Применение схем матричных статических преобразователей электроэнергии для питания судовых потребителей

УДК 629.12-8.004.2 В. В. Павловский,

аспирант,

СПГУВК

ПРИМЕНЕНИЕ СХЕМ МАТРИЧНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ СУДОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

SCHEMES FOR THE MATRIX OF STATIC POWER CONVERTERS TO POWER THE SHIP’S CONSUMERS

Произведен системный анализ технологии и организации проектирования матричных преобразователей. Дается анализ реализаций двунаправленных ключей, используемых при построении матричных преобразователей. Описаны четырехтактные алгоритмы коммутации ключей трехфазного матричного преобразователя.

A systematic analysis of technology and design of matrix converters is made. The paper provides an analysis of implementations of bidirectional keys used in the construction of matrix converters. The four-key algorithms for switching of three-phase matrix converter are described.

Ключевые слова: преобразователь электроэнергии, статический преобразователь, непосредственный преобразователь частоты, трехфазный матричный преобразователь, двунаправленный ключ, АС-ключ, IGBT-транзистор.

Key words: electric energy transducer, static converter, direct frequency converter, three-phase matrix converter, bidirectional switch, AC-switch, IGBT-transistor.

Введение

Современные потребители электроэнергии функционально сложны и требуют нескольких питающих напряжений. Поэтому при использовании в электронике разнообразного оборудования его нужно снабжать необходимыми источниками электропитания, которые должны обеспечивать надежную безаварийную работу питаемых узлов. Получение таких напряжений возможно только при помощи преобразования первичного напряжения в переменное повышенной частоты, его трансформации, выпрямления и последующей фильтрации.

Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц, в виде постоянного тока (свыше 20 % всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой используемого оборудования, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии.

Преобразование электроэнергии может производиться различными способами. В частности, традиционным для электротехники является преобразование посредством элек-тромашинных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей, инерционность и др. Поэтому параллельно с развитием электромашинного преобразования в электротехнике большое внимание уделялось разработке способов статического преобразования электроэнергии. Большинство таких разработок основывалось на использовании управляемых силовых элементов электронной техники.

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

— выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);

— инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);

— преобразование частоты (преобразо-

Выпуск 3

Выпуск 3

вание переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).

Развитие силовой и микроэлектронной полупроводниковой элементной базы, появление новых материалов и схемотехнических решений привело к созданию статических преобразователей. Статические преобразователи — это преобразователи на основе полупроводниковых приборов. Известно множество различных схем преобразования электроэнергии. Одним из перспективных на сегодняшний день видов статических преобразователей являются преобразователи с матричной структурой (матричные преобразователи). Матричные структуры позволяют создавать эффективные преобразователи переменного тока.

Структура матричных преобразователей

Можно считать, что прототипом матричной структуры преобразователя являлись непосредственные преобразователи частоты НПЧ на тиристорах (получившие также название преобразователей частоты с непосредственной связью). Схема представлена на рис. 1.

Однако применение таких преобразователей ограничивалось условием повышенной на порядок частоты первичного источника энергии переменного тока по сравнению с частотой выходного напряжения.

Матричная структура обеспечивает преобразование параметров источника переменного тока (амплитуды и частоты) в напряжение, необходимое для питания нагрузки, без накопления энергии в промежуточном звене постоянного тока. Такие преобразователи относятся к системам прямой передачи

энергии. Отсутствие больших конденсаторов звена постоянного тока, занимающих от 30 до 50 % объема инвертора, позволяют создавать малогабаритные преобразователи. Более того, они могут работать в более широком диапазоне температур и иметь более долгий срок службы, так как отсутствуют электролитические конденсаторы, уязвимые при высоких температурах.

Топология матричных преобразователей впервые была представлена в 1976 г. Лазло Гюги, но основная конфигурация и управление трехфазным матричным преобразователем была предложена в 1980 г. профессором М. Вентурини.

Трехфазный матричный преобразователь состоит из 9 двунаправленных ключей ^Аа^сс, связывающих выходные фазы А, В, Сс соответствующими входными фазами а, Ь, с (рис. 2).

