Вентильный магнитоэлектрический генератор с коррекцией входного коэффициента мощности его выпрямителя
VALVE MAGNETOELECTRIC GENERATOR WITH INPUT POWER FACTOR CORRECTION OF ITS RECTIFIER

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении систем электроснабжения, как промышленных производств (которые характеризуются пониженным значением входного коэффициента мощности, например, в металлургических комбинатах, трансформаторно-выпрямительных устройствах повышенной мощности (порядка нескольких МВА и более), например, для питания сталеплавильных электропечей), так и различного рода автономных подвижных и стационарных объектов.
Входной коэффициент мощности определяется следующим известным выражением:
1
1(1)
1(1)
где I, I - действующие значения полного фазного тока (потребляемого из сети) и его основной гармоники (соответственно), a ϕ - угол сдвига по фазе основной гармоники этого тока относительно основной гармоники фазного напряжения.
Из соображений энерго- и ресурсосбержения значение коэффициента (I) χ стремятся сделать близким к единице. Решение этой задачи сегодня в принципе может обеспечиваться, например, четырехквадрантным преобразователем - ЧКП (который в данном его применении обозначается также, как активный выпрямитель - АВ), описанным, например, на стр. 46 в книге: Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемом электроприводе переменного тока. - Новоуральск: Изд.-о НГТИ, 2001.250 с.
1(1)
Силовая часть ЧКП выполнена на базе схемы трехфазного инвертора напряжения с формированием потребляемого из сети тока с малыми искажениями, т.е. с формой, близкой к синусоидальной, и с углом ϕ=0. Обеспечивает этот режим работы ЧКП блок управления (БУ), реализующий переключение его ключей по алгоритму широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для обеспечения требуемого режима потребления из сети тока (с χ≈1) используются датчики фазных напряжений сети и потребляемых из нее токов, а для стабилизации выпрямленного напряжения и защиты от перегрузок по току - контуры отрицательной обратной связи по напряжению и по току соответственно (также на базе датчиков напряжения и тока).
К недостаткам этого решения следует отнести достаточную сложность его силовой части (минимум 6 полностью управляемых ключевых элементов (УКЭ), например, транзисторов, плюс 6 драйверов к ним), и достаточно сложный блок управления. Эти недостатки могут проявляться в пониженной функциональной надежности ЧКП. Кроме этого, решение имеет ограниченные возможности для преобразования повышенных уровней мощностей, которые определяются мощностными возможностями реально располагаемой элементной базы.
Значительно ослабить указанные недостатки позволяет более простое техническое решение активного выпрямителя (АВ), описанное, например, на стр. 602 книги [1]: Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. - Новосибирск: Изд.-о НГТУ, 2009. - 672 с.
Силовая часть этого АВ содержит трехфазный выпрямительный мост (ВМ) на 6 диодах и три дросселя переменного тока, одни концы которых подключены к трем силовым входным выводам ВМ, а другие концы образуют входные силовые выводы АВ для подключения их к генерирующей сети. Между выходными выводами ВМ включен полностью управляемый ключевой элемент (УКЭ), а параллельно ему подключена цепочка из последовательно соединенных разделительного диода и накопительного конденсатора, обкладки которого образуют выходные выводы АВ для подключения к ним нагрузки. Это известное устройство содержит также 3-х фазный Г-образный LC фильтр, выходные выводы которого подключены к входным силовым выводам АВ, а входные его выводы предназначены для подключения их к сети. Принцип построения блока управления АВ (описанный на стр. 602, 603 книги [1] на уровне информации о временной диаграмме процесса формирования потребляемого из сети тока), чрезвычайно прост: он должен содержать лишь генератор импульсов (со скважностью s-2), выход которого предназначен для подключения его (через драйвер) к управляющему входу указанного УКЭ. Вопрос регулирования (стабилизации) выпрямленного напряжения в указанной работе не рассматривается.
Данное решение в принципе может быть применено к генерирующей сети любого типа - как к промышленной сети, так и к автономной электрической машине в генераторном режиме. По технической сущности это решение является наиболее близким к предлагаемому изобретению и поэтому оно принято за прототип.
