 |
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
для питания
многоуровневых инверторов
 Юрий Кумаков, соискатель степени к.т.н.,
Саратовский государственный технический университет Перспективным направлением в развитии вентильных преобразователей частоты на основе автономных инверторов напряжения является применение схем с многоуровневой модуляцией выходного напряжения. Об одной из разработок в этой области – инверторах напряжения с мультиуровневой модуляцией – Юрий Александрович Кумаков уже рассказывал в нашем журнале («Новости ЭлектроТехники» № 6(36) 2005).
При разработке и внедрении многоуровневых схем возникает необходимость одновременного получения нескольких уровней постоянного напряжения для питания инвертора. В сегодняшнем материале автор рассматривает вопросы, связанные с применением для этой цели импульсных регуляторов постоянного напряжения.
В последние годы схемы вентильных преобразователей частоты на базе автономных инверторов напряжения (АИН) с многоуровневой ступенчатой модуляцией (СМ) или многоуровневой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения получают всё более широкое распространение. С ростом числа уровней становится возможным формировать ступенчатое напряжение, которое аппроксимирует синусоидальное напряжение с точностью, определяемой числом уровней. В результате появляется возможность уменьшить потери мощности и снизить частоту ШИМ (если она применяется), а также существенно улучшить гармонический состав выходного напряжения АИН. Эти эффекты становятся более значимыми с увеличением числа уровней выходного напряжения [1].
При разработке и внедрении многоуровневых схем появляется необходимость одновременного получения нескольких уровней постоянного напряжения для питания инвертора. В отдельных случаях этого удается достичь исключительно за счет схемных решений при использовании только одного источника питания (ИП) [2]. В остальных случаях возникает необходимость одновременного применения нескольких ИП постоянного тока или напряжения.
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПИТАНИЯ АИН
Одним из перспективных направлений развития многоуровневых преобразователей стало использование многоячейковых структур. Каждая ячейка такой структуры состоит из однофазных мостовых преобразователей, выполненных на полностью управляемых ключах. Все ячейки соединяются последовательно на стороне переменного тока в каскады (преобразователи с такой схемой называются также каскадными). Ячейки получают питание от изолированных ИП постоянного тока, в общем случае имеющих разное напряжение [1, 2].
Другим шагом стала разработка АИН с мультиуровневой модуляцией, большое число уровней выходного напряжения которых достигается за счет особого способа трансформаторного суммирования напряжений двух мостов. Однако АИН с мультиуровневой модуляцией также требуют наличия нескольких ИП. Например, АИН с 24-уровневой модуляцией требует трех, с 40-уровневой – четырех, с 60-уровневой – пяти ИП [3, 4].
В некоторых случаях для этой цели можно использовать несколько двухобмоточных трансформаторов, каждый из которых соединен с неуправляемым выпрямителем. Этот способ вполне приемлем, однако стоимость подобного устройства может быть очень высокой.
Возможно и одновременное использование нескольких управляемых выпрямителей, имеющих на выходах разные уровни напряжения. Однако серьезным недостатком такого способа является импульсное потребление тока из входной сети, во многих случаях приводящее к искажению формы кривых напряжения и таким образом к ухудшению работы всех потребителей электроэнергии в той же сети.
Эту проблему часто решают путем замены группы управляемых выпрямителей на группу импульсных регуляторов постоянного напряжения (ИРПН)1 , питающихся от одного или от нескольких неуправляемых выпрямителей, снабженных LC-фильтром. Такой способ позволяет достичь потребления практически синусоидального тока из входной сети с cos j, близким к 1. Схемы с ИРПН имеют высокий КПД; наличие трансформаторов в них не требуется, однако по сравнению с трансформаторными ИП необходимы конденсаторы большой емкости как в самих ИРПН, так и в неуправляемом выпрямителе.
1 ИРПН также называют импульсными стабилизаторами напряжения (ИСН).
ТИПЫ ИРПН
Наиболее известными являются ИРПН трех типов:
- понижающего (Uвых меньше Uвх);
- повышающего (Uвых больше Uвх);
- инвертирующего (Uвых имеет произвольную величину, но обратно Uвх по знаку).
