Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ТРЕБОВАНИЯ К АВТОНОМНІМ ИНВЕРТОРАМ ДЛЯ СИСТЕМ ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ИХ ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. ТРАНЗИСТ0НШЕ ИНВЕРТОРЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕЕГИИ.
Принципы построения систем гарантированного электропитания. Проблемы электромагнитной совместимости 10
Анализ требований к преобразователям в системах гарантированного электропитания 17
Методы формирования напряжения синусоидальной
формы на выходе автономных инверторов 21
Принципы передачи энергии в нагрузку преобразователей с АИМ третьего рода . 37
Транзисторные инверторы с промежуточным накоплением энергии |~ 39
1.5,1. Анализ установившегося режима работы транзистор
ного инвертора с ПНЭ 43
вывода 49
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ УСТАНОВЙШШХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНВЕРТОРОВ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ И НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ РЕАКТОРА ... 53
Электромагнитные процессы в звене ПЧ ...... . 59
Электромагнитные процессы в звене низкой частоты
при Cg= 0 66
2.2.1. Анализ спектрального состава напряжения на
активной нагрузке при С2=0........... 74
2.2.2. Параллельная работа двух ячеек инверторов на
общую нагрузку 81
2.3. Электромагнитные процессы в звене низкой частоты
при наличии ёмкостного фильтра 85
2.3.1. Интервал времени, в котором знаки напряжения на
нагрузке и выходного тока совпадают 85
2.3.2, Интервал времени, в котором напряжение на нагруз
ке и выходной ток имеют разные знаки 97
Улучшение формы кривой выходного напряжения инвертора с помощью частотного регулирования .... 102
Инвертор, обеспечивающий синусоидальную форму выходного напряжения при низких значениях
нагрузки 108
Учёт индуктивностей рассеяния обмоток реактора . . 112
Повышение коэффициента полезного действия преобразователя изменением закона управления 120
Анализ условий работы вентилей 124
Особенности работы инвертора, выполненного на смешанной элементной базе 129
2.10.Анализ электромагнитных процессов в инверторах
с ПНЭ в режиме короткого замыкания в нагрузке . . . 132
2.10.1. Короткое замыкание на выходе, тиристорного
инвертора с ПНЭ 132
2.10.2. Короткое замыкание на выходе транзисторного
инвертора с ПНЭ 136
ВЫВОда 137
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЦШР0ВСЙ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ПЗПЧ
И ПНЭ И ЖСЛВДОВАНИЕ НА НЕЙ РЕЖИМОВ ЕГО РАБОТН . . 139
Особенности моделирования преобразователей .... 139
Модель полумостового инвертора с ПЗПЧ и ПНЭ .... 145
Построение алгоритма моделирования инвертора с ПЗПЧ 152 3.3.1. Описание звена низкой частоты с помощью уравне-
ний переменных состояния 154
Описание звена низкой частоты с помощью разностных уравнений ................... 155
Алгоритм модели 160
3.4. Исследование пуска инвертора с ПНЭ на цифровой
модели 167
3.5. Алгоритм машинного синтеза законов управления
преобразователями с ПНЭ ......... 172
ВЫВОДЫ 175
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВОЙ ЧАСТИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПЗПЧ И ПНЭ ... . 176
Инженерный расчёт тиристорного инвертора в идеальном случае отсутствия индуктивностей рассеяния обмоток реактора 178
Расчёт элементов силовой части при учёте индуктивностей рассеяния обмоток реактора 182
4.3. Инженерный расчёт транзисторного инвертора с ПНЭ . . 188
ВЫВОда 190
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 191
Исследование тиристорного преобразователя 191
Исследование транзисторного преобразователя .... 211
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 219
ПРАКТИЧЕСКОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 222
ЛИТЕРАТУРА 224
ПРИЛОЖЕНИЕ I 242
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 244
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 254
Введение к работе
Ускорение научно-технического прогресса, рост энерговооружённости всех отраслей народного хозяйства и повышение его эффективности в значительной степени связаны с успехами электроэнергетики. В общем количестве производимой электроэнергии с каждым годом возрастает доля энергии, потребляемой в преобразованном виде, поэтому основной задачей преобразовательной техники является создание устройств, обладающих повышенными технико-экономическими показателями.
Повышение требований к качеству передачи информации по каналам связи и надёжности работы радиоэлектронной аппаратуры привели к широкому распространению систем гарантированного электропитания ( СГЭ ) в радиоэлектронике, электросвязи, вычислительной технике и других областях народного хозяйства. В качестве источника резервного электропитания в таких системах обычно используются аккумуляторные батареи. Шогообразие ответственных потребителей, подключаемых к одной СГЭ,приводит к тому, что часть из них подключается непосредственно к шинам аккумулятора, а другая часть-через автономные преобразователи энергии. При высокой чувствительности потребителей к качеству питающего напряжения возникают проблемы, связанные с их электромагнитной совместимостью[169, 170].
Наиболее сильное влияние одних потребителей на другие имеет место в аварийных режимах. Так короткое замыкание в нагрузке одного из автономных инверторов (АИ) приводит либо к срабатыванию быстродействующей защиты на его входе и появлению значительных перенапряжений на входах всех других потребителей источника первичного электропитания (ИПЭП), обусловленных индук-тивностями проводов, либо к кратковременному короткому замыка-
_ 6 -
нию на шинах ИПЭП.
Меры борьбы с указанными влияниями обычно сводятся к рациональному размещению оборудования и ИПЭП, а также увеличению сопротивления подводящих проводов [166-168 ]. Во многих случаях указанные меры являются недостаточно эффективными. Радикальным методом ослабления взаимных влияний потребителей в аварийных режимах является использование статических преобразователей, у которых электромагнитные процессы в цепях источника питания и нагрузки разделены во времени Г 47, 48, 67-69, ИЗ, 130, 141, 152].