К его недостаткам следует отнести, прежде всего, принципиально разрывный характер потребляемого из сети тока, что характеризует достаточно большие его искажения и, следовательно, низкий (т.е. плохой) уровень его электромагнитной совместимости. Так что здесь входной коэффициент мощности χ≈0,7÷0,8 (в лучшем случае). Для ослабления этого недостатка на входе АВ используется вышеуказанный LC фильтр, что заметно ухудшает массогабаритные показатели устройства. Кроме того, данное решение принципиально (по замыслу функционирования) не предусматривает регулирование (стабилизацию) выходного напряжения при возмущающих воздействиях по току нагрузки. Это резко ограничивает область рационального применения такого АВ. При этом остается не решенным также вопрос наращивания уровня преобразуемой мощности при использовании ограниченных по мощности реальных УКЭ.
Целью изобретения является значительное ослабление этих недостатков, а в пределе - их устранение для случая применения такого АВ совместно с магнитоэлектрическим генератором (МЭГ), представляющим собой электрическую машину синхронного типа с возбуждением от постоянных магнитов, за счет простой аппаратной реализации операции регулирования напряжения в МЭГ.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и области применения АВ при одновременном улучшении его электромагнитной совместимости (по входу и по выходу) и повышении уровня преобразуемой мощности при использовании ограниченных по мощности реальных УКЭ.
j
j
j
j
j
j
Это достигается тем, что известный вентильный магнитоэлектрический генератор (ВМЭГ), содержащий магнитоэлектрический генератор (МЭГ) с основной 3-х фазной якорной обмоткой, подключенной ко входам основного выпрямителя с ККВМ, который содержит три дросселя переменного тока, одни концы которых образуют его силовые входные выводы, предназначенные для подключения их к основной 3-х фазной якорной обмотке МЭГ, а другие их концы подключены ко входам основного выпрямителя по схеме трехфазного моста (ТВМ), между выходными выводами которого подключены полностью управляемый основной ключевой элемент (УКЭ) и цепочка из последовательно соединенных основных разделительного диода (РД) и накопительного конденсатора (НК), причем указанная топология (из трех дросселей, ТВМ,УКЭ, РД и НК) образует основной канал выпрямления с ККВМ, выходные выводы которого образованы обкладками НК, а также блок управления, включающий в себя генератор импульсов и основной драйвер для управления УКЭ, снабжен датчиком выходного напряжения (ДН) ВМЭГ и датчиком тока (ДТ) его нагрузки, МЭГ выполнен с (М-1) числом дополнительных 3-х фазных якорных обмоток, снабжен (М-1) числом дополнительных каналов выпрямления с ККВМ, каждый из которых содержит такие же компоненты, как и основной канал выпрямления с ККВМ и выполнен с топологией, аналогичной топологии основного канала выпрямления с ККВМ, силовые входные выводы каждого из дополнительных (М-1) каналов выпрямления с ККВМ подключены к одной из (М-1) дополнительных 3 х фазных якорных обмоток МЭГ, блок управления снабжен распределителем импульсов (РИ) p с фазовым сдвигом их между собой на угол δ=2π/M, М числом генераторов пилообразного напряжения (ГПН), М числом компараторов (К) с управляющим и тактовым входами, а также узлом обработки сигналов обратной связи (ОСОС) от ДН и ДТ и (М-1) числом драйверов, причем j-й выход РИ подключен ко входу j-го ГПН, выход которого подключен к тактовому входу j-го компаратора (К), управляющий вход которого подключен к узлу ОСОС, вход j-го драйвера подключен к выходу j-го компаратора, а его выход - к управляющему входу j-го УКЭ (где j=2, 3,..М - номер канала).
При этом, одноименные по полярности выходные выводы М каналов выпрямления с ККВМ объединены и образуют выходные выводы ВМЭГ, предназначенные для подключения нагрузки. Выходные выводы М каналов выпрямления с ККВМ соединены между собой согласно последовательно, а выходные выводы ВМЭГ образованы свободными выводами 1-го и М-го каналов выпрямления с ККВМ, между которыми включен суммирующий накопительный конденсатор.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен пример конкретной реализации изобретения (с числом каналов М=3) в варианте исполнения с сильноточным выходом, на фиг. 2 представлен пример конкретной реализации изобретения (с числом каналов М=3) в варианте исполнения с высоковольтным выходом, на фиг. 3 показана принципиальная функциональная блок-схема блока управления ВМЭГ, на фиг. 4 изображены временные диаграммы, поясняющие логику работы блока управления, на фиг. 5 представлены осциллограммы рабочих процессов в схеме 3-ВМЭГ по фиг. 1, полученные на основе имитационного компьютерного моделирования.