Все три типа ИРПН (рис. 1, а, б, в) состоят из индуктивности (накопительного дросселя) L, регулирующего транзистора T, работающего в ключевом режиме, блокировочного диода VD, фильтрующего конденсатора C, системы управления СУ, формирующей сигналы управления ключом T, а также вспомогательного вольтметра V. Отличия состоят в порядке включения в схему перечисленных элементов и соответственно в алгоритме управления, заложенном в СУ. Принципы их работы описаны, например, в [5, 6].
Наибольшее распространение получил ИРПН понижающего типа, в котором накопительный дроссель L одновременно является элементом сглаживающего LC-фильтра. В ИРПН повышающего и инвертирующего типов дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения, которое достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.
Рис. 1
Схема ИРПН: а) понижающего типа,
б) повышающего типа,
в) инвертирующего типа
a)
б)
в)
СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ИРПН
Оптимальным алгоритмом управления ключом T для ИРПН любого типа является применение ШИМ, поскольку:
- обеспечиваются высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания Uвх и тока нагрузки;
- частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;
- реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИРПН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИРПН от общего первичного источника постоянного тока.
Последнее дает возможность питать несколько ИРПН от одного неуправляемого выпрямителя с LC-фильтром [5].
Вольтметр V и система управления (СУ) часто выполняются на аппаратной элементной базе. В таком случае эти два узла для каждого отдельного ИРПН включают в себя делитель напряжения, источник опорного напряжения, сравнивающий элемент, усилитель рассогласования, формирователь синхронизирующего напряжения (задающий генератор) и пороговое устройство, осуществляющее формирование модулированных по длительности импульсов.
Современная техника позволяет использовать в качестве СУ промышленный микроконтроллер (МК). На рынке МК можно найти кристаллы со встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и ШИМ-модуляторами. Тогда единственным элементом в цепи управления, помимо СУ, будет вольтметр V, представляющий собой делитель напряжения (или, в зависимости от возможностей выбранного кристалла, делитель напряжения и внешний АЦП).
Преимущества МК особенно очевидны, когда один МК обслуживает несколько ИРПН (что актуально в системе питания многоуровневого АИН). Тогда для каждого ИРПН независимыми элементами являются лишь делители напряжения, что приводит к снижению стоимости устройств. Плюсом МК является и возможность прямо в ходе работы гибко настраивать алгоритм управления одним или всеми ИРПН. Например, можно легко повысить или понизить частоту ШИМ в зависимости от чувствительности нагрузки к пульсациям выходного напряжения АИН.
Из-за высокой частоты нескольких ШИМ, скважность каждого импульса которых контролируется, дополнительные задачи возлагать на МК, управляющий несколькими ИРПН, нежелательно.
МЕТОДИКИ УПРАВЛЕНИЯ ИРПН
Традиционно управление ИРПН осуществляется таким образом, чтобы ток через дроссель L был непрерывным. Тогда внешние и регулировочные характеристики ИРПН при непрерывном токе являются линейными. При прерывистом токе они нелинейны, а регулировочные характеристики [6] еще и неоднозначны. Кроме того, расчеты режима прерывистого тока более сложны, чем непрерывного.
При выборе режима работы ИРПН для питания АИН необходимо учитывать, что для обеспечения режима непрерывного тока ИРПН индуктивность дросселя должна быть достаточно велика, причем её размер возрастает с уменьшением пульсаций входного тока и выходного напряжения. Однако спецификой АИН как нагрузки ИП является импульсный характер потребления тока со скачкообразным изменением от нуля до рабочего значения и наоборот, что обусловлено вентильным распределением энергии в инверторах напряжения. Накопление значительной энергии в дросселе может привести к всплескам выходного напряжения в моменты отключения вентиля и просадке напряжения в моменты его включения. Поэтому при питании АИН более оптимальным является режим прерывистого тока дросселя, для осуществления которого требуется меньшая индуктивность дросселя.