Наиболее полно современным требованиям отвечают АИ, использующие принцип промежуточного высокочастотного преобразования параметров электроэнергии. В последние годы таким преобразователям уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом [22-24, 44, 45-51, 67].
Большой вклад в развитие указанного класса преобразователей внесли научные коллективы Москвы / ВЭИ им.В.И.Ленина, МЭИ /, Ленинграда / ЛЭТИ им. В.И.Ульянова(Ленина), ЛЭИС им.М.А.Бонч-Бруевича, ЛПЙ им.М.И.Калинина /, Киева / ИЭД АН УССР, КПИ им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции, Новосибирска / НЭТИ /, Томска / НИИ АЭМ ТИАСУР / и других городов.
Несмотря на большое количество работ, посвященных АИ с промежуточным звеном повышенной частоты (ПЗПЧ), практически отсутствуют работы по исследованию инверторов с разделёнными во времени электромагнитными процессами на сторонах источника питания и нагрузки. Отсутствует методика проектирования таких инверторов, а также недостаточно разработаны схемные решения преобразователей данного класса, работающих на активно-индуктивную нагрузку и в режиме холостого хода без существенного искажения формы кривой выходного напряжения.
Из сказанного вытекает актуальность работ по созданию преобразователей с ПЗПЧ, позволяющих обеспечить минимальное влияние одних потребителей ИПЭП на другие в СГЭ. Разработке и анализу таких преобразователей и посвящена данная работа, цель которой может быть сформулирована следующим образом: разработка и исследование однофазных стабилизированных инверторов с ПЗПЧ, обеспечивающих минимальное влияние параметров нагрузки на другие потребители СГЭ.
В настоящее время разработано значительное количество методов анализа установившихся и переходных режимов работы преобразователей электрической энергии [18, 39, 44, 74, 79, 102] . Наибольшей универсальностью обладает метод моделирования электронных схем на цифровых вычислительных машинах (ЦВМ) 76, 81-95, 98] .
При исследовании преобразователей с ПЗПЧ на цифровых моделях с использованием универсальных программ существует ряд трудностей, обусловленных тем, что выходная и промежуточная частоты преобразователя могут отличаться на два и более порядков. В результате возникают противоречивые требования между скоростью моделирования (затратами машинного времени) с одной стороны и устойчивостью и точностью решения с другой. Поэтому одной из задач работы явилась разработка эффективных методов цифрового моделирования инверторов с ПЗПЧ, в частности, преобразователей с промежуточным накоплением энергии в магнитном поле реактора (ПНЭ).
Работа состоит из пяти глав, введения, заключения и трех приложений.
В первой главе даётся обзор принципов построения систем гарантированного электропитания. Рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости потребителей, питающихся от общего
"" 8 " ИПЭП. Анализируются методы формирования напряжения синусоидальной и квазисинусоидальной форм на выходе Ай и принципы передачи энергии в нагрузку. Исследуется установившийся режим работы транзисторных инверторов с ПНЭ и особенности построения систем управления такими инверторами.
Вторая глава посвящена анализу установившегося режима работы тиристорного инвертора с ПНЭ. Произведён анализ спектрального состава выходного напряжения в случае активной нагрузки без фильтра, предложены и проанализированы способы управления АИ, позволяющие стабилизировать величину и форму выходного напряжения при работе на переменную нагрузку, рассмотрены особенности преобразователя с ПНЭ, выполненного на смешанной элементной базе.
Третья глава посвящена разработке цифровой модели преобра-зователя с ПНЭ. Предложены алгоритмы и разработаны программы, позволяющие существенно снизить затраты машинного времени на моделирование, основанные на принципе раздельного рассмотрения микро- и макропроцессов в преобразователе. Исследованы пусковые характеристики инвертора на цифровой модели и предложен, алгоритм поиска требуемого закона модуляции тока, подаваемого в нагрузочную обмотку для получения заданной формы кривой выходного напряжения.
В четвёртой главе даётся методика проектирования инверторов с ПНЭ, приводится алгоритм машинного проектирования.
Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям на физических моделях транзисторного и тиристорного преобразователей с ПНЭ, рассчитанных по разработанной методике. В главе выполнен анализ перспективности использования преобразователей с ПНЭ, формирующих синусоидальную форму кривой выходного напряжения в случаях, когда не требуется решения вопросов элек-
тромагнитной совместимости (например, когда потребитель только один;. Произведено сравнение основных технических показателей транзисторного и тиристорного вариантов инверторов с ПНЭ с наиболее перспективными известными типами инверторов с синусоидальной формой кривой выходного напряжения.
В заключении сделаны выводы по работе.
Результаты работы нашли практическое применение в разработанных образцах преобразователей для систем гарантированного электропитания устройств связи, принятых к серийному производству. Экономический эффект от внедрения указанных устройств составляет: полученный- ЗОтыс. руб., ожидаемый- 43 тыс.руб.
Основные результаты и положения диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", Киев, 1979г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Применение в технологических процессах машиностроительного производства полупроводниковых преобразователей частоты", Уфа, 1980г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Применение токов высокой частоты в электротермии", Ленинград, 1981г., на УІ Всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем, Ташкент, 1982г., на III Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", Киев, 1983г., на 29-31 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ленинградского электротехнического института связи им. проф. М.А.Бонч-Бруевича в 1980-1982гг., на Юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Северо-Западного заочного политехнического института в 1982г.
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе получено четыре авторских свидетельства на изобретения.
На защиту выносятся:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований автономных инверторов с промежуточным накоплением энергии в магнитном поле реактора.
Разработанная цифровая модель инвертора с ПШ.
Методика инженерного проектирования автономных инверторов с
тт.