j
j
j
Пример силовой части стабилизированного по напряжению вентильного магнитоэлектрического генератора (ВМЭГ) с коррекцией входного коэффициента мощности его выпрямителя, приведенный на фиг. 1, содержит расположенный на роторе индуктор 1 (на основе постоянных магнитов) и статор 2 с расположенными на нем тремя (М=3) трехфазными якорными обмотками 2.1, 2.2, 2.3, которые своими концами (A, B, C, где j=1, 2, 3, М-номер канала) подключены к силовым входам трехканального (М=3) активного выпрямителя (АВ) 3, который в данном примере выполнен в виде трех идентичных каналов 4, 5, 6. Каждый канал АВ 3 содержит три дросселя переменного тока: 4.1, 4.2, 4.3 - в 1-ом канале, 5.1, 5.2, 5.3 - во 2-ом канале и 6.1, 6.2, 6.3 - в 3-м канале. Одни концы этих дросселей переменного тока образуют 9 входных силовых выводов АВ 3 для подключения их к трем 3-х фазным обмоткам 2.1, 2.2, 2.3 МЭГ (как показано на фиг. 1), а другие концы этих 9 дросселей переменного тока подключены к трем входам трех 3-х фазных диодных выпрямительных мостов (ТВМ) 4.4, 5.4, 6.4 - в соответствии с чертежом на фиг. 1. Между выходными выводами этих ТВМ включены: полностью управляемые ключевые элементы (УКЭ) 4.5, 5.5, 6.5 - соответственно в 1-ом, 2-ом и 3-ем каналах АВ 3; а также цепочки из последовательно соединенных разделительного диода 4.6, 5.6, 6.6 (соответственно в 1-ом, 3-ом и 3-ем каналах) и накопительного конденсатора 7, который в данном варианте АВ является общим для всех его трех каналов. Таким образом, одноименные по полярности выходные выводы ТВМ 4.7. 5.7, 6.7 объединены между собой и образуют положительный выходной вывод 8 АВ 3, а объединенные выходные выводы ТВМ 4.8, 5.8, 6.8 образуют отрицательный выходной вывод 9 АВ 3. Обкладки накопительного конденсатора (НК) 7 при этом подключены к положительному 8 и отрицательному 9 выходным выводам АВ 3, которые выполнены с возможностью подключения к ним нагрузки 10.
Далее в описании ВМЭГ обозначается также как многоканальный ВМЭГ (М-ВМЭГ).
Отличие варианта i-ВМЭГ на фиг. 2 от варианта на фиг. 1 состоит в том, что выходные выводы 4.7, 4.8 1-го канала, 5.7, 5.8 2-го канала и 6.7, 6.8 3-го каналов соединены последовательно, т.е. положительный вывод 6.7 3-го канала соединен с отрицательным выводом 5.8 2-го канала, положительный вывод 5.7 2-го канала соединен с отрицательным выводом 4.8. 1-го канала, а выходные выводы 4.7 1-го канала и 6.8 3-го канала образуют положительный и отрицательный выводы АВ 3 и 3-ВМЭГ в целом. Кроме этого, отличие от 1-го варианта 3-ВМЭГ состоит в том, что на выходе каждого канала включены индивидуальные накопительные конденсаторы 4.9 в 1-ом канале, 5.9 во 2-ом канале и 6.9 в 3-ем канале. Конденсатор 7 здесь по-прежнему включен между выходными выводами 3-ВМЭГ.
Укрупненная функциональная блок-схема системы управления (СУ) 3-х канального АВ 3 представлена на фиг. 1 (и на фиг. 2) совместно с силовой частью 3-ВМЭГ (М-ВМЭГ при М=3). Основная логика управления полностью управляемыми ключевыми элементами (УКЭ) 4.5, 5.5, 6,5 АВ 3 обеспечивается подключенным к ним соответствующих выходов блока управления (БУ) 11. Система управления (СУ) включает в себя также датчик выходного напряжения (ДН) 12, своим входом подключенный к выходным выводам 8, 9 3-ВМЭГ, и датчик выходного тока (ДТ) 13, установленный в выходной цепи 3-ВМЭГ с последовательным в нее включением, а также источник электропитания внутренних нужд (ИПВН) - 14 (для питания узлов БУ 14), который своим входом подсоединен к одной из якорных обмоток МЭГ, например, 2.3, как показано на фиг. 1.
