НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.313.36

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

ab_kornilov@mail.ru

Введение и постановка задачи

Наиболее широко распространенной структурой системы импульсного питания коллекторного электропривода от трехфазной сети переменного тока является структура с выпрямителем (диодным или тиристорным), промежуточным электролитическим фильтром (емкостным или аккумуляторным) и импульсным модулятором – конвертором на базе транзисторов или запираемых (двухоперационных) тиристоров. В частности, при участии авторов, рассматривались различные структуры системы питания железнодорожных тяговых коллекторных электродвигателей от контактных высоковольтных сетей постоянного (3 кВ) и переменного (25 кВ) тока [1].

Перспективные структуры тягового электропривода обычно предусматривают цепи не только для динамического торможения (с тепловым рассеиванием энергии), но и рекуперативного торможения с возвратом энергии в промежуточный буферный фильтр или в питающую сеть. Это обстоятельство существенно усложняет структуру системы питания, но повышает его энергоэкономичность.

Следует однако констатировать, что вопросу коррекции коэффициента мощности, потребляемой из сети переменного тока, даже в перспективных структурах систем электропитания тягового электропривода практически не уделено внимание ни в отечественной, ни в зарубежной литературе. Для обеспечения максимального энергосбережения и сохранения качества электроэнергии (формы напряжения) питающей промышленной или автономной сети все вторичные преобразователи с входными выпрямителями должны содержать в их цепях так называемые активные корректоры коэффициента мощности (ККМ или PFC). В их задачи входит обеспечение не только синусоидальной формы потребляемого тока, но и его синфазности (нулевого фазового сдвига) с сетевым напряжением.

Классические ККМ, применяемые практически во всех современных вторичных источниках питания (ВИП) представляют собой повышающий импульсный модулятор на выходе выпрямителя и промежуточный буферный электролитический конденсатор с относительно большой энергоемкостью, особенно при питании от однофазной сети.

Самая серьезная проблема возникает при наружном применении ККМ, например в диапазоне температур от -40…60 ˚С  до 105…120 ˚С (вблизи разогретой конструкции). Импеданс и допустимый ток пульсаций у силового фильтрующего электролитического конденсатора ухудшаются при температуре -40 ˚С в 12-13 раз. Кроме того, “холодный” запуск приводит к резкому снижению ресурса работы конденсатора. При повышенных температурах появляется необходимость применения специальных электролитических конденсаторов с гарантированным пределом в 105 ˚С (и более), срок службы которых существенно снижен, а цена завышена.

В связи с вышеуказанным представляется целесообразным рассмотрение принципиально новых схемотехнических решений без энергоемких электролитических конденсаторов.

1. Компромиссное решение с ослабленным промежуточным емкостным фильтром

В системах импульсного питания коллекторного электропривода от трехфазной (или многофазной) сети переменного тока, где низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения практически допустимы без энергоемкой фильтрации, указанная проблема существенно ослаблена и позволяет заменить электролитические конденсаторы на пленочные или бумажные (гораздо менее энергоемкие, но термостойкие и надежные). В этих случаях целесообразно применить известные схемы ККМ, например схему на базе Виенна – выпрямителя [2] и другие [3]. Однако при этом не решается задача обеспечения двунаправленности передаваемой энергии.

Рис. 1. Система импульсного питания электропривода на базе трехфазного корректора коэффициента мощности (ККМ по схеме Виенна-выпрямителя) и цепи рекуперации энергии через инвертор тока (ИТ) и обратимый конвертор (ОК)

Учитывая также проблему обеспечения рекуперативного торможения в широком скоростном диапазоне, можно предложить схемотехнический вариант системы импульсного питания электропривода на базе трехфазного ККМ по схеме Виенна - выпрямителя и цепи рекуперации энергии через инвертор тока (ИТ) и обратимый конвертор (ОК), показанный на рис. 1. Система содержит: балластные дроссели (L_A,B,C  и L₀), корректор коэффициента мощности (ККМ) с мостовым выпрямителем (VD_1-6), модулирующими транзисторными ключами переменного тока (VT_Aa,Bb,Cc) и конденсаторным фильтром (С_1,2) с заземленной средней точкой, импульсный обратимый конвертор (ОК) с модулирующими транзисторными ключами (VT_1,2) для прямого (понижающего) и обратного (повышающего) преобразований и фильтрующим конденсатором (С₃), а также два контакторных реверсора - аварийный (АР) для перевода инвертора тока в режим управляемого выпрямителя и якорный (ЯР) для реверса электродвигателя постоянного тока с обмотками якоря (ОЯ) и обмоткой возбуждения (ОВ), зашунтированной индуктивно-активным шунтом (L_ш-R_ш1,2)с контакторами (К_1,2).

