Гибридные структуры преобразователей

Появление гибридных структур преобразователей переменного тока обусловлено рядом причин. Первая причина - решение проблемы ЭМС по отношению к первичным источникам энергии при использовании преобразователей с неуправляемыми выпрямителями. Вторая причина - увеличение входного коэффициента мощности системы с двойным преобразованием энергии. Третья причина - обеспечение ЭМС преобразователя по отношению нагрузки при использовании низкочастотного коммутатора (НЧК) - трехфазного инвертора, работающего с 120-градусной коммутацией.

Гибридные структуры основаны на параллельной работе системы ДПЭ и АФГ.

В первом случае решается задача обеспечения синусоидальной формы тока, потребляемого от первичного источника. Такие гибридные структуры преобразователей можно разделить на два класса:

с независимым (автономным) АФГ, описанным выше в разделе <Активные фильтры гармоник> [3];

с зависимым (встраиваемым) АФГ, используемым в последнее время в источниках бесперебойного питания с бустером [41].

На рисунке 5 приведена схема гибридного преобразователя с зависимым АФГ. Такая структура отличается от системы ДПЭ с бустером (рис.1) тем, что параллельно входу выпрямителя VS1, VS2 подключены однофазные преобразователи АФГ, выполняющие функции однофазного ККМ в каждой фазе трехфазной системы ДПЭ (на рисунке условно изображена одна фаза АФГ и выпрямителя). Однофазный каскад АФГ выполнен по дифференциальной схеме на диодах VD1, VD2, транзисторах VT1, VT2 и емкостях С1, С2. Особенностью такой системы является наличие гальванической связи емкостей АФГ со звеном постоянного тока ИБП и необходимость информационного обмена между системой управления АФГ и системой управления бустером. Источники бесперебойного питания, построенные по такой структуре, обладают высоким значением входного коэффициента мощности и менее 4% искажения синусоидальной формы входного тока преобразователя [41].

Рис.5 Гибридная структура преобразователя с входным АФГ

Гибридные структуры с АФГ, подключенным на выходе преобразователя, могут быть рекомендованы для электроприводов переменного тока (рис.6) [32]. В этом случае в качестве основного силового инвертора используется НЧК с малыми потерями на переключение транзисторов VT11, VT12 (120-градусная коммутация на основной частоте выходного напряжения), генерирующий основную активную мощность в двигатель. Подключение параллельно выходу НЧК инвертора АФГ на транзисторах VT2 - VT7 меньшей мощности позволяет обеспечить синусоидальный ток двигателя. При этом решаются следующие задачи:

повышается выходной коэффициент мощности системы;

снижаются потери в длинном кабеле токоподвода к двигателю;

исключается возможность резонансных явлений на частоте высших гармоник;

снижается пульсация механического момента на валу двигателя;

расширяется мощностной диапазон преобразователя.

Рис.6 Гибридная структура преобразователя с выходным АФГ

ШИМ - инвертор в составе АФГ обеспечивает незначительную часть активной мощности, создавая, в основном, реактивную мощность и мощность искажения для компенсации высших гармоник от НЧК. Выходной силовой трансформатор СТ в гибридной системе обеспечивает гальваническую развязку между выходами НЧК и ШИМ - инвертора, а также является повышающим для питания двигателя при длинном кабеле токоподвода. Выходной фильтр ФВ (L2-L4, C3-C5) АФГ предназначен для сглаживания высокочастотных пульсаций в нагрузке.

На рисунке 7 приведены кривые токов на выходе системы, поясняющие принцип формирования синусоидального тока нагрузки.

Рис.7 Временные диаграммы токов гибридного преобразователя

Гибридные структуры преобразователей рассмотрены в работах [30-35]. Если структуры с АФГ на входе системы нашли широкое применение на практике, то гибридные структуры с АФГ на выходе системы требуют дальнейших исследований и внедрения.