Принцип работы стабилизаторов Донстаб™ и некоторые требования, предъявляемые к качеству электроэнергии

В стабилизаторах напряжения переменного тока Донстаб™, для плавного регулирования напряжения используется принцип двухуровневой коммутации. Рассмотрим подробнее как это работает (рис.1).

Пусть имеется два источника переменного напряжения:

1. с напряжением 240В
2. с напряжением 200В

Нам же необходимо получить 220В.

Если с помощью силового коммутатора попеременно подключать нагрузку к источнику1 - 240В, и к источнику2 - 200В, и, если время, на которое попеременно подключены разные источники, будет одинаковым, то на нагрузке усредненное напряжение получится 220В.
Меняя соотношение между временем подключения источника 1 и 2, можно плавно регулировать усредненное напряжение на нагрузке от 200 до 240 (В). А если такую коммутацию проводить каждый полупериод сетевого напряжения (то есть два раза переключаться в положительную и два раза в отрицательную полуволну), можно получить плавную регулировку действующего, теперь уже за период, значения напряжения на нагрузке.
В реальных стабилизаторах, обычно, используется структура, показанная на рис.2, где меняющееся входное напряжение попеременно подают на соответствующие отводы автотрансформатора, к которому и подключена нагрузка.

Временная диаграмма работы ключей и форма выходного напряжения, поясняющие работу структурной схемы, приведена на рис.3.

Как видно по схеме (рис.2), входное напряжение через силовые ключи К1 и К2 подается на соответствующие обмотки автотрансформатора. В зависимости от уровня входного напряжения выбирается соотношение между моментом (или фазой) переключения обмоток силовыми ключами К1 и К2. Таким образом, если входное напряжение приближается к значению 240 В. (верхний по схеме отвод), большую часть времени будет открыт ключ К1. Если напряжение уменьшается, время открытия К1 также уменьшается, соответственно, увеличивая время открытия ключа К2. Следует отметить, что в любой момент времени в проводящем состоянии может находиться только один из двух ключей К1 или К2. Иначе будет короткое замыкание обмотки.

Такая схема, с двумя ключами и приведенным в примере значением напряжений, обладает рядом недостатков, ограничивающих ее применение. Самые существенные из них - это узкий рабочий диапазон входных напряжений и относительно большой коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения.
Для схемы из двух ключей обе эти величины находятся в прямой зависимости друг от друга, то есть при расширении диапазона входных напряжений увеличивается и коэффициент гармоник.
Расширить диапазон в сторону больших напряжений, можно, введением дополнительных обмоток автотрансформатора с силовыми ключами (ступеней). Это справедливо для автотрансформаторов с фиксированным количеством витков между соседними отводами. Системы с переменным шагом мы не рассматриваем.
А вот расширение диапазона в нижнюю сторону ограничено соотношением между напряжением нижней границы диапазона регулирования и напряжением ступени. Так как от этого соотношения напрямую зависит коэффициент гармоник выходного напряжения стабилизатора.
Обратимся к требованиям стандарта. ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» устанавливает значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения. Значения приведены в таблице 1.

Нечетные гармоники, не кратные 3, при U_ном, кВ					Нечетные гармоники, кратные 3**, при U_ном, кВ					Четные гармоники при U_ном, кВ
n*	0,38	6-20	35	110-330	n*	0,38	6-20	35	110-330	n*	0,38	6-20	35	110-330
5	6,0	4,0	3,0	1,5	3	5,0	3,0	3,0	1,5	2	2,0	1,5	1,0	0,5
7	5,0	3,0	2,5	1,0	9	1,5	1,0	1,0	0,4	4	1,0	0,7	0,5	0,3
11	3,5	2,0	2,0	1,0	15	0,3	0,3	0,3	0,2	6	0,5	0,3	0,3	0,2
13	3,0	2,0	1,5	0,7	21	0,2	0,2	0,2	0,2	8	0,5	0,3	0,3	0,2
17	2,0	1,5	1,0	0,5	>21	0,2	0,2	0,2	0,2	10	0,5	0,3	0,3	0,2
19	1,5	1,0	1,0	0,4						12	0,2	0,2	0,2	0,2
23	1,5	1,0	1,0	0,4						>12	0,2	0,2	0,2	0,2
25	1,5	1,0	1,0	0,4
>25	0,2+1,3 х 25/n	0,2+0,8 х 25/n	0,2+0,6 х 25/n	0,2+0,2 х 25/n
n* - номер гармонической составляющей напряжения. ** Нормально допустимые значения, приведенные для n, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньшими приведенных в таблице

Как видно из приведенной таблицы уровень третьей гармоники для однофазных сетей не должен превышать 5%.
Ниже приведен (рис.4) график зависимости напряжения коммутации (ступени) от напряжения нижней границы диапазона регулирования, при уровне третьей гармоники не превышающей требуемых 5%. Все напряжения приведены в действующих (среднеквадратичных) значениях.