Итак, преимуществами прерывистого режима ИРПН являются: отсутствие всплесков напряжения при питании импульсной нагрузки и меньший номинал дросселя при том же значении максимального тока ИРПН, отсутствие колебаний выходного напряжения длительностью более одного-двух тактов ШИМ. Недостаток – увеличение емкости конденсатора C. Минусы, связанные с нелинейностью характеристик, при микропроцессорном управлении ИРПН большого значения не имеют.
РАСЧЕТ СХЕМ ДЛЯ РЕЖИМА ПРЕРЫВИСТОГО ТОКА
Исходными (задаваемыми) параметрами ИРПН являются входное и выходное напряжения ИРПН Uвх и Uвых, максимальный ток Imax, потребляемый нагрузкой, и предельная величина пульсаций Uвых при токе Imax, которую можно обозначить DUmax. При питании многоуровневого АИН значения Uвх и Uвых являются постоянными.
При реализации схемы ИРПН необходимо, отталкиваясь от значений этих четырех величин, рассчитать значения частоты переключения ключа T в режиме ШИМ TШИМ, емкости конденсатора C, индуктивности дросселя L и найти оптимальный алгоритм расчета величины Q – скважности (коэффициента заполнения) импульса ШИМ, равной отношению времени открытия ключа T к длительности одного периода ШИМ. Поскольку величины TШИМ, C и DUmax непосредственно связаны между собой, то одна из величин TШИМ и C может быть задаваемой, а значение второй должно рассчитываться по заданному параметру и величине DUmax.
РАСЧЕТ ЕМКОСТИ C И ЧАСТОТЫ TШИМ
Из рис. 1 видно, что конденсатор C, формирующий выходное напряжение Uвых и сглаживающий пульсации, обусловленные импульсным характером работы ключа, является одинаковым элементом ИРПН всех типов. Поэтому расчет емкости C или величины TШИМ для ИРПН всех типов выполняется одинаково. При этом целесообразно отталкиваться от максимальной величины пульсаций выходного напряжения DUmax в режиме прерывистого тока индуктивности. Для случая, когда задаваемой величиной является частота TШИМ, а вычисляемой – C, емкость C можно рассчитать по формуле:
 | (1) |
что является минимальной емкостью, при которой величины пульсаций напряжения при токе не выше номинального (Imax) не превысят DUmax. Например, если для ИРПН мощностью 165 кВт (3,3 кВ,
50 А) взять DUmax = 30 В (коэффициент пульсаций при этом составит менее 1%), а TШИМ = 20 кГц, то величина C составит 83 мкФ.
Иногда размер емкости может быть искусственно увеличен, если она, помимо сглаживания пульсаций постоянного напряжения, используется для других целей. Например, выходные конденсаторы ИРПН могут использоваться также для возврата реактивной мощности нагрузки, питаемой АИН, как это сделано в мультиуровневых АИН [3, 4]. Существуют различные методики оценки емкости, необходимой для возврата реактивной мощности. Однако если рассчитанная по ним величина C превышает значение, полученное по формуле (1), то имеет место второй случай, когда величина C становится задаваемой. Тогда выгодно понизить частоту ШИМ до такого минимального значения, при котором пульсации выходного напряжения не превысят DUmax. Это легко сделать, преобразовав формулу (1) к виду:
 | (2) |
Стоит, однако, заметить, что увеличение емкости C сказывается на стоимости устройства. Поэтому в некоторых случаях, если это допустимо, целесообразно расчет C производить по формуле (1), а возврат реактивной мощности осуществлять не в емкость C, а во входную сеть. Для этого необходима схемная доработка ИРПН – добавление цепи, отвечающей за рекуперацию избыточной энергии. Два варианта доработки ИРПН понижающего типа до реверсивного по току рекуперативного ИРПН приведены на рис. 2.
В неуправляемом варианте (рис. 2, а) диод DR1 препятствует протеканию обратного тока через емкость, а диод DR2 направляет обратный ток в цепь источника питания. Такой вариант более прост в реализации, но имеет ряд недостатков, например, в некоторых случаях он может приводить к перенапряжениям нагрузки.
