Активные компенсаторы пульсаций для мощных выпрямителей

УДК 621.316.721.1 М.С. Лурье, О.М. Лурье, Ю.С. Баранов

АКТИВНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ ПУЛЬСАЦИЙ ДЛЯ МОЩНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

В статье рассмотрен метод снижения пульсаций напряжения мощных выпрямителей для питания электрофизической аппаратуры, основанный на введении в цепь нагрузки компенсирующей ЭДС, равной по величине и противоположной по фазе напряжению пульсаций. Разработана имитационная математическая модель, приведены данные моделирования и даны рекомендации для проектирования таких устройств.

Ключевые слова: пульсации напряжения, компенсация, моделирование, имитационная модель.

M.S. Lurye, О.М. Lurye, Yu.S. Baranov ACTIVE COMPENSATORS OF RIPPLING FOR THE POWERFUL RECTIFIERS

Technique for decrease of voltage rippling in the powerful rectifiers for power supply of the electrophysical equipment, based on introduction in a load circuit of the compensating EDS, equal on size and opposite on a phase of pulsation pressure is considered in the article. The imitating mathematical model is developed; the modeling data and recommendations for designing such devices are given.

Key words: voltage rippling, compensation, modeling, imitating model.

В ряде научных и промышленных отраслей необходимы мощные источники питания магнитных систем (более 10 кВт) с малыми пульсациями тока и напряжения (менее 0,01%) и широким (до 100) диапазоном изменения тока в нагрузке.

Такие источники строятся, как правило, на управляемых выпрямителях (УВ) или широтно-импульсных преобразователях (ШИП).

На выходе УВ и ШИП всегда присутствуют пульсации напряжения, которые существенно возрастают при регулировании выходного напряжения преобразователей [1].

Недостатком ШИП является высокий уровень электромагнитных помех, которые нарушают работу расположенной поблизости электронной аппаратуры, что вынуждает принимать сложные меры по экранированию всего силового оборудования.

В УВ частота пульсаций и уровень гармоник выходного напряжения даже при глубоком регулировании значительно ниже, чем в ШИП, поэтому они создают меньше электромагнитных помех, но требуют специальных мер по снижению пульсаций напряжения и тока в нагрузке.

Нагрузкой в данных устройствах является мощный электромагнит с кованым или литым сердечником. Индуктивный характер нагрузки способствует снижению пульсаций тока, но наличие потерь энергии в цельном сердечнике и значительная индуктивность рассеяния приводят к тому, что реальная проводимость такой нагрузки для первой гармоники пульсаций может быть значительно больше, чем у идеальной активноиндуктивной цепи.

Так, например, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электромагнита ядерного магнитного анализатора на ток 100 А показана на рис. 1 (сплошная линия). Для сравнения пунктирной линией показана АЧХ идеальной активно-индуктивной цепи с теми же параметрами активного сопротивления и индуктивности. Там же приведена схема замещения электромагнита.

Рис. 1. АЧХ и схема замещения мощного электромагнита (RM- и LM-сопротивление и индуктивность обмотки электромагнита; LS- и RS-индуктивность рассеяния и эквивалентное сопротивление потерь

в сердечнике соответственно)

Как известно, использование пассивных фильтров для снижения пульсаций в мощных выпрямителях нецелесообразно, так как требует наличия дросселей со значительной индуктивностью и конденсаторов большой емкости.

В работе [1], а затем и [2], нами рассмотрена возможность применения так называемых компенсаторов пульсаций (КП), которые представляют собой генераторы переменной компенсирующей ЭДС, направленной против ЭДС пульсаций. Такие генераторы могут включаться параллельно и последовательно с нагрузкой. Можно показать [1], что в большинстве случаев, когда внутреннее сопротивление выпрямителя мало по отношению к сопротивлению нагрузки, предпочтительна последовательная схема КП, поэтому далее мы будем рассматривать только данную схему.

Для введения компенсирующей ЭДС в силовую цепь можно использовать трансформаторы. Основным недостатком последовательной компенсации ЭДС пульсаций являются необходимость применения выходного трансформатора, рассчитанного на полный ток нагрузки, и подмагничивание его сердечника. Поэтому трансформатор изготавливается с зазором или размагничивающей обмоткой.