К достоинствам данной схемы импульсного питания коллекторного электропривода от сети переменного тока помимо двух основных - обеспечение коррекции коэффициента потребляемой мощности и режима рекуперативного торможения, причем без энергоемкого, нетермостойкого и ненадежного промежуточного электролитического фильтра – можно также отнести следующие три:

1) режим динамического торможения (с тепловым рассеиванием энергии), применяемый обычно при низких скоростях, может быть с успехом исключен благодаря широкому скоростному диапазону режима рекуперативного торможения (с помощью повышающего обратного преобразования ОК);

2) наличие звена выпрямленного стабилизированного повышенного напряжения с емкостным буфером позволяет использовать комбинированную систему распределения переменного и постоянного тока для оптимизации количества и энергоэкономичности преобразователей энергии;

3) в системе обеспечивается резервное («горячий резерв») питание электропривода в случае отказа ККМ, причем с сохранением режима рекуперативного торможения, т.е существенно повышается функциональная надежность.

К наиболее существенным недостаткам рассмотренной структуры можно отнести следующие:

1) последовательное двухкаскадное преобразование энергии (сниженный КПД);

2) наличие цепи для «сквозного сверхтока» при несанкционированном одновременном включении двух транзистров ОК (VT₁ и VT₂), например при воздействии помех или пробое одного из транзистров;

3) потенциальная возможность режима автоколебаний при наличии цепей отрицательной обратной связи в управляющем канале импульсной стабилизации выпрямленного напряжения на конденсаторном фильтре (С_1,2), требующая исследований на устойчивость;

4) недостаточно высокая верхняя граница скоростного диапазона для рекуперативного торможения может потребовать для ее повышения изменения схемы обратного питания ОК (для реализации понижающего режима) или вмешательства в схему возбуждения (для частичного развозбуждения при большой скорости);

5) практическая неприменимость схемы для наружного использования при питании от однофазной сети переменного тока из-за необходимости установки в этом случае энергоемкого нетермостойкого и ненадежного электролитического емкостного фильтра (С_1,2).

2. Принципиально новое решение

Исключить (или хотя бы существенно ослабить) перечисленные недостатки можно путем исключения промежуточного емкостного звена постоянного (пульсирующего) напряжения и реализации энергоэкономичного и компактного непосредственного преобразования электроэнергии.

На рис. 2 приведено запатентованное авторами принципиально новое схемотехническое решение ‑ система импульсного питания электропривода на базе трехфазного обратимого корректора коэффициента мощности с непосредственной связью (ОККМНС). Принятые на рис. обозначения: 1-якорная обмотка, 2-обмотка возбуждения, 3-4, 5-6, 7-8-двухключевые электронные (транзисторные) стойки, 9, 10, 11- дополнительные электронные (транзисторные) ключи, 12-13 и 14-15-двухвентильные стойки управляемого мостового выпрямителя, 16-17–конденсаторы, 18-балластные дроссели, 19-схема управления, 20, 21-парные секции обмотки возбуждения, 2, 22-входные фазные выводы питания, 23-вывод заземления, 24, 25, 26, 27-датчики напряжения и тока в цепях входных выводов и якорной обмотки.