4. Предложенные новые схемные решения преобразователей с проме-
,s жуточным накоплением энергии, работающих на нагрузку с низким
коэффициентом мощности, и способы управления ими.
I. ТРЕБОВАНИЯ К АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРАМ СИСТЕМ ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ИХ ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ НАКОПЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ
I.I.I. Принципы построения систем гарантированного электропитания. Проблемы электромагнитной совместимости
В последние годы резко возросло количество потребителей, не допускающих перерывов в электроснабжении. В связи с этим создаются системы гарантированного электропитания (СГЭ), требования к которым определяются особенностями областей их применения. Ниже в качестве примера рассматриваются указанные требования применительно к аппаратуре связи. В разработке требований к 01 для устройств электросвязи используются результаты экспериментальных исследований, выполненных автором.
Длительность допустимого перерыва в электропитании нагрузки аппаратуры электросвязи определяется её особенностями, элементной базой и видом передаваемой по ней информации. По этому признаку аппаратура связи может быть разбита на несколько групп [3,4]: - к первой группе относится аппаратура городской телефонной
,-11-
связи и автоматика междугородных телефонных станций. Перерыв электроснабжения может привести к нарушению установления соединений. Допустимое время перерыва в питании нагрузки определяется временем удержания электромагнитных переключающих устройств (реле, шаговых искателей, многократных координатных соединителей) и составляет 0,02-0,5с[з];
вторая группа - ламповая телеграфная аппаратура и ; анодные цепи ламповых устройств кабельных систем связи. Перерыв в электроснабжении приводит к нарушению передачи информации. Допустимый перерыв питания нагрузки меньше одной секунды [3] ;
третья группа - цепи накала ламп. Из-за инерционности допускают перерыв электропитания длительностью до нескольких секунд [з];
четвёртая группа - ламповая радиорелейная аппаратура. Особенностью данной аппаратуры является наличие задержки включения высокого напряжения на лампу бегущей волны (ЛЕВ) , поэтому, даже при кратковременном выключении питания происходит снятие высокого напряжения с ЛБВ с последующим его восстановлением примерно через две минуты, поэтому перерыв связи составит около двух минут. В силу сказанного, для ламповой радиорелейной аппаратуры допустимый перерыв определяется временем срабатывания зашиты, отключающей высокое напряжение и составляет 0,02-0,05с [4];
к пятой группе относится полупроводниковая аппаратура кабельных и радиорелейных линий связи. Допустимое время перерыва электроснабжения нагрузки определяется видом передаваемой по линии информации. При высокоскоростной передаче данных, сигналов фотогазеты и цифровой информации допустимая длительность перерыва соизмерима с информационными длительностями элементарных посылок в сигнале и составляет единицы микросекунд. Ясно, что в таких случаях электропитание нагрузки должно быть безобрывным [4] .
Передача сигналов телевидения принципиально допускает пе-
рерыв длительностью не более 1,6 мс, т.к. в этом случае на экране телевизионного приёмника произойдёт потеря информации одного полукадра разложения телевизионного изображения, что будет малозаметно для глаза. Однако, существующие устройства коммутации телевизионных программ даже при кратковременном снятии электропитания нагрузки (5-Ю мкс) теряют свои коммутационные свойства. При восстановлении электроснабжения сохранение установленных коммутаций возможно только при вмешательстве оператора, поэтому реальный перерыв значительно больше. Следовательно, при наличии коммутационных устройств электропитание нагрузки должно быть безобрывным [4].
Наиболее распространёнными в системах связи в настоящее время являются СГЭ с электромашинными преобразователями и инерционными маховиками. Недостатки такой системы общеизвестны.
Всё более широкое применение находят аккумуляторные батареи в совокупности со статическими преобразователями. В таких случаях в качестве преобразователей используются автономные инверторы (АИ). В состав СГЭ кроме АИ могут входить управляемые и неуправляемые выпрямители, тиристорные переключатели, устройства управления и сигнализации [2,5^. Выбор той или иной структуры, помимо допустимого перерыва в электроснабжении, определяется качеством переходных процессов при различных режимах работы. При допустимой длительности перерыва в 50-150мс структуру строят так, что инвертор работает в режиме холостого хода [4](Рис.1-1), а при отключении сети нагрузка через переключающее устройство подключается к АИ. Высокую надёжность при необходимости бесперебойного электропитания (пер = 0), обеспечивает структура с параллельной работой нескольких АИ на общую нагрузку(Рис.1-2).В этих случаях каждый АИ рассчитывается на мощность,большую отдаваемой в нагрузку в номинальном режиме.Отключение одного из АИ при
- ІЗ -
Рис. 1-І. Структура СГЭ при допустимой длительности перерыва в электроснабжении потребителя равной 50-150 мс. /В - выпрямитель, И - инвертор, ПУ - переключающее устройство, АБ- аккумуляторная батарея /
ПОТРЕБИТЕЛЮ
СЕТЬ
Рис. 1-2. Параллельная работа нескольких инверторов на общую нагрузку. / УОПР - устройство обеспечения параллельной работы инверторов /
повреждении приводит к увеличению мощности, отдаваемой в нагрузку другими АИ, и энергоснабжение нагрузки осуществляется без перерыва. Для равномерного распределения мощности и тока нагрузки между ячейками АИ применяют специальные устройства /Ї0/. Требование дальнейшего повышения надежности системы гарантированного электропитания приводит к необходимости резервирования выпрямителей, зарядных устройств и аккумуляторных батарей /5,8,10/.
Весьма перспективной является СГЭ, описанная в /106/ (рис.1-3). В ней применен обратимый преобразователь, состоящий из инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией ,йПИМ> выходного напряжения и обратными диодами. Напряжение сети подается в нагрузку через дополнительную обмотку трансформатора инвертора, и два встречно-параллельно включенных тиристора. В нормальном режиме мощность на нагрузке складывается из мощности сети и мощности инвертора /20-30% всей мощности на нагрузке/, синхронизированного с сетью. При этом часть энергии сети через обратные диоды расходуется на заряд аккумуляторов. При отключении сети прекращается заряд аккумуляторов и инвертор обеспечивает полную мощность на нагрузке.
