МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ МОЩНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ С ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ТОКОВОЙ ПЕТЛЕЙ В СРЕДЕ MATLAB SIMULINK

MODELLING AND ANALYSIS OF HIGH-POWER HIGH-VOLTAGE POWER SUPPLY WITH ENERGY TRANSFER BY CURRENT LOOP IN MATLAB SIMULINK ENVIRONMENT

Dmitry Seregin

Candidate of Engineering Sciences, National Research University "MPEI", Russia, Moscow

Igor Voronin

Doctor of Engineering Sciences, Assistant professor, National Research University "MPEI", Russia, Moscow

Maria Pavlova

Master student, National Research University "MPEI", Russia, Moscow

Dmitry Mostovoy

Postgraduate student, National Research University "MPEI", Russia, Moscow

Vladislav Gromov

Master student, National Research University "MPEI", Russia, Moscow

Аннотация. Высоковольтный источник питания (статический преобразователь электроэнергии) с высокой точностью стабилизации выходного напряжения, выполненный на основе токовой петли и многоячейковой структуры, необходим для функционирования широкого спектра перспективного промышленного оборудования. В статье представлена модель высоковольтного источника питания, с помощью которой подтверждается возможность передачи энергии посредством токовой петли.

Abstract. A high-voltage high accuracy power supply, made on the basis of a current loop and a multicell structure, is necessary for the operation of a wide range of advanced industrial equipment.  The paper presents a model of a high-voltage power supply that substantiates the possibility of energy transfer by means of a current loop.

Ключевые слова: высоковольтный источник питания; многоячейковый преобразователь; токовая петля; имитационное моделирование.

Keywords: high-voltage power supply; multicell converter; current loop; simulation modelling.

Введение. Быстродействующие статические преобразователи электроэнергии выполняются на основе транзисторных силовых ключей [1; 2; 4]. При построении высоковольтных источников питания широко применяется многоячейковая структура, так как коммутируемое транзисторами напряжение оказывается существенно меньше требуемого для соответствующей нагрузки. Можно выделить два основных подхода к построению многоячейковой целостности: структура с единым многообмоточным трансформатором и структура с ячейками, выполненными как отдельные преобразователи.

Основной сложностью при создании таких устройств является необходимость обеспечения изоляции между входными и выходными частями устройства или ячеек.

Для решения данной задачи в основу разрабатываемого подхода был заложен принцип передачи энергии с помощью токовой петли. В этом случае отрезок кабеля с высоковольтной изоляцией представляет собой приспособление с первичными обмотками всех трансформаторов тока источника. В отрезке кабеля расположен инвертор, который является входной частью источника и задает переменный ток. Ток преобразуется специальными  трансформаторами, выпрямляется, и энергия передается на выходы ячеек. Таким образом, простое применение кабеля с соответствующей изоляцией уже обеспечивает разобщенность между ячейками, что существенно упрощает конструкцию и изготовление источника.

Моделирование высоковольтного источника питания с уровнем выходного напряжения 60 кВ и мощность 20 кВт

Рисунок 1. Модель высоковольтного источника питания с уровнем выходного напряжения 60 кВ и мощность 20 кВт

Одним из основных этапов разработки источника питания с передачей энергии токовой петлей является создание и исследование имитационной модели устройства [5; 6]. Модель высоковольтного источника питания (рисунок 1) включает в себя следующие блоки:

1. Блок питания преобразователя;
2. Блок мостового инвертора;
3. Блок системы управления инвертора;
4. Блок управляемого выпрямителя;
5. Блок системы управления выпрямителя;
6. Блок группы управляемых выпрямителей.

Питание преобразователя осуществляется от трехфазной сети переменного тока класса напряжения 0,4 кВ с последующим выпрямлением напряжения посредством схемы трехфазного мостового выпрямителя и ёмкостного фильтра (рисунок 1 блок 1) [3].

