Семейство статических преобразователей напряжения нового поколения в силовой электронике

Высоковольтные испытания электротехнического оборудования — важная составляющая часть процесса разработки и производства. С каждым годом ужесточаются требования как заказчиков, так и соответствующих стандартов. Возрастает роль испытательной лаборатории как критически важного узла производства и конкурентного преимущества на рынке.

Суть большинства высоковольтных испытаний сводится к проверке электрической прочности изоляции. Для выполнения данной проверки проводятся испытания повышенным напряжением, приложенным от отдельного источника. В зависимости от типа оборудования отличаются условия испытаний, но так или иначе задача сводится к одному — подать на объект напряжение с заданными характеристиками.

Если рассматривать вопрос на примере трансформаторного оборудования, то при испытаниях напряжением переменной частоты (МЭК60076-1,2,3 ГОСТ 1516-3) необходим источник напряжения, удовлетворяющий следующим требованиям:

1. «хорошее» качество синусоиды (коэффициент негармонических искажений — менее 5%);
2. широкий диапазон по уровню испытательного напряжения (для всей линейки оборудования);
3. частота испытательного напряжения — 50-60 Гц для испытаний приложенным напряжением и до 200 Гц для испытаний индуцированным напряжением;
4. низкий уровень собственных шумов частичных разрядов (ЧР).

Для реализации такой испытательной системы продолжительное время использовались электромашинные преобразователи (ЭМП) — электродвигатель, соединенный валом с электрическим генератором. Такой источник напряжения обладает рядом необходимых качеств:

• получение на выходе почти идеального синусоидального напряжения, требуемой частоты, без шумов, связанных с работой других потребителей сети;
• возможность получения на выходе трехфазного напряжения от однофазной сети;
• фильтрация бросков тока за счет инерции ротора.

Однако, подобное решение также обладает рядом существенных недостатков:

• сравнительно низкий ресурс по причине наличия движущихся частей, необходимость периодического вывода в ремонт и технического обслуживания (смазка подшипников, чистка коллекторов, замена щеток в коллекторных машинах);
• длительный срок ремонта (необходимо физически разбирать устройство)
• большая масса, вибрация и шум;
• низкий КПД, как правило, 50–70%, из-за двойного преобразования энергии;
• повышенная пожароопасность.

Следует отметить, что при проведении для испытаний трансформатора индуцированным напряжением, потребуется второй источник испытательного напряжения повышенной частоты (200 Гц). При необходимости испытывать оборудование, предназначенное для работы на частоте, отличной от 50 Гц, может понадобиться еще один, дополнительный.

Электромашинный преобразователь — габаритное и шумное оборудование. Оно требует установки на фундаменты в отдельном машинном зале. В пересчете на единицу массы, удельная мощность подобной системы составляет порядка 0,125 МВА на тонну веса. Тем не менее, большое количество предприятий до сих пор оснащено именно электромашинными преобразователями, поскольку они долгое время являлись единственным подходящим источником напряжения для высоковольтных испытательных систем.

Несмотря на то, что полупроводниковая силовая преобразовательная техника с момента появления развивалась очень быстро, долгое время индустрия не могла предложить достойной альтернативы электромашинным преобразователям для использования при высоковольтных испытаниях.

В середине девяностых годов, компания SIEMENS AG одной из первых решилась модернизировать свою испытательную лабораторию в ФРГ и заменить мотор-генераторы (ЭМП) собственного производства тиристорными преобразователями компании HIGHVOLT. Затем подобные системы ввиду их удобства и универсальности стали внедряться другими крупными производителями — ABB, SMITH, MITSUBISHI. Современные статические преобразователи частоты стали значительно мощнее, компактнее и, что немаловажно — дешевле.