Таким образом, данная СГЭ обеспечивает безобрывность энергоснабжения нагрузки, содержание аккумуляторных батарей и не требует специального выпрямителя для их заряда.
Недостатками данной СГЭ является применение инвертора с ШШ, реактивные элементы которого работают на частоте сети и имеют, поэтому, большие габариты и массу. Указанный недостаток может быть устранен при использовании в рассмотренной СГЭ преобразователей с промежуточным звеном повышенной частоты /2,23,47,48/.
Практическую безобрывность напряжения на нагрузке СГЭ обеспечивает применение режима "подпора" аккумуляторной батареи (рис.1-4). Такой принцип используется в СГЭ зарубежных фирм /5,8,Ц/ и в оте-
+- ф-
-of
-^Mb
c«
—t>P-
Rh
^CETb 0
-O-
-D*
S і>
^i
Рис. І-З. Система гарантированного электропитания, в которой отсутствуют перерывы в электроснабжении нагрузки
К НАГРУЗКЕ
Рис. 1-4. Система гарантированного электроитания, использующая аккуїлулят орную батарею в режиме "подпора"
чественных разработках [|2]. Из сказанного можно сделать вывод о том, что выбор той или иной структуры СГЭ связан с рядом факторов, учет которых позволяет создать оптимальную систему для каждого конкретного потребителя.
В связи с увеличением количества аппаратуры, питаемой от одной системы гарантированного питания ( например, на крупных узлах связи), и ее разнотипности возникает необходимость обеспечения одной части потребителей напряжением постоянного тока, а другой - напряжением переменного тока. Кроме того, ряд потребителей, питающихся напряжением постоянного тока, требует гальванической развязки с ИПЭП. В таких случаях СГЭ представляет собой сложную систему, в которой остро стоят вопросы электромагнитной совместимости преобразователей и потребителей Г169, 170]. Понятие электромагнитной совместимости включает в себя комплекс вопросов, рассмотрение которых выходит за рамки данной работы. Отметим лишь, что наиболее сильные взаимные влияния потребителей имеют место в аварийных режимах, особенно в режиме короткого замыкания в нагрузках преобразователей.
Обычно преобразователи снабжены системой быстродействующей защиты по входному току и при возникновении режима короткого замыкания в нагрузке быстро отключаются от источника питания. Однако, в больших СГЭ индуктивность проводов, соединяющих ИПЭП с потребителями (преобразователями), достаточна велика, что приводит к появлению больших перенапряжений на входах всех потребителей ИПЭП в момент отключения преобразователя с коротким замыканием в нагрузке. В [166-168J приводятся осциллограммы возникающих перенапряжений и указывается, что в зависимости от особенностей СГЭ напряжение на входах потребителей может превышать напряжение ИПЭП в Z +3,5 раза, что приводит либо к их отключениях) ( при
срабатывании защиты по напряжению) либо к выходу из строя. В любом случае имеет место перерыв в электроснабжении большого количества ответственных потребителей. Снижения указанного влияния удается достичь за счет рационального размещения оборудования и ИПЭП (снижения индуктивности проводов} ,однако, возможности такого метода ограничены. Ведущие зарубежные фирмы (например, фирма Эрикссон, специализирующаяся на выпуске аппаратуры электросвязи) для снижения влияния увеличивают сопротивление проводов, соединяющих потребители с ИПЭП. Так в [_I68J описана СГЭ, в которой указанное увеличение составляет 30 раз. Такой подход приводит к увеличению потерь и снижению КОД СГЭ. Кроме того, перепады напряжения на входах потребителей СГЭ не снимаются полностью, а снижаются до величины 1,1-1,2 от номинального значения [ 166 J.
Значительное улучшение электромагнитной совместимости потребителей и ИПЭП достигается при использовании преобразователей с разделенными во времени электромагнитными процессами потребления энергии от ИПЭП и отдачи ее в нагрузку(_ 47, 48, 67-69,130, 152). Такие преобразователи будут подробно рассмотрены ниже.
Особенности АИ, используемых в СГЭ в значительной степени определяют ее структуру и свойства, поэтому остановимся на них подробнее.
1.2. Анализ требований к преобразователям в СГЭ.
Требования, предъявляемые к АИ в СГЭ в первую очередь определяются формой выходного напряжения, стабильностью амплитуды выходного напряжения и его частоты, а также качеством динамических характеристик.
Рассмотрим указанные требования.
I. Форма выходного напряжения:
в реальных СГЭ (в частности, в электросвязи) значительную часть от общего количества потребителей составляют источники
вторичного электропитания (ИВП), на входе которых установлены выпрямители с емкостными фильтрами. Для таких потребителей синусоидальная форма напряжения питания не является обязательной. Однако, как правило, в СГЭ входят потребители, обеспечивающие требуемое качество функционирования только при синусоидальной форме напряжения питания (электроприводы, прецезионные измерительные установки и т.п.). Поэтому, при централизованной СГЭ, когда АИ обеспечивает электропитание всех потребителей СГЭ, на его выходе должно быть сформировано напряжение синусоидальной формы, с параметрами, удовлетворяющими ГОСТ [2 9].
Следует отметить, что при формировании кривой выходного напряжения в АИ импульсными методами, его реальная форма, обычно отличается от идеальной наличием выбросов на фронтах импульсов, появление которых обусловлено коммутационными процессами в преобразователе [22,2з]. Такие выбросы плохо поддаются фильтрации, поэтому подача указанного напряжения на вход ЙВП радиоэлектронной аппаратуры с высокой чувствительностью к качеству напряжения питания приводит к появлению значительных помех в трактах рабочих сигналов.
