффициента мощности потребителя, линии передачи или источника электроэнергии;
• 3) компенсация реактивной мощности (индуктивного и емкостного характера в одном устройстве);
• 4) стабилизация напряжения на нагрузке;
• 5) активная и гибридная фильтрация высших гармоник в системе электроснабжения;
• 6) компенсация несимметрии токов и напряжений в трехфазной системе электроснабжения на основе применения компенсатора неактивной мощности обратной нулевой последовательностей;
• 7) обеспечение обмена электроэнергией требуемого качества между системой электроснабжения и различного рода накопителями;
• 8) эффективная интеграция альтернативных источников электроэнергии в общую систему электроснабжения;
• 9) повышение эффективности управления электроприводом и электротехнологическим оборудованием;
• 10) повышение эффективности транспорта с гибридным и электрическим приводом за счет повышения качества используемой и рекуперируемой электроэнергии.

В качестве примеров применения регуляторов с импульсной модуляцией для управления потоками электроэнергии в целях улучшения ее качества и повышения эффективности использования рассмотрим методы активной фильтрации и компенсации реактивной мощности.