т
j
т
j
j
j
j
j
Принцип построения БУ 11 иллюстрируется блок-схемой на фиг. 3, а принцип его работы - временными диаграммами на фиг. 4. Он содержит генератор импульсов (ГИ) 11.1 частоты 3ƒ; распределитель импульсов (РИ) - 11.2 с выходными сигналами p в форме коротких импульсов тактовой частоты ƒ, сдвинутыми между собой по фазе на угол δ=2π/М (в примере на фиг. 4 М=3); блок из М числа генераторов пилообразного напряжения (ГПН) - 11.3; блок из М числа компараторов (К) - 11.4, каждый с тактовым и управляющим входами; и блок драйверов (Д) - 11.5 (где j=2, 3, 4, …М-число каналов). Взаимосвязи между этими узлами БУ следующие: вход РИ 11.2 подключен к выходу генератора импульсов 11.1; выходы РИ 11.2 подключены к соответствующим входам ГПН 11.3, выходы которых подключены к тактовым входам соответствующих компараторов 11.4, а выходы последних подключены ко входам соответствующих драйверов 11.5. Управляющие входы М=3 компараторов 11.4 объединены и подключены к выходу узла обработки сигналов обратной связи (ОСОС) - 11.6 от датчика выходного напряжения 12 и датчика выходного тока 13 3-ВМЭГ.
0
dmax
Узел ОСОС 11.6 выполнен с возможностью задания уровней постоянной составляющей выпрямленного напряжения на выходе канала (и всего 3-ВМЭГ) и максимально допустимого тока нагрузки извне уставками напряжения и тока - U, I соответственно.
Вентильный магнитоэлектрический генератор с коррекцией входного коэффициента мощности его выпрямителя работает следующим образом.
4.5
1
5.5
2
6.5
3
1
1
гпн1
y
1
1
1
Поскольку каналы преобразования энергии посредством АВ 3 работают, по сути, с одинаковыми алгоритмами ψ=s, ψ=s, ψ=s (см. фиг. 3, фиг. 4) с разницей лишь в фазовом сдвиге между собой, то достаточно рассмотреть принцип работы только одного 1-го канала. Алгоритмы переключения управляемых ключевых элементов (УКЭ) 4.5, 5.5, 6.5 в каналах формирует блок управления (БУ) 11 с помощью модулятора ширины импульсов МШИ, выполненного на основе генератора пилообразного напряжения ГПН1 и компаратора К. В нем происходит сравнение выходного напряжения ГПН u(t) с напряжением управления u, которое поступает с выхода узла ОСОС 11.6. В результате на выходе К формируется сигнал s (фиг. 4) и с помощью драйвера Д передается на управляющий вход УКЭ 4.5 1-го канала. Согласно осциллограммы на фиг. 5 он открывается (1-ое его включение на фиг. 1 в момент перехода напряжения фазы «А1» через ноль) и остается открытым на интервале угла θ (см. фиг. 4). Три дросселя переменного тока - 4.1, 4.2, 4.3 с помощью 3-х целевого ключа переменного тока (в виде ТВМ 4.4 и УКЭ 4.5) оказываются подключенными к трехфазной якорной обмотке 2.1, и ток в фазах «А1», «В1», «С1», и в дросселях переменного тока - 4.1, 4.2, 4.3 начинает нарастать, и в них происходит накопление энергии. На осциллограммах фиг. 5 приведены токи в 3-х каналах только для одной фазы «А1».
1A
2A
3A
1a
2A
3A
∑а
1A
2A
3A
d0
d
Принятые на фиг. 5 обозначения: u(t), u(t), u(t) - напряжения фазы «А» в 1-м, 2-м и 3-м каналах 3-х канального ВМЭГ (по фиг. 1); i(t), i(t), i(t) - токи в якорных обмотках МЭГ этих каналов; i(t)=i(t)+i(t)+i(t) - суммарный ток фазы «А», определяющий реакцию якоря МЭГ; U - постоянная составляющая выпрямленного напряжения 3-ВМЭГ; ΔU - уровень пульсаций выпрямленного напряжения; пунктиром показаны алгоритмы переключения трех ключей АВ, сдвинутые меду собой по фазе на угол 2π/3 на тактовой частоте.