Выполненные экспериментальные исследования показали, что некоторые узлы аппаратуры дальней связи допускают электропитание напряжением прямоугольной и прямоугольноступенчатой форм (например, исполнительные узлы оборудования коммутации), однако, в таком случае СГЭ должна строиться по децентрализованному принципу . т.е. с разделением аппаратуры по допустимой форме напряжения питания.
Из сказанного можно сделать вывод о том, что наиболее универсальным видом АИ для СГЭ являются преобразователи с синусоидальной формой выходного напряжения. Этим объясняется наибольшее
распространение в СГЭ именно такого типа АИ [5,7,9,11,13,14].
Необходимо отметить, что в отдельных случаях к качеству кривой выходного напряжения АИ и СГЭ предъявляются особо жесткие требования. Примером таких систем могут служить СГЭ для радионавигации [ 164,165] и измерительной техники.
2. Стабильность выходного напряжения:
существующие способы регулирования и стабилизации выходного напряжения можно разделить на внешние и внутренние ^I7j. Внешние способы включают регулирование по цепи постоянного тока (изменением напряжения питания) и по цепи переменного тока (например, геометрическим суммированием выходных напряжений двух или нескольких инверторов, либо применением феррорезонаненых стабилизаторов) [I8,I9J. Применение импульсных регуляторов в цепи постоянного тока позволяет осуществить регулирование без изменения спектрального состава выходного напряжения, однако, при этом снижается КПД, ухудшается динамика и массогабаритные показатели (МГП) в связи со значительной мощностью сглаживающего фильтра.
Геометрическое суммирование выходных напряжений двух или нескольких инверторов требует повышенной установленной мощности силового оборудования, однако, облегчает решение задачи получения безобрывного напряжения в СГЭ, т.к. при выходе из строя одного из инверторов и его быстром отключении перерыва в питании нагрузки не образуется, а происходит лишь ухудшение его спектрального состава [4, I0J.
Внутренние способы стабилизации основаны на усложнении системы управления преобразователя без изменения его силовой части. Они включают разомкнутые параметрические системы с регулированием по возмущению, замкнутые компенсационные системы с регулированием по отклонению и комбинированные системы Г2ІІ.
В системах параметрической стабилизации, как правило, не возникает проблем устойчивости [20]. Системы компенсационной стабилизации по отклонению позволяют получить более точную стабилизацию, чем стабилизация по возмущению, однако, такие системы склонны к неустойчивости.
В общем случае выбор способа стабилизации выходного напряжения определяется способом формирования кривой выходного напряжения. Так, к примеру, широкими алгоритмическими возможностями регулирования и стабилизации выходного напряжения обладают методы формирования многоуровневого напряжения[22,24], напряжения синусоидальной формы с ШИМ [24-28^ АИМ [28]и т.д.
В соответствии с ГОСТ на входе потребителя СГЭ должна обеспечиваться стабильность напряжения питания -1096 [29]. При использовании преобразователей с промежуточным звеном повышенной частоты и улучшенными массогабаритными показателями наиболее предпочтительными методами получения такой стабильности выходного напряжения являются внутренние ключевые методы стабилизации по отклонению.[22].
В инверторах для АБП частота не должна зависеть от изменения нагрузки и выходного напряжения. Она определяется только задающим генератором. ГОСТ ограничивает допустимую нестабильность частоты величиной *2%. Практически все виды времязадающих цепей генераторов, определяющих выходную частоту преобразователя обеспечивают такую величину нестабильности [l4].
3. Динамические характеристики: необходимость хорошего качества напряжения требует осуществления быстрого перехода к установившемуся режиму, что возможно при пользовании Ай с ключевыми быстродействующими системами автоматического регулирования. В этом смысле большими преимуществами
обладают АИ и ПЗПЧ, поскольку в таких инверторах регулирование осуществляется по промежуточной частоте, превосходящей выходную частоту на два и более порядков. Указанные преимущества проявляются наиболее сильно в СГЭ, в которых в качестве переключателей используются быстродействующие полупроводниковые переключающие устройства переменного и постоянного тока [ 5 '.\. Кроме рассмотренных, к АИ в СГЭ предъявляются требования хороших массо-габаритных показателей, высоких КПД и надежности. Проанализированным требованиям в той или иной степени удовлетворяют многие типы инверторов. Наибольшим многообразием отличаются преобразователи, с синусоидальной формой выходного напряжения, формируемого различными способами. Для возможности правильного выбора способа, в наибольшей степени отвечающего требованиям, предъявляемым к АИ в СГЭ необходимо проанализировать и сравнить известные методы формирования напряжения синусоидальной формы в инверторах.
1.3. Методы формирования напряжения синусоидальной формы на выходе автономных инверторов.
Классификация методов формирования напряжения синусоидальной формы может строиться по разным принципам [23,24,35]. На наш взгляд представляет интерес классификация методов, основанная на числе преобразователей энергии в системе. Такая классификация позволяет в первом приближении формализованно оценить КПД системы, ее сложность, надежность и т.д., что является весьма важным при структурной оптимизации преобразователей.
I.3.I. Методы получения синусоидального напряжения с помощью одного преобразователя энергии.
Среди данной группы методов (рис.1-5) наиболее распространенным и простым является применение инверторов напряжения с
МЕТОДЫ С ОДНИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
МЕТОДЫ С ДВУМЯ И БОЛЕЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ
С (РЕРРОРЕЗО-НАНС. СТАВ.
модул яциан.
МЕТОДЫ
С ВЫХОДНЫМ ФИЛЬТРОМ
БЕЗ ВЫХОДИ. ФИЛЬТРА
CQBHO ВЫРАЖ
звен. пост, тот
I го
I
С АИМ
СШИМ
С чим
I
с:
о о
Рас.1-5. Классификация метолов получения напряжения синусоидальной формы на выходе.