Более приемлемым является управляемый вариант (рис. 2, б). При превышении напряжением емкости C требуемого значения Uвых система управления СУ с помощью управляемого ключа TR (при закрытом ключе T) производит накопление энергии в дросселе L, после чего при размыкании ключа накопленная энергия через диод DR поступает в сеть входного источника питания. Процесс повторяется с частотой, сравнимой с TШИМ или равной ей, до тех пор, пока напряжение емкости не достигнет допустимых значений.
Рис. 2. Схемы рекуперативных ИРПН понижающего типа
а) неуправляемого,
б) управляемого
Расчет индуктивности L
Следующим шагом при расчете схем ИРПН является получение значения индуктивности L. Из рис. 1 следует, что для ИРПН понижающего типа как ток зарядки, так и ток разрядки дросселя L протекает на землю через емкость C. Для ИРПН повышающего и инвертирующего типов ток разрядки дросселя протекает через емкость, а ток зарядки – нет. Поэтому методики расчета величины L отличаются.
ИРПН повышающего и инвертирующего типов
Рассмотрим сначала расчет индуктивности L для ИРПН повышающего и инвертирующего типов. Допустим, емкость C, заряженную в текущий момент до напряжения UC, необходимо дозарядить за один период ШИМ до требуемого напряжения Uвых. Разница заданного и текущего напряжений при этом составляет dUC = Uвых– UC. Тогда величины L и Q для этих типов ИРПН в режиме прерывистого тока будут связаны приближенной формулой:
 | (3) |
Предполагается, что за время замыкания ключа реальное значение входного напряжения Uвх существенно не изменится, ток через индуктивность в момент замыкания ключа равен нулю, а величина dUC не превышает DUmax, причем DUmax значительно меньше требуемого выходного напряжения Uвых. Полученная формула связывает величины Q и L, поэтому, чтобы выразить одну из этих величин, необходимо определить значение второй. Для того чтобы оценить значение L, зададим номинальную скважность Q0 для некоторой величины (dUC)0 (важно, чтобы выбранное значение Q0 не приводило к переходу в режим непрерывного тока дросселя). Например, при отклонении (dUC)0 = DUmax скважность Q0 можно выбрать равной 0,3 или 0,4. Тогда, определяя L из формулы (3), получаем окончательное выражение:
 | (4) |
ИРПН понижающего типа
Расчеты для ИРПН понижающего типа в целом аналогичны, за исключением того, что, как отмечалось выше, заряд емкости C в этом типе ИРПН происходит как при накоплении, так и при отдаче энергии дросселя L. Поэтому для ИРПН понижающего типа формула, связывающая L и Q в режиме прерывистого тока, выглядит так:
 | (5) |
Видно, что отличие формулы (5) от формулы (3) состоит в методике расчета величины K. Применяя метод оценки L, использованный для получения формулы (4), находим:
 | (6) |
Получение регулировочной характеристики
Последним шагом при расчете ИРПН является получение зависимости Q от dUC для заданных TШИМ, L и C из формулы (3) или (5):
 | (7) |
Подставив в эту формулу значение L, рассчитанное соответственно по формуле (4) или (6), после сокращения получаем формулу для расчета скважности (коэффициента заполнения) импульса ШИМ:
 | (8) |
Эта формула является регулировочной характеристикой ШИМ. Стоит сделать оговорку, что Q теоретически не может превышать 1, следовательно, если рассчитанное значение в какой-то момент превышает 1, необходимо принять его равным 1. На практике рекомендуется ограничить Q значением 0,7–0,9 для предотвращения чрезмерного нарастания тока через индуктивность (рис. 3).
Рис. 3. Зависимости Q от dUC при разных Q0.
Все (dUC)0 = 1 В; Qmax = 0,9
Как отмечалось выше, статическая регулировочная характеристика при непрерывном токе дросселя является линейной; при прерывистом токе, как видно из формулы (8) и рис. 3, она нелинейная, однако управляющий МК легко может хранить её в виде таблицы (достаточно 50–100 значений). ИП с таким алгоритмом управления хорошо переносит импульсную нагрузку, не давая просадки или всплеска напряжения в начале или в конце импульсов выходного тока. На рис. 4 представлены результаты моделирования установившегося режима в ИРПН понижающего типа.
