Экспериментальное исследование компенсированного выпрямителя с обратной связью по напряжению на основе АИН с ШИМ

В работе [1] было предложено принципиально изменить стратегию построения выпрямительных агрегатов систем электроснабжения энергоемких потребителей постоянного тока. А именно, внутренней целесообразно сделать функцию компенсации реактивной мощности с помощью высокоэффективного и многофункционального компенсирующего устройства, а внешней - регулирующую функцию, осуществляемую с помощью индивидуального для каждого агрегата или группового регулирующего устройства. Таковым является устройство, реализующее перспективный принцип формирования плавно регулируемого по фазе и амплитуде вольтодобавочного напряжения, создаваемого путем синусоидальной широтноимпульсной модуляции (ШИМ) постоянного напряжения.

С целью проверки принципов работы преобразователя и его компьютерной модели [2] было проведено экспериментальное исследование характеристик компенсированного двенадцатифазного выпрямительного агрегата с пятой и седьмой гармониками напряжения на конденсаторах и обратной связью (ОС) на основе автономного инвертора напряжения (АИН) с синусоидальной ШИМ.

Эксперимент проводился на лабораторном стенде по силовой электронике кафедры «Системы электроснабжения», с использованием дополнительного оборудования, предоставленного ООО «Приводная техника». Схема комплекса приведена на рис. 1.

Физическая модель включала два выпрямительных блока 1,2, состоявших из преобразовательных трансформаторов 3, 4 и диодных мостов 5, б. Компенсирующее устройство 7 содержало однофазные реакторы 8 с выводом от средней точки и конденсаторные батареи 9 переменной емкости. В качестве нагрузки использовалась активноиндуктивная нагрузка 10 с изменяемым активным сопротивлением. Вход АИН 12 (трехфазный IGBT-мост с обратными диодами 13, входной емкостью 14 и системой управления 15) подключался к цепи постоянного тока выпрямителя, а выход - к согласующему трансформатору 11 через низкочастотный Г-образный фильтр 16. Мощность установки -10 кВт. Источником питания служила трехфазная сеть напряжением 380 В. Для измерения и снятия кривых токов и напряжений использовались цифровые и аналоговые приборы. Расположение измерительных датчиков показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема компенсированного выпрямителя с ОС на основе АИН

В результате экспериментального исследования получены характеристики компенсированного выпрямителя с ОС на основе АИН.

На рис. 2 и 3 представлены регулировочные характеристики выпрямителя при постоянстве нагрузки: при работе выпрямителя на холостом ходу; при работе на нагрузку в 82 Ом; при работе на нагрузку в 52 Ом. Напряжение на выходе согласующего трансформатора находилось в фазе с сетевым напряжением.

На рис. 4 и 5 представлены внешние характеристики исследуемого агрегата. Из них следует, что регулирование выходных параметров компенсированного выпрямителя может осуществляться как за счет амплитудного (рис. 4), так и фазового (рис. 5) регулирования, а также совместного регулирования.

В ходе эксперимента установлено, что угол сдвига фаз первых гармоник сетевого напряжения и тока изменяется мало (в пределах 3°). Это гово рит о том, что при регулировании полностью компенсированный выпрямитель продолжает работать в режиме компенсации. Об этом также говорят осциллограммы, представленные на рис. 6- 8 при иАИн=300 В. В комплексе практически устанавливается режим, отвечающий работе компенсированного выпрямителя вблизи границы с повторной проводимостью вентилей (см. кривую напряжения на вентиле, рис. 6). Выпрямитель работает почти без потребления реактивной мощности, поскольку сетевой ток iA по существу синфазен с ЭДС сети (рис. 7). Напряжение на конденсаторе имеет классическую форму для компенсированных выпрямителей с 5 и 7 гармониками (рис. 8).

Эксперимент показал, что применение внешнего регулирующего устройства не снижает энергетических показателей компенсированного выпрямителя даже при глубоком регулировании и изменении нагрузки.

Преобразовательная техника

Рис. 2. Зависимость выпрямленного напряжения от амплитуды напряжения на выходе АИН

Рис. 3. Зависимость тока нагрузки от амплитуды напряжения на выходе АИН

Рис. 4. Характеристика компенсированного выпрямителя при амплитудном регулировании (напряжения сети и добавочное находятся в фазе)

Рис. 5. Характеристика компенсированного выпрямителя при фазовом регулировании (амплитудное напряжение АИН 11АИН=300 В)

Рис. 6. Напряжение на диоде фазы А и ток диодов фазы А и В

Рис. 7. Напряжение и ток сети

Рис. 8. Напряжение сети и напряжение на конденсаторе