<2L&TOHOMHbfX инВерТОрОВ
последующей установкой феррорезонансных стабилизаторов или фильтров [18,19,36 J . Инвертор с феррорезонансным стабилизатором -это универсальный преобразователь, выполняющий одновременно ряд функций:
преобразование постоянного напряжения в переменное;
фильтрацию и стабилизацию выходного напряжения;
ограничение тока при коротком замыкании со стороны нагрузки
[і8,3б].
При повышенных требованиях к качеству выходного напряжения^ на выходе инвертора напряжения устанавливаются фильтры [ 23,37]. Однако, необходимость установки фильтров приводит к ухудшению МГП и КПД преобразователя. Кроме того, ухудшаются динамические характеристики преобразователя I 37,381.
В АИ напряжения с феррорезонансными стабилизаторами точность стабилизации напряжения на нагрузке невысокая, однако, в силу своей простоты рассматриваемый способ получил широкое распространение [18]. Тем не менее, следует отметить, что в случаях жестких требований к МГП, применение данного способа формирования синусоидального напряжения малоперспективно.
Принципиально, возможно получение напряжения синусоидальной формы на выходе АИ без применения специальных фильтров. Для этого применяют резонансные АИ [39]. Форма выходного напряжения в таких АИ . близка к синусоидальной, если собственная частота инвертора совпадает с частотой следования импульсов управления. Недостатки резонансных АИ хорошо известны:
зависимость величины и формы выходного напряжения от параметров контура коммутации, в том числе, от нагрузки;
повышенные токи и напряжения на элементах.
Кроме того, построение резонансного АИ на частоту 50Гц требует большой коммутирующей емкости, что неблагоприятно сказывает-
ся на МГП преобразователя.
Широко распространенной, выпускаемой серийно отечественной промышленностью , является установка, в основу которой положен инвертор тока [ 12,13,40-42]. Компенсация колебаний выходного напряжения осуществляется фазовым регулированием углов отпирания вентилей индуктивно-вентильного компенсатора, причем, компенсатор совместно с коммутирующим конденсатором одновременно выполняет функции фильтра. При этом форма выходного напряжения близка к синусоидальной без применения специальных фильтров. Недостатки данной схемы состоят в плохих пусковых свойствах преобразователя [40І, увеличенной мощности силового оборудования и неудовлетворительных МГП на частоте 50Гц.
Одними из наиболее перспективных методов формирования напряжения синусоидальной формы являются модуляционные методы [22-28,43-48], позволяющие нейтрализовать значительное количество гармонических составляющих в выходном напряжении инверторов. В настоящее время такие методы хорошо исследованы]27,28,44]. Это методы, применявшиеся раньше приемущественно в электросвязи, и получившие широкое распространение в электроэнергетике в последние десятилетия. В [24]приведена классификация модуляционных методов по виду выходного напряжения. В принципе, они могут быть реализованы как с одним, так и с несколькими преобразователями. В настоящем параграфе в соответствии с принятой нами классификацией рассматриваются только методы с одним преобразователем энергии[35].
Рассмотрим разновидности модуляционных методов.
Методы с амплитудно-импульсной модуляцией САШ) представляют наиболее полно разработанную группу модуляционных методов. Остановимся на вопросах терминологии. В настоящее время в литературе различают АИМ первого и второго родов [24,27] . АИМ перво-
го рода характеризуется неизменностью амплитуды импульса в течение его длительности, определяемой модулирующим сигналом. АЙМ второго рода характеризуется изменением амплитуды импульса в течение его длительности в соответствии с модулирующим сигналом. Реализация АЙМ второго рода с помощью ключевых элементов затруднительна.
В последние годы разработан ряд новых методов синтезирования синусоидальной кривой напряжения, не относящихся к АИМ первого и второго родов [45-48]. Это методы формирования синусоидальной формы кривой выходного напряжения низкой частоты из высокочастотных импульсов тока различной формы: синусоидальной [і09] , треугольной [47,48], трапецеидальной [49]. В данной группе способов мгновенное значение импульсного напряжения в течение его длительности изменяется по закону, не совпадающему с законом изменения кривой выходного напряжения (модулирующим сигналом) , поэтому предлагается называть указанные методы методами АИМ третьего рода.
Наиболее распространёнными способами АИМ являются АЙМ по синусоидальному и трапецеидальному законам [44]. Главным достоинством методов с АИМ по синусоидальному закону следует признать независимость спектрального состава выходного напряжения АИ, определяемого числом импульсов на полупериоде выходной частоты, от ширины импульсов [44-50], что позволяет легко регулировать выходное напряжение изменением ширины импульсов при неизменном спектральном составе выходного напряжения. При увеличении глубины регулирования имеет место рост искажений выходного напряжения, при этом изменение амплитуд гармоник, близких к основной хотя и невелико, однако, при повышенных требованиях к качеству выходного напряжения приходится существенно увеличивать установленную мощность выходных фильтров.
Наилучшие показатели по гармоническому составу можно получить при ступенчатой модуляции, являющейся частным случаем АИМ [~2,23,28,5I-56J. При использовании одного преобразователя такой вид модуляции можно получить переключением первичных и вторичных обмоток согласующего трансформатора при использовании устройств индивидуальной коммутации тиристоров 23,57J, либо установкой тиристоров на первичной, а симисторов на вторичной стороне трансформатора [23]. Кроме того, возможно переключение источников постоянного тока различных уровней в течение полупериода выходного напряжения Г&Л»
Коэффициент гармоник (Кг) выходного напряжения , сформированного с использованием АИМ, уменьшается при увеличении числа импульсов на полупериоде, а также при уменьшении длительности пауз между импульсами. Многоуровневое напряжение, в котором отсутствуют паузы между импульсами, обладает наилучшим гармоническим составом І23І. Кроме того, многоуровневые формы выходного напряжения при одинаковом количестве импульсов на полупериоде выходной частоты обладают значительно лучшим гармоническим составом, чем одноуровневое [25].