Система для проведения испытаний трансформаторов должна быть пригодна для широкой линейки изделий; требования должны выдерживаться при разных характеристиках объекта испытаний и испытательных напряжениях. Как источник испытательного напряжения, статический преобразователь практически лишен недостатков: он работает в широком диапазоне частот (40–200 Гц) и, соответственно, заменят собой несколько генераторов, к тому же он значительно компактней — порядка 0,5 МВА на тонну веса (в комплексе с системой управления и распредустройством). Благодаря электронному управлению, в случае пробоя объекта испытаний, скорость отключения преобразователя составляет до 10 мкс, что значительно быстрее, чем существующие системы на базе ЭМП. Следствие высокой скорости отключения — минимальные повреждения объекта, что облегчает определение места пробоя, и само по себе более безопасно.

С технической точки зрения имеются две основные проблемы применения полупроводниковых преобразователей, решение которых является, можно сказать, ноу-хау производителей.

Первая — это «качество» испытательного напряжения. Ограничение суммарного значения коэффициента нелинейных искажений испытательного напряжения имеет решающее значение для проведения испытаний согласно стандарту МЭК.

В части трансформаторного оборудования в МЭК 60076-1 и 60076-3 предельное значение коэффициента нелинейных искажений определено как «менее 5%». Как получить «идеальную» синусоиду — военный секрет каждого конкретного производителя. Однако, пример, который приводился HIGHVOLT на тематических конференциях, иллюстрирует, что даже при экстремально нелинейном испытательном токе, динамические характеристики преобразователя позволяют сохранить стабильную синусоиду напряжения:

Вторая проблема — шум частичных разрядов. При проведении испытаний, источников Ч Р, собственно, два: «шум», приходящий по сети и из окружающей среды, и сам преобразователь, который также является источником помех. Причем, шумы преобразователя могут быть значительны. От помех избавляются следующими способами: применяя специальные схемы управления преобразователями, устанавливая фильтры с низкой и с высокой стороны испытательной системы, отсекая тем самым как внешние, так и собственные шумы. Отметим, что стандарты в части ЧР ужесточились в разы за последние несколько лет, и следует ожидать дальнейшего снижения разрешенного уровня. Практический предел снижения шумов ЧР испытательной системы на базе статического преобразователя — 1–2 пКл. Подобные системы существуют и эксплуатируются в достаточных количествах.

Есть и другие, не столь критичные, но важные отличия: преобразователи разных производителей отличаются мощностью, продолжительностью непрерывной работы, температурным режимом, размерами и исполнением.

Еще одним важным преимуществом статического преобразователя по сравнению с ЭМП является возможность (за счет подстройки испытательной частоты) достичь так называемой «точки самокомпенсации». Как известно, катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный, на частотах выше — емкостный. При проведении испытаний индуцированным напряжением на частоте, близкой к «точке самокомпенсации», значительно снижаются требования к реактивной составляющей мощности испытательной системы (и/или конденсаторной батареи, служащей для ее компенсации). Благодаря этому, комплектные испытательные системы на базе статического преобразователя для испытаний небольших трансформаторов мощностью до 5000 кВА могут быть выполнены компактным модулем по размеру соответствующему 10 футовому контейнеру.

Системное определение варианта построения статических преобразователей напряжения

В работе рассматривается часть системы, а именно унифицированная базовая ячейка, созданная на основе схемы инвертора напряжения, питаемой выпрямленным напряжением сети, поскольку данный участок системы является «кирпичом», из которого построено наше сооружение.

В качестве базового предлагается вариант построения системы статических преобразователей напряжения, приведенный на рис. 1.

Рис. 1. Эскиз функциональной схемы статических преобразователей напряжения однофазного и трехфазного (СПО и СПТ)

Предлагаемый вариант логически вытекает из осмысления технических требований поставленной задачи. Рассмотрим это подробнее. Необходимо разработать трехфазный статический преобразователь напряжения мощностью 30 кВт и однофазный мощностью 8 кВт. Поставленная задача подразумевает возможность (или даже необходимость) параллельного включения какого-то минимального элемента. Если найти приблизительно наименьшее общее кратное, оно будет равно 3,3 кВт. То есть предлагаемый вариант соответствует рис. 1: три трехфазных блока по 10 кВт (в каждом по три субблока мощностью 3,3 кВт) и один однофазный блок мощностью 8 кВт (состоит из трех субблоков по 3,3 кВт с избыточной мощностью).

