В статье рассмотрена очень важная проблема — определение параметров входного фильтра инверторов. Значимость проблемы обусловлена строгостью стандартов, определяющих требования к качеству напряжения питающей сети. Приведены практические рекомендации по выбору параметров фильтра. Статья является сокращенным переводом [1].
Почти во всех импульсных источниках питания мощностью от нескольких киловатт и выше применяются трехфазные мостовые выпрямители. Обычно они состоят из шестидиодной мостовой схемы и емкостного фильтра для фильтрации пульсаций выходного напряжения. Емкостной фильтр влияет на коэффициент мощности, входные нелинейные искажения и пульсации выходного напряжения.
По требованиям Европейского Стандарта IEC 61000 3 12 величина THD для входного тока не должна превышать 48% в диапазоне среднеквадратичного (RMS) значения входного тока 16…75 А на фазу. Для менее мощных устройств — до 16 А на фазу. Европейский Стандарт IEC 61000 3 2 установил еще более строгий лимит по THD входного тока — 33,8%. Оба значения относятся к токам, протекающим по входным силовым проводам питающей сети, форма напряжения в которых практически близка к синусоиде. Это самый сложный сценарий работы для трехфазного выпрямителя с точки зрения выполнения жестких требований по THD и коэффициенту мощности.
Коэффициент мощности стандартного однофазного мостового выпрямителя, работающего на резистивную нагрузку, без емкостного фильтра составляет 100%, при этом THD = 0. В трехфазном мостовом выпрямителе при тех же условиях коэффициент мощности уже 95%, а THD = 30%. Выходной емкостной фильтр снижает коэффициент мощности и увеличивает THD. К сожалению, импульсные источники питания не могут работать без емкостного фильтра. Это необходимое условие, как для эффективного преобразования энергии, так и для снижения кондуктивного излучения на иловой линии.
На рисунке 1 показан фрагмент схемы типового мощного инвертора, состоящего из EMI-фильтра, трехфазного мостового выпрямителя и мостового инвертора на IGBT. Выходной емкостной фильтр состоит из конденсаторов С1, С2, С3, С4 и С5, соединенных параллельно. C3 и C4 являются демпфирующими конденсаторами, встроенными в IGBT-модуль. Их задача — предохранять IGBT-модуль от опасных выбросов напряжения во время выключения IGBT. Их емкость обычно составляет около 2 мкФ, они имеют очень низкую ESL (ESL — эквивалентная последовательная индуктивность) и могут работать при высоких номинальных RMS-значениях пульсирующего тока.
| Рис. 1. Типовая схема силового инвертора |
 |
Конденсаторы C2 и C5 представляют собой накопители энергии для преобразования мощности. Через них проходит значительный пульсирующий ток дважды за период переключения. Форма этого тока схожа с формой тока инвертора, а его амплитуда практически равна абсолютному значению тока инвертора. Отсюда следует, что суммарное значение емкостей С2 и С5 должно быть достаточно большим для предотвращения возникновения больших высокочастотных пульсаций выходного напряжения. Дополнительно к этому, они должны выдерживать очень высокие RMS-значения пульсирующего тока.
С другой стороны, необходимость использования больших значений С2 и С5 ведет к снижению коэффициента мощности и неприемлемой величине THD на входе. Дроссели L1, L2 и конденсатор С1 составляют симметричный фильтр нижних частот, подавляющий пульсации выпрямленного напряжения. Резисторы R1 и R2 уменьшают паразитные составляющие гармоник частоты переключения. Конденсатор С1, также как и конденсаторы С2 и С5, вносит свой вклад в общую выходную емкость, влияющую на величину коэффициента мощности и THD.
Для определения количественного соотношения между суммарным значением коэффициента нелинейных искажений (THD) и характеристиками схемы трехфазного мостового выпрямителя введем коэффициент М, являющийся функцией от параметров емкостного фильтра и мощности инвертора. Как правило, чем ниже М, тем ниже THD, но выше высокочастотные пульсации напряжения на выходных конденсаторах.
В таблице 1 приведены расчетные характеристики схемы в виде функции от М при типовой частоте переключения силового инвертора, равной 30 кГц. Из таблицы видно, что низкая частота в шесть раз больше частоты линейного напряжения, т.е. равна 300 или 360 Гц. Высокая частота равна двойной частоте переключения инвертора, т.е. 60 кГц. Оба типа пульсирующего напряжения при наложении составляют усредненное выпрямленное напряжение. Данная таблица позволяет разработчикам импульсных источников питания быстро и легко, без проведения сложных математических расчетов, выбирать соответствующие параметры схемы.