-54І.
В I 53,54J приводится методика получения оптимальной относительно К формы выходного напряжения на выходе инвертора. Составлена целевая функция для К и произведена ее минимизация методом градиента. В результате получено оптимальное соотношение между высотами и фазами прямоугольных импульсов, дающая минимум Кр. В случае применения данного метода формирования синусоидального напряжения фильтры получаются достаточно простыми ввиду
отсутствия гармоник, близких к основной
Главный недостаток данного метода - сложность схемы управления, а также сложность обеспечения постоянства спектрального состава выходного напряжения при его регулировании и стабилизации.
Результаты расчетов, приведенные в I 23J, показывают, что в случае фильтрации многоуровневого напряжения получается значительный выигрыш в МГП системы инвертор-фильтр перед системой с одноуровневыми формами напряжений. Алгоритмические возможности регулирования и стабилизации многоуровневого напряжения исключительно велики [22,23J. Выбор того или иного метода определяется в каждом конкретном случае решаемой задачей.
На наш взгляд весьма перспективными, но мало исследованными являются методы формирования синусоидального напряжения с АШ третьего рода [44,46-48]. В случае формирования выходного напряжения из отрезков синусоид Гі09,ІІ0] оно имеет вид, приведенный на рис.1-6. Каждый полупериод выходного напряжения состоит из высокочастотных синусоидальных импульсов, амплитудно модулированных прямоугольно-ступенчатой кривой, аппроксимирующей синусоидальную кривую выходной частоты. Данный способ относится к способам формирования выходного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты, однако, он отличается малыми комму-тацонными потерями, т.к. при его реализации включение и выключение тиристоров в инверторе происходит при нулевых токах.
Регулирование выходного напряжения в данном случае легко осуществить методами, применяемыми в инверторах с многоуровневой формой выходного напряжения без пауз между импульсами | 50 J. Рассмотренный способ в литературе исследован недостаточно.
На рис.1-7 показана форма напряжения на активной нагрузке инвертора с АИМ третьего рода, при формировании кривой выход ,-ного напряжения из отрезков треугольников. Выбирая частоту треугольных импульсов достаточно высокой [47,48], можно получить значительный выигрыш в МГП, а применяя модуляцию треугольных импульсов синусоидальным напряжением выходной частоты, получить высокое содержание основной гармоники в выходном напряжении. Кроме указанных достоинств, инвертор, реализующий дан-
—
Рис.І-б. Формировании выходных напряжения АИ методом АИМ третьего рода из высокочастотных импульсов синусоидальной
формы
t
Рис.1-7. Формирование выходного напряжения АИ методом И третьего рода из высокочастотных треугольных импульсов
ный принцип формирования выходного напряжения обладает хорошими динамическими характеристиками, позволяет легко обеспечить рекуперацию избыточной энергии в источник питания, отличается простотой регулирования действующего значения выходного напряжения без изменения его спектрального состава, слабыми требованиями к фильтру.
Недостатком преобразователя следует признать сложность схемы управления и необходимость компенсации реактивной мощности нагрузки. Данный принцип включает в себя достоинства многих методов (применение промежуточного звена повышенной частоты, амплитудная модуляция выходного напряжения по синусоидальному закону, легкость рекуперации избыточной энергии в источник и т.д.),однако, он нуждается в дальнейших исследованиях.
Методы широтно-импульсной модуляции используют модуляцию длительности импульсов, формирующих выходное напряжение по некоторым законам (чаще всего синусоидальному и трапецеидальному). Возможна ПИЛ односторонняя и двухсторонняя,однополярная и двух-полярная, однотактная и двухтактная Г44І .
При ШИМ по синусоидальному закону содержание основной гармоники в кривой выходного напряжения велико и растет с увеличением числа импульсов в периоде. Наиболее близкой к оптимальной 44] по коэффициенту гармоник является ШИМ по трапецеидальному закону с симметричным расположением импульсов в полупериоде, однако, при необходимости регулирования выходного напряжения более простые системы управления инвертором получаются при использовании синусоидального закона модуляции.
Поскольку при ШИМ амплитуда напряжения постоянна, реализация такого метода возможна при использовании инверторов напряжения со всеми их достоинствами. Гі42-І48І.
- зо -
Следует отметить, что при использовании ШИМ коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения довольно высок. При регулировании выходного напряжения изменением глубины модуляции происходит изменение его спектрального состава и коэффициента нелинейных искажений.
Возможно формирование выходного напряжения инвертора с применением методов частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).При этом по заданному закону модулируется частота следования импульсов выходного напряжения [lI0,I09,57J.
В случае формирования выходного напряжения из отрезков синусоид каждый из полупериодов выходного напряжения формируется путем подачи управляющих импульсов на тиристоры соответствующей пары мостового инвертора. Внутри полупериода выходного напряжения происходит принудительное запирание тиристоров, а в конце полупериода - естественное выключение Г109J (рис.1-8). Для увеличения содержания основной гармоники в выходном напряжении, отпирание пар тиристоров производят по закону частотной модуляции.
Недостаток рассматриваемого преобразователя состоит в трудности работы на нагрузку разной величины и с разным коэффициентом мощности.
Использование частотно-импульсной модуляции позволяет создать преобразователи постоянного напряжения и автономные инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения, питание которых осуществляется от нестабилизированного источника тока ГіІ9|. Необходимость в таких преобразователях возникает при построении СГЭ различного оборудования и измерительных приборов, находящихся на необслуживаемых усилительных пунктах кабельных и волоконно-оптических линий связи. іДцинственньш источником электроэнергии на таких пунктах является ток дистанционного питания.