Приведенная система позволяет использовать: глубокую внутреннюю унификацию; параллельное включение трехфазных блоков (СПТ) и однофазных каналов (СПО); наращивание и снижение мощности статических преобразователей напряжения.

Рассмотрим вышесказанное по пунктам.

1. Унификация заключается в том, что блоки СПТ и СПО можно собирать на одной печатной плате, с одинаковыми навесными элементами, при незначительном изменении в коммутации (в основном, в сильноточной части) и в комплектации.
2. Параллельное включение блоков СПТ и каналов СПО возможно при использовании в качестве силовых ключей IGBT биполярные транзисторы с положительным коэффициентом напряжения насыщения. Кроме этого, динамическое выравнивание токов и балансировка фаз возложены на систему управления. 3. Вследствие параллельного включения блоков и каналов предлагаемая структура построения статических преобразователей напряжения подразумевает возможность легко наращивать и снижать мощность статических преобразователей напряжения. Данный вариант представляет собой систему построения статических преобразователей напряжения на основе унифицированной базовой ячейки (УБЯ). Она является законченным блоком, выполняющим функции выпрямителя входного напряжения переменного тока, корректора коэффициента мощности, стабилизатора постоянного напряжения, преобразователя постоянного напряжения в переменное и стабилизатора выходного напряжения переменного тока (с функцией корректора формы выходного напряжения). Еще одно неоспоримое достоинство этого решения — возможность варьировать мощность УБЯ. Соответственно, можно системно строить различные семейства статических преобразователей напряжения, перекрывая все функциональные и параметрические ряды.

Комплекс алгоритмов управления статическим преобразователем напряжения

Предлагаемый комплекс алгоритмов управления полностью подтверждает выполнение функциональных требований. Алгоритм управления первым звеном, основанный на пропорциональном позиционном регуляторе, показан на рис. 5.

Рис. 5. Алгоритм управления на основе позиционного пропорционального регулятора

Алгоритм динамического регулирования выходного тока (рис. 6) раскрывает дополнительные функциональные возможности:

• динамическое выравнивание выходного тока при параллельном включении;
• динамическое регулирование выходного тока при его неаварийном изменении.

Рис. 6. Алгоритм динамического регулирования выходного тока

За основу принята суперпозиция двух возможных вариантов динамического изменения выходного тока: путем изменения или величины промежуточного постоянного напряжения, или коэффициента регулирования kр . Функциональный алгоритм регулирования выходного тока посредством изменения величины промежуточного постоянного напряжения, подготовленный под оболочкой Capture, представлен на рис. 7а.

Рис. 7. Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения

Функциональный алгоритм регулирования выходного тока путем изменения коэффициента регулирования kр , подготовленный под оболочкой Capture, представлен на рис. 7б.

На

изображен динамический рост величины выходного тока от 37 до 48 А при изменении значения промежуточного постоянного напряжения от 350 до 450 В.

На

показано, как изменение коэффициента регулирования kр от 0,4 до 0,9 приводит к росту величины выходного тока от 19 до 41 А.

Алгоритм управления вторым звеном на базе самонастраивающейся системы, основанный на синусоидальной широтно-им-пульсной модуляции, приведен на рис. 10. В этом алгоритме применен метод стабилизации выходного напряжения (с функцией корректора формы выходного напряжения), когда для каждой точки дискретизации периода измеряют выходное напряжение в этой точке. Используя данные по выходному напряжению, можно вычислить значение длительности ШИМ-сигнала для следующего кванта времени.