а

о—

А

В

с:

Рис. 2. Структура матричного преобразователя

и*

Рис. 1. Схема преобразователя частоты с непосредственной связью

По определению двунаправлен-

ный ключ — это ключ, который способен проводить ток и блокировать напряжение обоих полярностей в зависимости от управляющего сигнала.

Рис. 3. Виды двунаправленных ключей: а — диодный мостовой ключ; б — антипараллельное включение ЮВТ с последовательным диодом; в — антипараллельное включение ЮВТ с блокировкой обратного напряжения

Двунаправленный ключ представляет собой комбинацию обычных однонаправленных полупроводниковых приборов (рис. 3).

Диодный мостовой ключ требует использования одного управляемого прибора (обычно IGBT) и соответственно одного драйвера управления (рис. 3, а). Очевидным недостатком такого ключа является последовательное включение трех приборов, что увеличивает суммарные статические потери в ключе. Кроме того, транзистор создает цепь проводимости тока при обеих полярностях напряжения источника и, следовательно, не может управлять отдельно направлениями тока. Когда ток меняет знак, автоматически коммутируются противоположные диоды моста. В силу конечного времени запирания диодов невозможно определить время, когда можно включать транзистор второго моста для обеспечения тока нагрузки.

Антипараллельное включение транзисторов представляет вторую конфигурацию двунаправленного ключа. Встречно-параллельное включение обычных IGBT требует дополнительных последовательно включенных диодов в цепи коллекторов транзисторов (рис. 3, б). Это необходимо, так как обычные IGBT, выполненные по КРТ- структуре, могут блокировать обратное напряжение не выше 20 В. Новые структуры RB-IGBT (Reverse Blocking IGBT) ключей позволяют исключить диоды и иметь симметричные вольт-ампер-ные характеристики при обеих полярностях напряжения (рис. 3, в). Основным преимуществом такого двунаправленного ключа

является уменьшение числа полупроводниковых приборов и, следовательно, снижение потерь на проводимость, так как только один прибор проводит в данное время.

Так как между входной и выходной частью матричного преобразователя отсутствуют компоненты накопления энергии в промежуточном звене постоянного тока, то выходное напряжение генерируется непосредственно из входного напряжения. Каждый сигнал выходного напряжения синтезируется посредством последовательно-кусочной выборки сигнала входного напряжения. Частота выборки должна быть много выше частоты входа и выхода. Длительность каждой выборки должна контролироваться таким образом, чтобы среднее значение выходного сигнала лежало в пределах периода квантования выборки и удовлетворяло желаемому результату.

Алгоритмы коммутации двунаправленных ключей

Проблема производства матричных преобразователей связана со сложностью реализации алгоритма коммутации двунаправленных ключей. Для этого необходимо определить время переключения ключей и алгоритм их синхронизации.

В общем случае при организации коммутации необходимо обеспечить следующие условия:

— входные фазы не должны быть замкнуты;

— не допускается разрыв цепи выходного тока.

Выпуск 3

На практике возможны стратегии управления ключами, основанные на четырехтактной коммутации с определением знака выходного тока и четырехтактной коммутации с определением знака входного напряжения.

При четырехтактной коммутации, основанной на определении знака тока выходной фазы, возможные состояния двух ключей (четырех транзисторов, рис. 4) для двух входных фаз представлены в табл. 1.

Рис. 4. Пример коммутации двух двунаправленных ключей

В таблице показаны возможные комбинации состояния транзисторов ключей при определении знака тока (1 соответствует включенному транзистору и 0 — выключенному транзистору двунаправленных ключей).

Таблица 1

3 к су п ы В

26 ]

Состояния 1-2 являются безусловными, так как они могут существовать независимо от знака тока; а состояния 3-8 — условными, так как они зависят от знака тока (что указано в правой колонке табл. 1). Все процессы

Номер состояния транзисторов 81 82 Знак тока

УТ1 УТ2 УТ3 УТ4

1 1 1 0 0 +/-

2 0 0 1 1 +/-

3 1 0 0 0 +

4 0 1 0 0 -

5 0 0 1 0 +

6 0 0 0 1 -

7 1 0 1 0 +

8 0 1 0 1 -

коммутации начинаются и заканчиваются безусловными состояниями и выполняются в виде некоторой последовательности условных состояний.