Для реализации входного блока преобразователя выбрана схема мостового инвертора напряжения со стабилизацией выходного тока (рисунок1 блок2). Внутренняя структура модели системы управления инвертора (рисунок1 блок3) показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Внутренняя структура модели системы управления инвертора напряжения

Рисунок 3. Диаграммы работы инвертора напряжения: а) ток в токовой петле; б) напряжение на выходе датчиков тока петли и напряжение уставки; в) сигналы управления ключами VT3, VT4; г) сигналы управления ключами VT1, VT2; д) напряжение на выходе инвертора

Основной задачей инвертора является формирование тока в токовой петле. Для питания управляемых выпрямителей выбрана треугольная форма тока с частотой 25 кГц и амплитудой порядка 200 А (рисунок 3а). Выбор частоты и формы тока обусловлен достижением приемлемого баланса между габаритами преобразователя (силовых трансформаторов тока и фильтров) и потерями на переходные процессы. Система управления инвертора стабилизирует ток в петле по принципу фазового управления: транзисторы VT1 и VT2 проводят на всей половине периода (рисунок 3г), а основное регулирование осуществляется за счет соответствующего управления транзисторами VT3 и VT4. Система управления получает на вход сигнал с трансформаторных датчиков тока ДТ1 и ДТ2 (рисунок 1), который далее сравнивается с сигналом уставки (рисунок 3б). Таким образом, формируются сигналы управления транзисторов VT3 и VT4 (рисунок 3в). В случае, когда амплитуда тока не может достичь своего номинального значения на половине периода коммутации, транзисторы VT3 и VT4 управляются от мультивибратора, отвечающего за коммутацию ключей VT1 и VT2 (то есть инвертор проводит ток на всей половине периода). Данные сигналы управления формируют такое напряжение на выходе инвертора (рисунок 3д), чтобы при приложении его к дросселю L1 в токовой петле сформировался треугольный ток с требуемой частотой и амплитудой.

Выходной блок преобразователя – управляемый выпрямитель (рисунок 1 блок 4) выполнен на основе однофазной мостовой схемы, при этом два нижних диода-моста заменены на MOSFET транзисторы, а их встречно-параллельные диоды работают как диоды выпрямителя. Внутренняя структура системы управления выпрямителя представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Внутренняя структура модели системы управления управляемого выпрямителя

Система управления выпрямителя работает по следующему принципу:

1) ГЛИН синхронизируется с входным током (рисунок 5а) с помощью резистивных датчиков входного напряжения ДН1 и ДН2 (рисунок 1);

2) ПИ-регулятор осуществляет регулирование с обратной связью по выходному напряжению выпрямителя;

3) Блок ШИМ сравнивает ГЛИН с сигналом управляющего воздействия ПИ-регулятора (рисунок 5б). Входящий в его состав RS-триггер формирует импульсы управления ключами VT5, VT6 (рисунок 5в).

4) За счет подобного управления выходное напряжение выпрямителя стабилизируется на уровне 800 В с высокой точностью (рисунок 5г).

Рисунок 5. Диаграммы работы выпрямителя: а) входной ток; б) ГЛИН и ПИ-регулятор; в) сигналы управления ключами VT6, VT5; г) напряжение на выходе выпрямителя

Блок группы управляемых выпрямителей (рисунок 1 блок 6) содержит в себе 74 управляемых выпрямителя, соединенных последовательно, что позволяет получить на выходе преобразователя требуемые уровни выходного напряжения – 60 кВ и мощности – 20 кВт.

Вывод. Данная модель позволила подтвердить работоспособность идеи передачи энергии с помощью токовой петли. Важно отметить, что на выходе преобразователя достигается высокая точность стабилизации выходного напряжения (не хуже ±0.15 %) за счёт соответствующего управления выпрямителями.

Исследование было выполнено в рамках проекта «Разработка и исследование подхода к построению мощных источников питания с уровнем выходного напряжения более 50 кВ» при поддержке гранта для реализации научно-исследовательских программ «Приоритет 2030: Технологии будущего» на 2022 – 2024 гг. от НИУ «МЭИ».