Рис. 10. Алгоритм управления самонастраивающейся системы на основе синусоидальной широтно-импульсной модуляции

Описание работы комплекса алгоритмов управления в режиме коррекции формы выходного напряжения

Рассмотрим работу представленной схемы на емкостной выпрямитель (

). Данный вариант работы статических преобразователей напряжения встречается достаточно часто. Но самое главное, такой вариант характеризуется максимальными искажениями формы выходного сигнала. Таким образом, это наиболее наглядное представление возможностей алгоритма в плане коррекции формы выходного напряжения.

Некорректированное выходное напряжение схемы при работе на емкостной выпрямитель (рис. 12).

Рис. 12. Эпюры выходного напряжения, напряжения ШИМ-сигнала и выходного тока схемы при работе на емкостной выпрямитель

На рисунке видно, что, несмотря на правильную форму ШИМ-сигнала, форма выходного низкочастотного сигнала искажена. Это позволяет построить концепцию коррекции формы выходного напряжения на основе изменения ШИМ-сигнала пропорционально отличию реального сигнала относительно идеального. В алгоритме управления использован метод стабилизации выходного напряжения (с функцией корректора формы выходного напряжения), когда для каждой точки дискретизации периода измеряют выходное напряжение в этой точке [3].

Представленные результаты доказывают жизнеспособность предложенных методов.

Использование комплекса алгоритмов управления для предотвращения насыщения выходного силового трансформатора

Представленный комплекс алгоритмов позволяет предотвратить насыщение сердечника выходного силового трансформатора. Действительно, сердечник рассчитывается так, чтобы не войти в область насыщения при номинальном значении выходного напряжения с запасом, необходимым не только для коррекции формы выходного напряжения, но и для предотвращения аварийных ситуаций, вызванных различными факторами, например, технологическими разбросами свойств материалов.

В качестве примера рассмотрим часто встречающуюся схему мостового инвертора напряжения с выходным силовым трансформатором, приведенную на

.

Смоделированная под оболочкой Capture в среде OrCAD 9.2 система управления формирует выходное напряжение, представленное на рис. 14, посредством ШИМ-сигнала, изображенного на рис. 15.

Рис.14. Выходное напряжение моделируемой схемы

Рис. 15. Управляющий ШИМ-сигнал моделируемой схемы

Эти рисунки иллюстрируют работу схемы в однозначно заданных условиях. В реальных условиях существует множество дестабилизирующих факторов, поэтому алгоритм работы инвертора направлен на компенсацию их влияния. Однако следует помнить: в рамках выполнения основного алгоритма работы существует вероятность достижения насыщения силового трансформатора (рис. 16), что может привести к аварийным последствиям.

Рис. 16. Кривая намагниченности магнитного сердечника силового трансформатора

Дополнив основной алгоритм работы несложным защитным алгоритмом (рис. 17) и используя незначительные свободные ресурсы системы управления, мы сможем избежать нежелательных последствий.

Рис. 17. Алгоритм управления для предотвращения насыщения выходного силового трансформатора

Логика работы представленного алгоритма основана на принципе самосохранения и предусматривает прекращение выполнения основного функционального раздела алгоритма (в данном случае, возможно, коррекции формы выходного напряжения), чтобы предотвратить выход из строя всей системы. Но дополнительный алгоритм не отключает систему, а несколько снижает качество выходного сигнала для сохранения ее работоспособности. Другими словами, здесь используется один из принципов, присущих интеллекту, — принцип самосохранения.

Реально это означает, что при наступлении критического случая система управления прекращает корректировать форму выходного напряжения и удерживает работу статического преобразователя напряжения в граничном состоянии, несмотря на искажения формы выходного напряжения. Рассматриваемый случай предотвращает аварийный выход из строя выходных ключей и сохраняется до изменения условий функционирования системы.

Системы с двойным преобразованием энергии

Наиболее распространенной в настоящее время технологией преобразования переменного тока являются системы с двойным преобразованием энергии (ДПЭ), содержащие в своей структуре звено постоянного тока. Звено постоянного тока, обеспечивающее накопление энергии от первичного источника питания переменного тока, помимо реактивных элементов (емкости, индуктивности), может содержать регулятор напряжения постоянного тока РН (понижающий или повышающий — бустер).

