Типовые схемы однофазных активных выпрямителей

Как следует из § 2.1, для создания активного выпрямителя преобразователи напряжения должны обладать способностью формировать ШИМ-последовательность, для этой цели могут использоваться инверторы напряжения (АИН). При этом речь идет о двухквадрантных активных выпрямителях.

Возможно использование как полумостовых, так и мостовых схем инверторов напряжения.

На рис. 2.5, а приведена схема полумостового двухквадрантного активного выпрямителя на базе инвертора напряжения.

Переключающая функция F в выражении U_п(t) = 0,5 U_d(t) F (t) принимает два значения:

F = 1, при этом открыт ключ V1, к дросселю прикладывается положительное напряжение U_d/2 независимо от напряжения сети, и ток i нарастает;

F = - 1, при этом открыт ключ V2, напряжение на дросселе отрицательно, ток i падает.

Спектральная модель однофазного полумостового активного выпрямителя приведена в Приложении 3.

На рис. 2.5, б-в показаны результаты моделирования активного выпрямителя (выпрямительный режим). На диаграмме рис. 2.5, б показан сетевой ток i, имеющий синусоидальную форму при наличии небольших высокочастотных пульсаций. На рис. 5, в показана временная диаграмма переключающей функции F, по форме она совпадает с кривой напряжения u_п и представляет собой двухполярную ШИМ-последовательность.

Как указывалось выше, напряжение на нагрузке U_d при использовании полумостовых схем превышает удвоенную амплитуду напряжения сети.

На рис. 2.6 приведена схема мостового двухквадрантного ККМ на базе инвертора напряжения.

Переключающая функция F в выражении U_п(t) = U_d(t) F(t) принимает три значения:

F = 1, при этом открыты ключи V1 и V2, к дросселю прикладывается положительное напряжение U_d независимо от напряжения сети, и ток i нарастает;

F= - 1, при этом открыт ключи V3 и V4, напряжение на дросселе отрицательно, ток i падает;

F = 0, при этом проводят ток ключи V1_V3 либо V2_V4, u_п = 0 и направление изменения сетевого тока зависит от полярности напряжения сети.

Напряжение на нагрузке U_d при использовании мостовых схем превышает амплитуду напряжения сети.

Результаты сравнения полумостовой и мостовой схемой инверторов хорошо известны. Преимуществом полумостовой схемы является меньшее число управляемых ключей. Недостатками являются невозможность реализации однополярной ШИМ и, в связи с этим, худший гармонический состав напряжения преобразователя. В ККМ при прочих равных уловиях это приводит к увеличению высокочастотных составляющих в сетевом токе;

вдвое большее напряжение на ключах и на нагрузке;

большие затраты на конденсаторы фильтра на стороне постоянного тока при равных требованиях к коэффициенту пульсаций напряжения на стороне постоянного тока;

протекание через конденсаторы фильтра C1 и С2 половины сетевого тока, что вызывает отклонение потенциала средней точки конденсаторов. Это отклонение может влиять на форму сетевого тока и на работу замкнутого контура управления в цепи формирования сетевого тока.

Рис. 2.5

Приведем программу для спектрального моделирования активного выпрямителя на базе однофазного мостового инвертора напряжения.

Исходные данные: Гн Сопротивление дросселя L на частоте сети: Ом Напряжение на стороне постоянного тока В Задание дискреты времени.

Сигнал развертки.

Задание управляющего сигнала.

Определение выходного сигнала модулятора и напряжения преобразователя up.

Определение спектра напряжения преобразователя.

Определение тока сети как суммы токов, обусловленных напряжением сети и напряжением преобразователя.

Переключающие функции.

Выходной ток активного выпрямителя (на стороне постоянного тока).

Составляющие полной мощности и коэффициент мощности.

Вт.

А ВА.

Одноквадрантный ККМ на базе повышающего регулятора напряжения является наиболее распространенным корректором из числа применяемых для питания радиоэлектронной аппаратуры. Схема ККМ представлена на рис. 2.7. На рис. 2.8 представлена схема замещения устройства.

Рис. 2.7

Рис. 2.8

К дросселю L приложена разность напряжений.

u_L1 = u_в — u_п1, (2.10).

где u_в = ¦U_m sinи¦ - напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя, a u_п1 > 0 — напряжение ключевого блока, представляющее собой ШИМ-последовательность импульсов. Временная диаграмма u_п1(и) приведена на рис. 9, а. При замкнутом ключе V u_п1 = 0, напряжение u_L положительно, ток i_L нарастает. При разомкнутом ключе V u_п1 = U_d, напряжение u_L отрицательно, ток дросселя уменьшается.

Работа неуправляемого выпрямителя характеризуется переключающей функцией.

Умножим напряжение все члены выражения (1.10) и ток i_L1 на F_в, получим.

(2.11).

В результате схема замещения рис. 2.8 преобразована к схеме замещения рис. 2.2. На рис. 2.9 представлены, входящие в выражение (1.11) напряжения и токи.

Рис. 2.9.

Спектральная модель ККМ на базе повышающего регулятора постоянного напряжения приведена в Приложении 4.

Напряжение u_п представляет собой однополярную ШИМ-последовательность. Нетрудно видеть, что процесс формирования тока сети в рассматриваемом ККМ очень напоминает процесс формирования сетевого тока в ККМ на базе мостового инвертора напряжения с однополярной модуляцией. Различие в кривых u_п заключается в том, что смена полярности импульсов в рассматриваемом ККМ происходит при смене знака сетевого напряжения, а в схеме рис. 6, а при смене знака основной гармоники напряжения преобразователя.

Преимуществом ККМ рис. 2.7, а по сравнению с ККМ на базе инверторов напряжения является минимальное число управляемых ключей. Недостатками схемы являются:

однонаправленный поток энергии от сети в цепь постоянного тока;

наличие контура протекания тока C-D-V в течение восстановления диодом D запирающих свойств, что приводит к выбросам тока во время коммутации и увеличению коммутационных потерь.