Для того чтобы на выходе ток I был положительный (I > 0), необходимо произвести последовательность коммутаций транзисторов (см. рис. 4), состоящую из следующих шагов:

— транзистор УТ1 — закрыт;

— транзистор УТ4 — открыт;

— транзистор УТ2 — закрыт;

— транзистор УТ3 — открыт.

Если требуется получить ток ^ отрицательный (!0 < 0), то последовательность будет следующая:

— транзистор УТ2 — закрыт;

— транзистор УТ3 — открыт;

— транзистор УТ1 — закрыт;

— транзистор УТ4 — открыт.

При четырехтактной коммутации, основанной на определении знака входного напряжения, необходимо определить, находится ли выключаемый ключ при более высоком или более низком напряжении относительно включаемого ключа. Возможные состояния двух ключей (четырех транзисторов) для двух входных фаз представлены в табл. 2 (1 соответствует включенному транзистору и 0 — выключенному транзистору двунаправленных ключей).

Таблица 2

Номер состояния транзисторов 81 82 Знак тока

УТ1 УТ2 УТ3 УТ4

1 1 1 0 0 +/-

2 0 0 1 1 +/-

3 1 1 1 0 +

4 1 1 0 1 -

5 0 1 1 1 +

6 1 0 1 1 -

7 0 1 1 0 +

8 1 0 0 1 -

Заключение

Топология матричных преобразователей была известна еще 20 лет назад, и с тех пор их считают удобным решением для различного рода задач. Матричные АС/АС-преобразователи являются непосредственными

преобразователями переменного тока с одними характеристиками в переменный ток с другими характеристиками. Трехфазный матричный преобразователь состоит из 9 двунаправленных ключей, связывающих выходные фазы с соответствующими входными фазами.

Матричные преобразователи имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными преобразователями частоты выпрямительно-инверторного типа:

— обеспечение синусоидального входного и выходного сигнала с минимальными гармониками высокого порядка и субгармониками;

— способность проводить поток энер-

гии в двух направлениях;

— возможность полного контроля коэффициента мощности.

Недостатком матричного преобразователя является то, что его аппаратная реализация и алгоритмы управления намного сложнее, чем у традиционного. Для его построения требуется гораздо большее число силовых модулей, и эта проблема будет решена только тогда, когда промышленность начнет выпускать интегральные управляемые АС-ключи. Необходимо также отметить, что матричный преобразователь чрезвычайно чувствителен к искажениям и перекосу фаз входного напряжения.

Список литературы

1. Matteini M. Control Techniques for Matrix Converter Adjustable Speed Drives: PhD Thesis / M. Matteini. — Italy: University of Bologna, 2001.

2. Климов В. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей / В. Климов, С. Климова // Силовая электроника. — 2008. — № 4.

3. Сидоров С. Матричный преобразователь частоты — объект скалярного управления / С. Сидоров // Силовая электроника. — 2009. — № 3.

4. Колпаков А. Технология построения силовых модулей IGBT-NPT, Trench, SPT... Что дальше? / А. Колпаков // Силовая электроника. — 2006. — № 3.

5. http://www.power-e.ru/ — официальный сайт журнала «Силовая электроника».

6. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/index.htm — статьи по силовой электронике.

УДК 658.512 А. В. Саушев,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК

АНАЛИТИЧЕСКИЙ И ПОИСКОВЫЙ МЕТОДЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПО КРИТЕРИЮ ЗАПАСА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ANALYTICAL AND SEARCH METHODS OF PARAMETRICAL OPTIMIZATION OF TECHNICAL SYSTEMS BY CRITERION OF THE WORKING CAPACITY MARGIN 427

Рассматриваются аналитический и поисковый методы параметрического синтеза технических систем, для которых известна информация о границе области работоспособности в виде совокупности граничных точек. Методы основаны на использовании механической и электрической аналогий и позволяют получить решение по критерию запаса работоспособности системы.

Выпуск 3