Входной каскад преобразователя (выпрямитель) отделен от выходного каскада (инвертора) промежуточным звеном постоянного тока. Звено постоянного тока, в общем случае, содержит емкость значительной величины, предназначенную для сглаживания пульсаций и накапливания необходимой энергии для питания инвертора. Величина емкости определяется исходя из обеспечения необходимых динамических свойств инвертора (минимального отклонения выходного напряжения в переходных режимах) и максимально возможных перегрузочных способностей преобразователя. Величина емкости накопительных конденсаторов при напряжении звена постоянного тока 720-800 В выбирается из расчета 470 -660 мкФ на каждый 1кВА выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения. Таким образом, звено постоянного тока представляет для входного каскада (выпрямителя) емкостной характер, что влияет на спектральный состав входного тока системы [3].

Выбор элементной базы, конструктивные особенности унифицированной ячейки и краткий анализ

Наиболее критичными элементами нашей схемы являются силовые ключи. Это вызвано выбранной нами частотой преобразования 40 кГц.

Исходя из этого, выбираем IGBT биполярные транзисторы Power MOS 7 компании Advanced Power Technology [1].

Как показывает наш опыт работы в области микроэлектроники, представленные технологические особенности эффективно действуют в указанных направлениях, что подтверждает отнюдь не декларативный характер заявленных электрических параметров.

Приведенная информация указывает на полное соответствие параметров IGBT биполярных транзисторов с требованиями, предъявляемыми к ним в разработанной схеме.

Выбранные алгоритмы и параметры системы управления, а также функциональные задачи, поставленные перед системой, заставляют нас использовать в системе управления контроллер с цифровым сигнальным процессором. С точки зрения поставленных задач, а именно — управление формой выходного напряжения за каждый квант ШИМ, измерение тока каждого ключа с целью динамического выравнивания токов параллельно включенных субблоков и работа IGBT биполяряных транзисторов на частоте 40 кГц, DSP обладают подавляющим преимуществом.

Наиболее часто в системах управления вторичными источниками питания используются цифровые сигнальные процессоры серии TMS320 фирмы Texas Instrument. DSP серии TMS320 отличаются высокой производительностью и большим количеством периферийных устройств, крайне необходимых при построении систем управления статическими преобразователями напряжения.

Однако в последнее время появились микропроцессоры с аналогичными характеристиками, но более дешевые в эксплуатации.

Размеры ячейки обусловлены предъявляемыми ограничениями по габаритам в плане (600×600 мм) и по высоте (600 мм).

То есть, если ячейка впишется в размер 19″×19″ = (482,6×482,6 мм), мы выполним первое требование и требования международной унификации. Исходя из второго требования и габаритных размеров силовых элементов, высота ячейки не должна превышать 150 мм.

Выбранные схемотехнические решения и элементная база позволяют нам вписаться в указанные габариты.

Конструктивно ячейка строится классическим образом: на передней панели расположены плата дискретного ввода/вывода, микроконтроллер и элементы сигнальной коммутации; сзади — радиатор с мощными тепловыделяющими элементами и элементы мощной коммутации; между ними плата с остальными элементами схемы. Такая компоновка, как показывает практика, помогает решить тепловые проблемы. Кроме этого, моделирование электромагнитных процессов на этапе конструкторской разработки позволит решить многие вопросы электромагнитной совместимости. После моделирования фирма SEMIKRON снизила уровень паразитных электромагнитных излучений в своих интеллектуальных модулях в 2 раза [6].