мэг
Период тактовой частоты УКЭ 4.5 в процессе работы остается постоянным и определяется суммой двух углов: θ+α=2π, где θ - угловая длительность включенного состояния УКЭ 4.5, а α - угловая длительность выключенного его состояния. Отношение этих двух углов определяет скважность работы УКЭ 4.5: S=2π/θ. В конце интервала θ УКЭ 4.5 выключают, и накопленная в дросселях энергия через диоды ТВМ 4.4 и разделительный диод 4.6 передается в накопительный конденсатор 7. Значения параметров АВ 3 выбирают такими, чтобы до момента следующего включения УКЭ 4.5 дроссели - 4.1, 4.2, 4.3 успели бы до конца периода работы УКЭ 4.5 (2π) гарантированно разрядиться. В следующий период работы УКЭ 4.5 его снова включают, и ток в течение того же интервала θ в дросселях - 4.1, 4.2, 4.3 снова начинает нарастать. Но на этом (2-ом) интервале они заряжаются уже от большего значения напряжения на якорных обмотках 2.1, и, соответственно, до большего значения накапливаемой в них энергии. В конце 2-го периода УКЭ 4.5 снова выключают, и накопленная в них энергия снова по тому тракту (через диоды ТМВ 4.4 и разделительный диод 4.6) передается в накопительный конденсатор 7. Далее процессы повторяются. Аналогично работают два других канала с КЭ 5.5, 6.5. В результате форма тока, потребляемого от якорных обмоток 2.1, 2.2, 2.3 приобретает вид серии импульсов треугольной формы с амплитудной модуляцией их более низкой частотой напряжения МЭГ ƒ. При этом основные гармоники тока во всех 3-х фазах обмоток 2.1, 2.2, 2.3 совпадает по фазе с соответствующими фазными напряжениями МЭГ.
т
мэг
Выбор тактовой частоты АВ 3 ƒ определяется на основе системного проектирования, но в любом случае ее значение должно быть не менее, чем на порядок больше частоты ƒ.
Фазные токи в якорных обмотках 2.2 и 2.3 МЭГ двух других каналов для этой же фазы («А2», «A3») имеют такой же вид, но с фазовым сдвигом их между собой на тактовой частоте на угол δ=2π/М. Несмотря на то, что искажения фазных токов в обмотках МЭГ достаточно большие (85% на фиг. 5), результирующий ток реакции якоря МЭГ имеет искажения значительно меньшие (в 5 раз - см. фиг. 5). Несложный расчет показывает, что входной коэффициент мощности АВ 3 даже в рассмотренном не оптимизированном решении составляет 0,98. Этот показатель подтверждает достижение поставленной цели изобретения.
1(1)
1(1)
1
В условиях использования в машинно-электронных генерирующих системах ограниченной по мощности элементной базы (транзисторов и диодов) предлагаемое изобретение позволяет наращивать уровень преобразуемой мощности за счет увеличения числа каналов М. При этом обеспечивается значительное повышение входного коэффициента мощности активного выпрямителя - АВ (как за счет выполнения условия ϕ=0, так и за счет значительного снижения искажений потребляемого АВ тока, т.е. за счет I/I→1), что позволяет снизить установленную мощность индуктора (т.е. постоянных магнитов) МЭГ и его массу в целом. Одновременно решается проблема регулирования выходного напряжения ВМЭГ (с целью его стабилизации) при возмущающих воздействиях по нагрузке и по частоте вращения его приводного вала. Повышается технологичность изготовления силовой части АВ (за счет сокращения числа УКЭ и упрощения ее конструкции) и блока управления (БУ) ею. Повышается функциональная надежность ВМЭГ за счет сокращения выполняемых БУ числа функций (по сравнению с использованием современного аналога - решения ВМЭГ на основе четырехквадрантного преобразователя). С увеличением числа каналов М понижается уровень пульсаций выпрямленного напряжения и повышается их частота, что в ряде случаев применения позволяет отказаться от дополнительных средств фильтрации как по входу М-ВМЭГ, так и по выходу.
Требуемое число каналов в М-ВМЭГ как в варианте исполнения с сильноточным выходом, так и в варианте исполнения с высоковольтным выходом определяется конкретными требованиями применения и располагаемыми возможностями элементной базы (УКЭ, диодов и конденсаторов). Возможны случаи применения, когда собственная индуктивность якорных обмоток МЭГ окажется достаточной для практической реализации изобретения. При этом необходимость в использовании дросселей переменного тока, устанавливаемых между обмотками МЭГ и входом ТВМ АВ, отпадает. Это значительно повысит технологичность изобретения.
Таким образом, использование изобретения позволяет расширить функциональные возможности и область применения АВ, за счет увеличения числа каналов повысить уровень преобразуемой мощности (на основе использования МЭГ, как перспективной машины) и улучшить электромагнитную совместимость вследствие уменьшения искажения результирующего тока его якорных обмоток и снижения пульсации выпрямленного напряжения, что, в свою очередь, позволяет отказаться от дополнительной его фильтрации и способствует снижению массы М-ВМЭГ в целом.