Таблица 1. Характеристики схемы в виде функции от М для типовой частоты переключения инвертора 30 кГц
|
Коэффициент М |
Коэффициент мощности,% |
THD входного тока, % |
Низкочастотные |
Высокочастотные |
|
40000 |
95 |
33 |
±7,2 |
±0,43 |
|
100000 |
90 |
48 |
±7,4 |
±0,18 |
|
150000 |
83 |
66 |
±7,8 |
±0,11 |
|
200000 |
76 |
83 |
±8 |
±0,09 |
|
300000 |
67 |
108 |
±7,4 |
±0,06 |
На рисунках 2 и 3 показаны осциллограммы рассматриваемой схемы, при линейном переменном напряжении, равном 208 В, М = 40000 (THD = 33%) и M = 100000 (THD = 48%). Фазовый спектр входного тока содержит много нечетных гармоник частоты линейного напряжения, но только 5-я, 7-я и 11-я гармоники оказывают существенное влияние на THD. Пятая гармоника вносит самый большой вклад в THD во всех трехфазных мостовых выпрямителях.
| Рис. 2. Осциллограммы при М = 40000: желтый график – линейное напряжение между фазами «А» и «В», синий график – входной ток на фазе «А», красный график – выходное напряжение |
 |
| Рис. 3. Осциллограммы при М = 100000: желтый график – линейное напряжение между фазами «А» и «В», синий график – входной ток на фазе «А», красный график – выходное напряжение |
 |
Высокочастотные пульсации напряжения, связанные с работой инвертора, порождают дифференциальные электромагнитные помехи и высокое среднеквадратичное значение пульсирующего тока через выходные конденсаторы С2 и С5. Выбранные конденсаторы должны выдерживать этот ток. Высокочастотные пульсации напряжения обратно пропорциональны частоте переключения инвертора. Среднеквадратичное значение тока через выходной конденсатор не зависит от частоты переключения, но зависит от схемы используемого силового инвертора.
На входе силового инвертора, работающего совместно с трехфазным мостовым выпрямителем, из-за сложения пульсаций напряжения низкой и высокой частот возникают значительные колебания напряжения. Например, если источник питания работает от промышленной трехфазной сети 208 В ±10%, 60 Гц при максимально разрешенном THD = 48%, мгновенное выходное напряжение во время работы может варьироваться в диапазоне 220…320 В. Очевидно, что широкий диапазон выходных напряжений отрицательно сказывается на работе силового инвертора.
Почти все используемые мостовые схемы инверторов не могут вырабатывать пиковое переменное напряжение выше, чем выходное. Поэтому пиковое напряжение инвертора должно быть ниже, чем минимально возможное мгновенное выходное напряжение. Это ведет к значительному увеличению пикового тока на входе и выходе инвертора, что необходимо для поддержания требуемого уровня выходной мощности, что, в свою очередь, ведет к снижению эффективности преобразования энергии и увеличению высокочастотных пульсаций выходного напряжения.
Однако существуют две известные схемы мостовых повышающих/понижающих инверторов, лишенных этого недостатка. Первая схема — хорошо известный LLC-инвертор, а вторая — это менее известный CLC-инвертор. Оба могут создавать пиковое переменное напряжение, которое выше по амплитуде, чем входное напряжение. В CLC-инверторе более низкие потери на переключение и более низкий уровень высокочастотных электромагнитных помех, чем в LLC-инверторе. Однако он содержит дополнительные демпфирующие конденсаторы, подключенные параллельно каждому IGBT.
Данные по высокочастотным пульсациям напряжения, приведенные в таблице, вычислены для LLC- или CLC-инверторов. Выбранное пиковое напряжение инвертора равно усредненному выпрямленному напряжению при номинальном линейном напряжении. Это значит, что оно выше минимально возможного выходного напряжения, но ниже максимально возможного.
При поиске компонентов для 25-кВт инвертора, работающего от линейного переменного напряжения 208 В, разумно выбрать следующие: 230 мкФ, 500 В для С1, С2, С5 (ECI UL30 или подобного типа); 47 мкГн, 100 А для L1, L2; 4,7 Ом, 100 Вт для R1, R2. В данном примере М = 100000 при полной выходной мощности. В этих условиях уровень кондуктивных электромагнитных помех отвечает всем промышленным международным требованиям, даже при использовании простого однокаскадного входного фильтра электромагнитных помех, показанного на рисунке 1.
Литература
1. Selecting Filter Capacitors forThree Phase Bridge Rectifiers// http://powerelectronics.com/passive_components_packaging_interconnects/capacitors/selecting-filter-capacitors-rectifiers-201007/
2. International Standard CEI/IEC 61000-3-12:2004
3. A. Sokolov. 100 kw DC/DC-converter Employs Resonant π Filter. Power Electronic Technology, Jan. 2009, p. 18–21.