А теперь рассмотрим удельную мощность — один из показателей современных преобразователей напряжения силовой электроники, наглядно характеризующий качество изделия. Предельно допустимая мощность нашего преобразователя напряжения — 4000 Вт. Объем блока равен 4,826×4,826×1,5 = 34,94 дм3. Удельная мощность нашего двухкаскадного многофункционального преобразователя напряжения равна 4000/34,94 = 114,5 (Вт/дм3), что весьма неплохо по современным меркам даже для однокаскадного преобразователя напряжения. Кроме того, существует возможность в 2 раза нарастить мощность, сохранив те же размеры.

Рассмотрев полученные результаты, можно утверждать, что разработанный эскизный проект является основой семейства статических преобразователей напряжения нового поколения. Данное решение не только отвечает поставленным задачам, но и позволяет значительно расширить зону его использования.

Обобщение полученных результатов и используемых методов

Представленный вариант является одним из множества возможных. Но хотелось бы выделить некоторые закономерности, выявленные в процессе работы, и сделать обобщения:

1. Все большее распространение в системах управления как общей, так и силовой электроники находят цифровые, в частности микропроцессорные устройства.
2. Это позволяет создавать ряд функционально разнообразных устройств, используя однообразную оптимальную схемотехнику.
3. Разнообразие выполняемых функций и параметров все в большей степени определяется используемыми алгоритмами и программными средствами.
4. Алгоритмизация управления позволяет не только добиться новых функциональных возможностей, но и сделать процесс управления наглядным, логичным, простым и надежным.
5. Предлагаемая методика находится в русле развития электроники в целом.

В заключение хотелось бы отметить, что рассмотренная методика может быть распространена не только на другие виды источников питания, но и на другие виды силовой электроники, в частности, на управление приводами.

Литература

1. Щукина И., Некрасов М. Новая технология PT IGBT против мощных полевых МОП транзисторов // Силовая Электроника. 2004. № 1.
2. Однокаскадный корректор коэффициента мощности // Схемотехника. 2001. № 10.
3. Темирев А. П., Федоров А. Е., Маснюк С. И., Юрин А. В. Алгоритм формирования синусоидального напряжения для систем бесперебойного питания // Электропитание. 2003. Вып. 5.
4. Силкин В. А. Вариант построения статических преобразователей напряжения // Компоненты и технологии. 2004. № 8.
5. Силкин В. А. Пример создания комплекса алгоритмов управления высококачественными статическими преобразователями напряжения // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
6. Силкин В. А. Оптимизация электромагнитной совместимости на основе 3D-отображения и классической теории цепей с распределенными параметрами // Компоненты и технологии. 2005. № 2.
7. Силкин В. А. «Интеллектуализация» электронных устройств // Компоненты и технологии. 2005. № 3.
8. Силкин В. А. Эскизный проект системы статических преобразователей напряжения // Современная электроника. 2005. № 3.

Литература

[1] A. Winter and A. Thiede, A New Generation of On-site Test Systems for power Transformers, International Symposium on Electrical Insulation 2008, Vancouver, Canada, 2008. [2] W. Hauschild; A. Thiede; T. Leibfried; F. Martin, Static frequency converter for high voltage test of power transformer, Stuttgarter Hochspannungssymposium 2006, Stuttgart, Germany, 2006. [3] W. Hauschild u.a., the technique of AC on-site testing of HV cables by frequency-tuned resonant test system, Cigre Report 33-304, 2002. [4] IEC 60060-1: 2011: High-voltage test techniques, Part 1: General definitions and test requirements. [5] IEC 60060-2: 2010: High-Voltage Test Techniques Part 2: Measuring systems. [6] IEC 60060-3: 2006: High-voltage test technique. Part 3: Definitions and requirements for on-site testing. [7] IEC 60076-1, Power transformers – Part 1: General, 1997-06. [8] IEC 60076-3, Power Transformer, Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air, 2000-03. [9] A. Winter and A. Thiede, New Technologies for On-Site Testing of Large Power Transformers, VII международной научно-технической конференции «Силовые трансформаторы и системы диагностики», Moscow, 2010.

Павел ХОТАРЕВ, технический директор ООО «РИТ» Статья размещена в журнале «Электротехнический рынок», №4 (58)