Рассмотрим сначала работу устройства в режиме прямого питания (в двигательном режиме) во временном интервале полупериода питающего сетевого напряжения, при котором на входном выводе 22, ближайшем к выводу заземления 23, имеется положительный потенциал относительно последнего. Схема управления 19 в зависимости от полярностей и уровней сигналов датчиков напряжения 24, 26 и тока 25, 27 на данном полупериоде различает три следующих возможных варианта: 1) ток в якорной обмотке 1 направлен от вентильной стойки 12-13 к стойке 14-15, а величина якорной противо-ЭДС (напряжения) не превышает величины фазного сетевого напряжения (режим «прямоходового понижения напряжения»); 2) при том же направлении тока величина якорной противо-ЭДС больше величины фазного сетевого напряжения (из-за высокой скорости привода, т.е. режим «прямоходового повышения напряжения»; 3) ток в якорной обмотке имеет обратное направление (режим «инвертирования»). При этом схема управления реализует широтно-импульсную или релейно-пороговую модуляцию своих высокочастотных выходных импульсных сигналов.

В первом варианте (в режиме «прямоходового понижения») сначала включаются ключи 4, 9 и вентиль 13, после чего нарастает ток по цепи 22-18-4-21-13-1-23 и соответственно нарастает суммарное потокосцепление обмотки возбуждения 2 (за счет тока в её секции 21). Затем через промежуток времени ∆t (длительность импульса) ключ 4 выключается, а ключ 9 и вентиль 13 остаются открытыми, и включается вентиль 14. Так как суммарное потокосцепление обмотки возбуждения 2 скачкообразно спадать не может (в соответствии с электротехническим законом коммутации), то происходит частичное плавное спадание тока по цепи 20-9-21-13-1-14-20 в течение времени Тшим -∆t, где Тшим – период широтно-импульсной модуляции. При этом основная часть дозы электромагнитной энергии обмотки возбуждения 2, накопленное ею за время ∆t, передается якорной обмотке 1. одновременно с этим конденсаторы 16, 17 заряжаются за счет ЭДС самоиндукции и индуктивностей рассеяния секций 20, 21 и дросселя 18 по цепям 21-13-1-14-16-21 и 20-17-13-1-14-20, а также 22-18-3-17-13-1-23, защищая транзисторные ключи от коммутационных перенапряжений и обеспечивая непрерывность сетевого тока.

При очередном включении ключей 4, 9 и вентиля 13 энергия конденсаторов 16, 17, накопленная при их зарядке, передается секциям 20, 21 обмотки возбуждения по цепям их разряда: 16-20-9 и 17-9-21.

Во втором варианте (в режиме «прямоходового повышения») сначала включаются ключи 4, 9 и вентиль 15, и ток нарастает по цепи 22-4-21-15-23. затем ключ 15 выключается, а включается вентиль 13 и остается включенным ключ 4, после чего ток спадает по цепи 22-4-21-13-1-23, а конденсаторы 16, 17 заряжаются и т.д.

В третьем варианте (в режиме «инвертирования») также сначала включаются ключи 4, 9 и вентиль 15, и ток нарастает по той же цепи 22-4-21-15-23. затем ключ 4 и вентиль 15 выключаются, а включаются а включаются вентили 13,14 и ключ 9, и ток спадает по цепи: 21-13-1-14-20-9 и т.д.

При работе устройства суммарное потокосцепление обмотки возбуждения 2 однонаправлено пульсирует от нижних значений Ψmin до верхних Ψmax, сохраняя свою непрерывность.

Далее указанные процессы периодически повторяются с частотой ШИМ в пределах данного «положительного» сетевого фазного напряжения.

На втором полупериоде рассматриваемого фазного сетевого напряжения с отрицательным потенциалом на том же входном выводе 22 устройства относительно вывода заземления 23 также возможны три варианта, аналогичные рассмотренным.

В качестве примера рассмотрим один из них: ток в якорной обмотке 1 направлен от стойки 12-13 к стойке 14-15. В данном случае этот режим будет режимом «инвертирования».

Сначала включаются ключи 3, 9  и вентиль 14, и ток нарастает по цепи 23-14-20-3-22. Затем ключ 3 выключается, а вентиль 13 включается, и так спадает по цепи 20-9-21-13-1-14-20. одновременно с этим заряжаются конденсаторы 16, 17, которые затем отдают накопленную энергию секциям 20, 21 при очередном включении ключей 3, 9 и вентиля 14, и т.д.