Из графика (рис.4) видно, что для обеспечения требований ГОСТ 13109-97 к уровню гармонических составляющих, нижняя граница диапазона регулирования не должна быть ниже:

• 120 В, для напряжения коммутации 20 В.
• 180 В, для напряжения коммутации 30 В.
• 240 В, для напряжения коммутации 40 В.

Кроме этого, нужно , что расчет уровня третьей гармоники проводился в таких точках регулирования, где уровень третьей гармоники максимален. Эта точка соответствует фазовому сдвигу точки переключения равному 90°. Суммарный коэффициент гармоник считался по формуле:

На рис. 5 показана зависимость нелинейных искажений напряжения в стабилизаторах Донстаб™ от фазы регулирования для напряжения 220-240В. А на рис. 6 для напряжения 140-160В.

Нижняя граница рабочего диапазона стабилизаторов Донстаб™ выбрана с запасом и составляет 140 В.
Количество силовых ключей — семь.
Таким образом, напряжения на отводах автотрансформатора будут соответственно 140, 160, 180, 200, 220, 240 и 260 Вольт.
Осциллограмма выходного напряжения стабилизатора Донстаб™, при угле коммутации 90°, приведена на рис. 8.

Работа на реактивную нагрузку. Рекуперация

Ранее мы рассматривали работу тиристорных стабилизаторов с двухуровневой коммутацией при работе на активную нагрузку. При работе на реактивную нагрузку возникает ряд особенностей, прежде всего связанный с работой тиристорных ключей. На участках, где полярность тока и напряжения, приложенного к тиристорному ключу не совпадают ("мертвая зона") — регулировка становится невозможной. Это сужает диапазон регулирования, а на некоторых участках регулирования появляются «мертвые зоны», что в конечном счете, при наличии глубокой обратной связи по напряжению, приведет к возникновению колебаний напряжения на выходе стабилизатора. Чтобы это не происходило, необходимо часть, либо всю реактивную составляющую мощности нагрузки рекуперировать обратно в сеть.
Существует несколько способов рекуперации.
Часто для этих целей используют транзисторные двунаправленные ключи, подключенные параллельно силовым тиристорам. Причем коммутируемая этими ключами мощность в сотни и более раз ниже мощности, коммутируемой силовыми тиристорами. При выборе ключей, обычно, руководствуются принципом, что величина реактивного тока будет небольшой - до 1А.
По нашему мнению, применение маломощных транзисторных ключей, являющихся элементом ненадежности, не всегда оправдано. А в мощных стабилизаторах и вовсе недопустимо. Справедливости ради следует отметить неоспоримые достоинства стабилизаторов с таким техническим решением — это устойчивая работа на холостом ходу и при малых реактивных токах емкостного характера.

Чтобы обосновать наш выбор, приведем, в качества примера, несколько цифр. Согласно ГОСТ 19880-74, коэффициент мощности (cosφ), это отношение активной мощности к полной: cosφ = P / S; тогда активная составляющая мощности P = S * cosφ, а реактивная Q = S * sinφ.
Типовые значения коэффициента мощности:

• 1 - идеальное значение
• 0.9 — хороший показатель
• 0.8 — типовая промышленная нагрузка
• 0.7 — компьютерная нагрузка
• 0.65 — двухполупериодный выпрямитель

Если коэффициент мощности нагрузки будет = 0,9 , а мощности 22КВА, при Iп=100А
P = S * cosφ = 22000ВА * 0,9 = 19800Вт. Активная составляющая тока Ia = 90А
Q = S * sinφ = 22000ВА * 0,44 = 9589ВА. Реактивная составляющая тока Ix = 43А
А среднеквадратичное значение тока рекуперации, в нашем случае, составит Ir = 30A
Для S = 14000ВА Ia = 57A, Ix = 28A. Ir = 19A
Для S = 7000ВА Ia = 28A, Ix = 14A. Ir = 9,6A

На рис.9 приведены графики полного Iп (зеленая линия), активного (синяя линия), и тока рекуперации (красная линия) для стабилизатора с полной мощностью нагрузки 22 КВА и cosφ = 0,9.На рис.10 показан прямой ток, протекающий через коммутирующий элемент.

Отсюда можно сделать вывод, что даже при хороших показателях коэффициента мощности (0,9), ток рекуперации достигает значительных величин. Его амплитуда составляет 61А. Элементы цепей рекуперации, выполненные на транзисторах, по своим токовым показателям должны быть соизмеримы с токовыми характеристиками основных силовых ключей - тиристоров. А по цене будут значительно превосходить. При этом, смысл применения транзисторов в цепях рекуперации, теряется. Эти соображения, а также необходимость обеспечить надежную работу стабилизатора при любых видах нагрузки, и определили наш выбор в пользу применения автоматического перехода стабилизатора в ступенчатый режим работы, при низких коэффициентах мощности нагрузки.

Эти расчеты справедливы только по отношению к линейным нагрузкам. На нелинейные нагрузки, (у которых крест фактор >1), компьютеры, телевизоры, импульсные источники питания, это не распространяется.