Рис. 4. Процессы в ИРПН понижающего типа в установившемся режиме.
Uвх = 180 В; Uвых = 60 В; ток нагрузки 6 А; TШИМ = 100 кГц
Особенности пуска ИРПН
Приведенные выше расчеты регулировочной характеристики пригодны лишь для установившегося режима работы ИРПН. Особым случаем является пуск ИРПН, при котором напряжение UC изначально равно нулю. В этом случае применение алгоритма для любого типа ИРПН приведет к чрезмерному накоплению энергии в дросселе L, что в свою очередь вызовет значительный всплеск напряжения емкости C после достижения на ней заданного значения Uвых и отключения вентиля T.
Проблема решается двумя путями. Первый состоит в том, что после включения питания управляющий МК должен ограничить максимальную скважность Qmax значениями 0,2–0,3 до тех пор, пока напряжение емкости не станет приблизительно равным Uвых. Но лучший способ – запретить на время зарядки C работу АИН, добившись таким образом обнуления выходного тока, при этом Q0 (при (dUC)0 = DUmax) на время зарядки C ограничивается значениями порядка 0,1 или менее.
На рис. 5 представлены результаты моделирования пуска ИРПН понижающего типа при отключенной нагрузке. Видно, что применение описанного алгоритма позволяет избежать сильного всплеска выходного напряжения и последующих колебаний выходного напряжения после достижения заданного значения Uвых.
Процессы в реальных сетях могут отличаться от изображенных на рис. 5 в связи, например, с ограничением значения входного тока ИРПН. В последнем случае процесс зарядки емкости удлиняется.
Рис. 5. Процессы в ИРПН понижающего типа в режиме пуска без нагрузки и в момент после включения нагрузки.
Uвх = 180 В; Uвых = 60 В; ток нагрузки 6 А;
TШИМ = 10–5 с; Q0 (пусковое) = 0,08; Q0 (рабочее) = 0,6
Выводы
1. Все типы ИРПН пригодны для питания многоуровневых АИН. Тип ИРПН для питания конкретных АИН может выбираться исходя из соотношения Uвх и Uвых, а также из рассчитываемых индуктивностей дросселя L для разных модификаций ИРПН.
2. При питании многоуровневых АИН оптимальным является режим прерывистого тока дросселя, поскольку ИП на базе такого ИРПН лучше приспособлен для питания импульсной нагрузки (отсутствуют всплески и просадки выходного напряжения в начале и в конце импульсов выходного тока). Кроме того, режим прерывистого тока позволяет избежать нежелательных колебаний напряжения длительностью более одного-двух тактов ШИМ.
3. Управление несколькими ИРПН одного АИН целесообразно возлагать на один управляющий МК, оснащенный нужным числом АЦП и ШИМ-модуляторов. Управляющий МК должен предусматривать специальный режим пуска ИРПН с целью предотвращения перенапряжений нагрузки.
Литература
Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока // Электротехника. – 2004. – № 8. – С. 30–36.
2. Лазарев Г. Л. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 2(32).
3. Кумаков Ю.А. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 6(36).
4. Кумаков Ю.А. Инвертор напряжения с мультиуровневой модуляцией: Патент РФ на полезную модель: МПК8 Н 02 М 7/48 / Автор и заявитель Кумаков Ю.А.; заявка № 2006114517/17 от 27.04.2006.
5. Импульсные стабилизаторы // Электроника и микросхемотехника [Электронный ресурс]: Интернет-учебник / Винницкий гос. тех. ун-т, институт АЭКСУ, каф. МПА; под ред. к.т.н. Ю.В. Шабатуры. – http://faksu.vstu.vinnica.ua/SiteNEV/rus/erectronic_inter/ew2/ch2-3/12_4.htm.
6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – Ч. 2 – С. 9–31.
| 
|