- ЗІ -
а)
Р
Рис.1-8. Кривые выходного напряжения инвертора при его формировании из участков высокочастотных синусоид: а/ с естественной коммутацией внутри полупериода выходного напряжения; б/ с искусственной коммутацией; в/ с частотной модуляцией импульсов управления
Схема стабилизированного преобразователя постоянного тока приведена на рис. І-9І. Установка на его выходе мостового модулятора, транзисторы которого управляются по закону синусоидальной НИМ, позволяет сформировать на нагрузке напряжение квазисинусоидальной формы [l43j.
1.2.2. Методы формирования напряжения синусоидальной формы в системах с двумя или несколькими преобразователями энергии.
В некоторых случаях лучшие технико-экономические показатели могут обеспечить системы с двумя или несколькими инверторами.
Большой выигрыш в МГП при средних и больших мощностях нагрузки обеспечивает преобразователь с явно выраженным звеном постоянного тока [58,143J. Его структурная схема показана на рис 1-ГО где ИтИ Ир - соответственно инверторы высокой и низкой частот. Согласующий трансформатор Тр-1 обеспечивает на l входе инвертора Hg такую величину напряжения, при которой он может быть построен по бестрансформаторной схеме. В этом случае макисмальная емкость коммутирующего конденсатора будет у инвертора Иj (особенно при пониженных напряжениях питания), а повышение его частоты позволяет резко уменьшить величину этой емкости и габариты трансформатора Тр-1, а, следовательно, МГП всего преобразователя. Как показано в [581 общий выигрыш в МГП такой структуры поі сравнению с одним преобразователем - 2-2,5 раза.
В данном случае инвертор высокой частоты может быть построен по схеме резонансного инвертора [59,60,101] или инвертора напряжения [l7,23J . Инвертор низкой частоты Ир должен формировать синусоидальное напряжение (без фильтров, либо с простыми фильтрами ). В качестве инвертора Ир можно применить
E"
— к Увых — Von
Рис.1-9а. Принципиальная схема стабилизированного преобразователя, питающегося от нестабилизированного источника тока
is UCT
ІГРЗ
L І I
*"
Рис.1-96. Временные диаграммы токов и напряжений на элементах преобразователя при изменении сопротивления нагрузки
Рис. 1-Ю. Структурная схема АИ с явновыраженным звеном постоянного тока
передача энергии с промежуточным накоплением
прямая передача энергии
Рис.І-ІІа. Напряжение на активной нагрузке инвертора с комбинированньм принципом передачи энергии ,
инвертор с ШИМ, АИМ или некоторые другие виды преобразователей.
Алгоритмические возможности регулирования и стабилизации выходного напряжения преобразователя чрезвычайно велики. В такой системе необходимо произвести оптимальный выбор частоты инвертора Ир метода регулирования выходного напряжения, схемных решений Их и Ир и т.д., что в конечном счете приводит к задаче структурной оптимизации преобразователя по векторному критерию.
Главный недостаток преобразователя с явновыраженным звеном постоянного тока состоит в тройном преобразовании энергии, приводящем к уменьшению КПД, однако, в некоторых случаях приведенный принцип формирования выходного напряжения,безусловно, n перспективен. В настоящее время он практически не исследован.
Новым методом, использующим два преобразователя энергии и позволяющим получить высокое качество выходного напряжения, является метод биений 144,46 |. Он является модуляционным и может быть отнесен к методам с АИМ третьего рода. Его суть состоит в выделении низкочастотной огибающей при сложении двух напряжений близких частот. Выбирая их достаточно высокими (единицы килогерц), можно получить хорошие МГД и сместить спектр-гармоник в область высоких частот. Малый коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения может быть получен только при использовании выходного фильтра, поскольку амплитуды высших гармоник с меньшими номерами не зависят от коэффициента кратности несущей и огибающей частот [44,123| .
Дополнительный недостаток таких преобразователей - необходимость получения двух напряжений близких частот. При использовании метода биений в СГЭ устройств связи требуются значительные усилия по защите аппаратуры связи от помех преобразования энергии. Данный метод представляется весьма перспективным и тре-
бующим дальнейших исследований.
Как уже указывалось, в зависимости от конкретной реализации способ формирования многоуровневого напряжения можно отнести к методам с одним и несколькими преобразователями.
При использовании нескольких преобразователей энергии многоступенчатое напряжение может быть получено суммированием выходных напряжений нескольких инверторов одинаковой частоты, сдвинутых друг относительно друга на некоторый угол, или различной скважности [бб].
АИ с суммированием выходных напряжений нескольких инверторов многоэлементны, требуют дополнительной синхронизации, они обладают повышенными габаритами и массой. Повышенное напряжение на элементах вентильных блоков делает их малоперспективными при питании от аккумуляторных батарей с невысокими уровнями выходного напряжения, что имеет место в системах гарантированного электропитания систем связи и вычислительной техники [23, II2J.
Если учесть требование защиты источника первичного электро-питания и других потребителей СГЭ при коротком замыкании в нагрузке одного из преобразователей, то 'из всего многообразия рассмотренных методов на первый план выдвигаются методы, реализуемые в инверторах с разделёнными во времени электромагнитными процессами потребления энергии от источника и передачи её в нагрузку. Такие преобразователи, кроме того, имеют наиболее простую схему силовой части, а следовательно, высокую надёжность.
Автономные преобразователи постоянного напряжения в постоянное, выполненные на базе однотактных преобразователей,получили широкое распространение в нашей стране и ,особенно, за рубежом [69, 131, 135]. В автономных инверторах, выполненных на базе однотактных преобразователей, выигрыш в количестве ключевых элементов, по сравнению с инверторами напряжения ещё ощутимее [129].
- 37!-