При этом с помощью цепей обратных связей по входным токам и напряжениям и импульсной модуляции схемы управления производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока за счет регулирования соотношения положительного и отрицательного приращений суммарного потокосцепления секций обмотки возбуждения и синхронизации входных токов с фазными напряжениями сети.

Для реализации режима рекуперативного торможения или режима форсированного развозбуждения (гашения поля возбуждения) двигателя с помощью схемы управления 19 устройство переводится в режим обратного преобразования энергии (от электродвигателя в питающую сеть).

Для демонстрации расширения скоростного диапазона привода, при котором реализуется рекуперативное торможение с непосредственным возвратом энергии в сеть, рассмотрим два граничных случая: 1) случай малой скорости привода, при которой величина якорной ЭДС мала по сравнению с рассматриваемым «положительным» фазным напряжением практически на всем интервала полупериода и 2) случай большой скорости привода, при которой величина якорной ЭДС превышает даже амплитуду фазного напряжения. При этом в обоих случаях пусть датчик напряжения 26 в якорной цепи фиксирует положительный потенциал относительно вывода заземления 23.

В первом случае режим обратного преобразования (рекуперации) будет «прямоходовым повышающим», а во втором «прямоходовымм понижающим».

В первом случае сначала включается вентили 12, 15 и ключ 9, и ток нарастает по цепи 1-12-20-9-21-15-23, а затем ключ 9 и вентиль 15 выключаются, а включается ключ 3 и остается включенным вентиль 12, и ток спадает по цепи 1-12-20-3-18-22-23, возвращая в сеть часть энергии двигателя и дозу электромагнитной энергии, накопленной в обмотке возбуждения 2.

Во втором случае сначала включается вентиль 12 и ключ 3, и ток нарастает по цепи 1-12-20-3-18-22-23, а затем выключается вентиль 12, а остается открытым ключ 3 и включается вентиль 14, и ток спадает по цепи 20-3-18-22-23-14-20.

Таким образом рекуперативное торможения реализуется в максимально широком скоростном диапазоне привода.

Следует обратить внимание на возможность использования самых энергоэкономичных «прямоходовых» режимов преобразования с наименьшими тепловыми потерями, причем с непрерывностью сетевых токов (с наименьшими искажениями кривых тока).

Заключение.

1.         Рассмотрена возможность применения схемы Виенна – выпрямителя с коррекцией коэффициента мощности в системе импульсного питания коллекторного электропривода от трёхфазной сети переменного тока. Схема дополнена обратимым конвертором и обратимым выпрямительно-инверторным мостом для обеспечения режимов рекуперативного торможения и аварийного питания.

2.         Предлагается принципиально новое схемотехническое решение на базе обратимого корректора коэффициента мощности с непосредственной связью, не содержащего промежуточного емкостного звена постоянного напряжения.

3.         К основным достоинствам предложенной системы относятся:

– высокий КПД благодаря непосредственному преобразованию энергии и применению «прямоходовых» импульсных режимов модуляции;

– отсутствие цепей для «сквозного сверхтока» при несанкционированном включении или пробое транзисторов;

– отсутствие пульсаций выпрямленного напряжения, способных вызвать автоколебания в замкнутой системе регулирования и стабилизации;

– достаточно широкий скоростной диапазон для рекуперативного торможения, позволяющий повысить энергоэкономичность и отказаться от режима динамического торможения (с тепловым рассеянием);

– применимость схемы для наружного использования в широком температурном диапазоне даже при питании от однофазной сети, благодаря отсутствию энергоёмкого нетермостойкого и ненадёжного электролитического емкостного фильтра.

4.         Работа представляется полезной для широкого круга исследователей и разработчиков систем импульсного питания коллекторных электроприводов постоянного тока от промышленной или автономной, в частности – транспортной, системы электроснабжения переменного тока.

Список литературы

1. Резников С.Б., Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. 512 с.

2. Чаплыгин Е.Е., Во Минь Тьинь, Нгуен Хоанг Ан. Виенна-выпрямитель - трехфазный корректор коэффициента мощности // Силовая электроника (приложение к журналу «Компоненты и технологии»). 2006. №1. С. 20-23.

3. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с корректором коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2002. № 6. С. 5-15.