В стабилизаторах Донстаб™ мы использовали два способа рекуперации.
Так в режиме плавного регулирования используется частичная рекуперация, то есть двунаправленную проводимость имеет только верхний по схеме ключ К1 (см. рис. 2) и только во II и IV четверти периода. Это позволяет, защитить нагрузку от мгновенных перенапряжений, которые могут возникнуть при непостоянной реактивной нагрузке, разрывах или скачках тока. Нормальное регулирование (со стабильным, в пределах 1%, выходным напряжением) в случае появления реактивного тока будет продолжаться до тех пор, пока фаза переключения обмоток не попадет в «мертвую зону», и при этом сдвиг фаз между током и напряжением (ширина «мертвой зоны») будет больше 40-45°. Плавная регулировка становится невозможной. В этом случае следует автоматический переход в ступенчатый режим с полной рекуперацией реактивной мощности. В этом режиме величина продолжительного тока рекуперации будет ограничена только величиной максимально допустимого тока через стабилизатор. А мгновенные значения реактивного (так же как и активного) тока могут в десятки раз превышать максимально допустимый ток для конкретной модели стабилизатора. Отрицательная сторона такого решения - это уменьшение точности поддержания выходного напряжения до уровня ±7,5%. Такое же как в обычном стабилизаторе ступенчатого типа.

«Стук» при переключении ступеней

Необходимо затронуть еще одну немаловажную проблему — так называемый «стук», а иначе кратковременное короткое замыкание обмотки автотрансформатора при переключении обмоток в тиристорных стабилизаторах ступенчатого типа.

Данная проблема возникает в основном в стабилизаторах, использующих при переключении ступеней датчик тока, особенно при низких cos φ, разрывах или скачках тока. Возникающая ошибка в датчике тока приводит к тому, что сигнал на переключение ступени подается до того как закрылись тиристоры. Возникает короткое замыкание, до окончания текущего полупериода тока в короткозамкнутой обмотке.

Эти недостатки сужают область применения стабилизаторов, построенных на описанных выше принципах управления силовыми ключами.

В стабилизаторах Донстаб™ для переключения ступеней используется принцип естественной коммутации тиристоров, позволяющий избежать коротких замыканий обмотки при переключении ступеней даже при cos φ близком к нулю. Говоря другими словами, пока не закроется предыдущая ступень, последующая не включится, несмотря на поданные сигналы управления.

Это позволяет эксплуатировать стабилизаторы Донстаб™, работающих в ступенчатом режиме, с любыми видами нагрузки в разрешенном диапазоне токов и напряжений, а также в условиях сильных помех и скачков напряжения, dU/dt и dI/dt которых не превышают допустимые, для используемых в стабилизаторах силовых тиристорных модулей.

Быстродействие - реакция на изменяющееся входное напряжение или нагрузку

Время реакции стабилизатора на изменяющееся входное напряжение или нагрузку складывается из двух задержек:

• времени реакции измерителя входного/выходного напряжения
• времени реакции силового исполнительного элемента

Для силовых ключей время реакции определено частотой коммутации:

• для транзисторов в регуляторе с ШИМ — это частота ШИМ
• для тиристоров в регуляторах с одноуровневой коммутацией (ступенчатых), - это частота сети 50Гц.
• в тиристорных регуляторах с двухуровневой коммутацией, как отмечалось выше, - это учетверенная частота сети 200 Гц.

В качестве измерителей напряжения в современных стабилизаторах используют АЦП с последующей микропроцессорной обработкой.
В классическом измерителе за время прохождения периода (полупериода) измеряемого напряжения происходит накопление, возведение в квадрат и суммирование данных АЦП. По окончании периода (полупериода) — нормировка и вычисление среднеквадратичного значения напряжения. Задержка реакции в этом случае составит 20 (10) мсек.
Таким образом, если напряжение в какой-то момент времени изменится, информация об этом будет доступна только в следующем периоде (полупериоде) измеряемого напряжения.
Для ускорения процесса измерения используют различные способы: от вычисления мгновенного значения напряжения ошибки при сравнении измеряемого напряжения с эталоном, хранящимся в памяти, и последующим сложением входного напряжения с напряжением ошибки для получения на выходе формы и значения напряжения максимально приближенными к эталону; до использования для измерения специальных алгоритмов обработки, например адаптированный фильтр Калмана. Фильтр Калмана использует вероятностную модель динамики измеряемой величины, что позволяет снизить воздействие шума и получить хорошие оценки измеряемой величины в настоящий, будущий или прошедший момент времени.
В стабилизаторах Донстаб™ используются два измерителя напряжения. Измеритель выходного напряжения, использует классический метод измерения среднеквадратичного значения напряжения и служит для вычисления величины компенсации падения напряжения на элементах стабилизатора при различных токах нагрузки. А измеритель входного напряжения обладает быстрой реакцией с переключаемым коэффициентом, определяющим соотношение между скоростью реакции (прогнозом) и точностью конечного измерения.