В работе [2] подробно рассмотрены пассивные КП, состоящие только из трансформатора и конденсатора. Показано, что компенсаторы пульсаций по своим массогабаритным показателям могут заметно превосходить обычные фильтры, так как при тех же условиях имеют значительно больший коэффициент сглаживания.

Недостатком этих устройств является то, что большой коэффициент сглаживания пульсаций (до нескольких тысяч) может быть получен только в режиме резонанса напряжений первичной обмотки трансформатора.

При колебаниях частоты сети, изменениях тока нагрузки, что влечет изменения индуктивности обмоток трансформатора, вследствие нелинейности свойств магнитного сердечника (даже при его размагничивании специальной обмоткой) трансформатор КП выходит из резонанса и коэффициент сглаживания резко снижается. Для обеспечения устойчивой работы таких КП приходится снижать добротность резонансного контура. При этом настройка в резонанс сохраняется при небольших вариациях параметров, но падает коэффициент сглаживания, который в реальных условиях не превышает нескольких десятков.

Существует другой тип КП, который может быть назван активным (рис. 2) [1]. В нем напряжения пульсаций усиливаются усилителем переменного тока и с помощью трансформатора водятся в рабочую цепь в противофазе к пульсациям на нагрузке.

Активный КП представляет собой замкнутый автоматический контур (рис. 2,а). Напряжение пульсаций от датчика пульсаций ДП с инверсией проходит на вход усилителя У при (111=0), усиливается и через трансформатор ТР подается в цепь нагрузки в противофазе с напряжением пульсаций ТП. Конструктивно такой КП состоит из усилителя переменного тока У с конденсатором С на входе, трансформатора Тр с первичной обмоткой W1, компенсирующей обмоткой W2, включенной последовательно с нагрузкой, и обмотки размагничивания W3 с дросселем Др, как показано на рис. 2,б.

Нагрузка -------

У

=0

ф

СП

>

а

і_

го

X

у:

а б

Рис. 2. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы активного КП Мощность пульсаций равна

рП=и,2/г,,

где и - действующее значение первой гармоники пульсаций напряжения;

^ - полное сопротивление нагрузки на частоте первой гармоники пульсаций.

Поскольку мощность пульсаций составляет 1-0,01% мощности нагрузки на постоянном токе, то усилитель пульсаций может быть маломощным.

Основной проблемой при разработке активных КП является обеспечение равенства амплитуд компенсирующей и компенсируемой гармоник и сдвига фаз между ними 180°. Трансформатор КП, нагруженный электромагнитом на частоте первой гармоники из-за наличия потерь в обмотках и сердечнике, не является идеальным устройством. В качестве примера рассмотрим частотные характеристики, показанные на рис. 3, специально рассчитанного для КП трансформатора. Он выполнен на сердечнике ПЛ25х50х80 из стали 3425 толщиной ленты 0,05 мм. Первичная обмотка ^1) имеет 7 витков медного провода ПЭЛ-2 диаметром 1,1 мм, компенсирующая обмотка ^2) имеет 7 витков медной шины 6х8 мм по ГОСТ 434-78. Обмотка размагничивания ^3) содержит 700 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,1 мм.

Рис. 3. АЧХ и ФЧХ трансформатора КП в диапазоне частот 100-1000 Гц

Как видно из рис. 3, на частоте первой гармоники 300 Гц (для мостовой трехфазной схемы выпрямления) коэффициент трансформации составляет 0,912 и фазовый сдвиг между напряжениями первичной и компенсирующей обмоток 2°. Такие параметры, согласно [1], позволяют получить коэффициент сглаживания не более 15-20, что явно недостаточно. Целесообразней, дешевле и проще требуемые характеристики магнитных устройств получать не за счет их конструктивного выполнения, а за счет введения электронного усилителя, охватывающего трансформатор цепью отрицательной обратной связи (ООС). Такие устройства называются магнитоэлектронными [3].

Таким образом, охватывая трансформатор ООС по напряжению компенсирующей обмотки, можно значительно улучшить его амплитудно-частотные характеристики. Так, после введения усилителя с коэффициентом усиления 100, коэффициент трансформации и фазовый сдвиг приняли значения 0,9995 и 0,02° соответственно.

Питание размагничивающей обмотки удобнее всего осуществлять от генератора тока на ОУ с мощным выходным высоковольтным транзистором с параллельно включенным защитным диодом. В качестве входного сигнала генератора тока следует использовать напряжение, снимаемое с шунта или другого датчика тока, включенного последовательно с нагрузкой. Величина сопротивления шунта Яш определяется как

Rm=RM

РАЗМ

где RM - сопротивление обмотки электромагнита;

СОрАБ - число витков рабочей (вторичной) обмотки трансформатора КП;

СОрлзм ~ число витков размагничивающей обмотки.

Для анализа работы активного КП была разработана его имитационная модель в пакете Simulink программы Matlab. Ее схема приведена на рис. 4. Параметры трансформатора в модели соответствуют приведенным выше значениям. В качестве нагрузки принята схема замещения, приведенная на рис. 1 с параметрами, соответствующими показанной на данном рисунке АЧХ.

Модель состоит из стандартных блоков библиотеки SimPowerSystems: блока трехфазного источника питания Three-Phase Source, блока трехфазного трансформатора Three-Phase Transformer 12 Terminals, блока трехфазного мостового управляемого выпрямителя на тиристорах Universal Bridge с блоком управления, который вырабатывает импульсы, управляющие отпиранием тиристоров Synchronized 6-Pulse Generator. Последний блок синхронизирует выходные импульсы с сетью с помощью измерителей напряжения Vab, Vbc и Vca. Блок Ygol a служит для задания угла управления тиристорами.

Блоки Datchik Vn и Datchik In предназначены для измерения напряжения и тока нагрузки, а также их пульсаций. Блок Blok razm - блок системы размагничивания. Он отслеживает значение тока в нагрузке и

снижая полученное значение в СОРАШ /б)р4Б раз задает ток в обмотке размагничивания. Магнитоэлектронный трансформатор создан на основе блока многообмоточного трансформатора, блока управляемого источника напряжения CVS, измерителя напряжения на вторичной обмотке Vw3, сумматора Sumí и регулирующего усилителя цепи обратной связи P Controller с коэффициентом усиления 100.

Цепь ООС для снижения пульсаций напряжения образована пропорционально-интегральным (ПИ) регулятором PI Controller с коэффициентом усиления К=100 и постоянной интегрирования Т=5 с.

Рис. 4. Имитационная модель активного КП

Результат моделирования приведен на рис. 5 для номинального напряжения на нагрузке. Величина сглаживания пульсаций прямо пропорциональна коэффициенту усиления усилителя, включенного в цепь ООС.

Рис. 5. Результаты моделирования при номинальном токе нагрузки и коэффициенте усиления усилителя в цепи ООС К=100: а - пульсации напряжения на нагрузке без КП; б - пульсации тока в нагрузке без КП; в - пульсации напряжения на нагрузке с использованием КП; г - пульсации тока в нагрузке

с использованием КП

Как видим, пульсации напряжения при использовании КП снижаются в 200 раз, а пульсации тока - в 60 раз. Простой расчет показывает, что для получения того же результата с помощью обычных сглаживающих LC фильтров требуется фильтр с индуктивностью 0,0025 Гн и емкостью более 300000 мкФ.

При глубоком регулировании тока в нагрузке пульсации на выходе выпрямителя резко возрастают, поэтому были изучены и такие режимы работы. Здесь эффект от использования КП еще выше. Пульсации напряжения при использовании КП снижаются в 10000 раз, а пульсации тока в 4000 раз. Это объясняется более точной компенсацией напряжения пульсаций, так как трансформатор работает практически в режиме холостого хода и амплитудные и фазовые сдвиги между напряжением первичной и компенсирующей обмотки стремятся к нулю.

Таким образом, активные КП по своим показателям могут заметно превосходить обычные фильтры, в особенности в цепях питания сильноточных нагрузок относительно низкими напряжениями, так как при тех же условиях имеют значительно больший коэффициент сглаживания, чем обычные фильтры. Они имеют высокую надежность, просты по конструкции и в настройке.

Литература

1. Лурье М.С., Кривцов Ф.Н., Николаев В.П. Мощные стабилизаторы тока. - Л.: ЛДНТП, 1976. - 24 с.

2. Лурье М.С., Лурье О.М. Компенсаторы пульсаций для мощных выпрямителей // Оптимизация режимов работы электроприводов. - Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. - С. 5-9.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991. - 622 с.

'--------♦-----------