Приборы и техника эксперимента, 2019, № 4, стр. 47-50

УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА С АКТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ МАГНИТА СП-41 УСТАНОВКИ BM@N КОМПЛЕКСА NICA

Г. М. Мустафа a, С. И. Гусев a*, А. М. Ершов a, Ю. М. Сеннов a, С. В. Чистилин a, В. Н. Карпинский b, А. А. Шурыгин b

a ООО “НПП ЛМ Инвертор”
111250 Москва, Красноказарменная ул., 12, Россия

b Объединенный институт ядерных исследований
141980 Дубна, Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6, Россия

* E-mail: gusev-si@inbox.ru

Поступила в редакцию 18.01.2019
После доработки 18.01.2019
Принята к публикации 21.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Источник ИП-2500 предназначен для питания магнита СП-41 – одного из ключевых элементов транспортного канала пучка заряженных частиц в экспериментальную зону установки BM@N (барионная материя на Нуклотроне) коллайдерного комплекса NICA, создаваемого в Объединенном институте ядерных исследований. Индуктивность магнита 2.3 Гн, активное сопротивление – 0.0896 Ом. Источник обеспечивает питание магнита СП-41 током 2500 А с относительной точностью 10–4.

Для сопровождения пучков заряженных частиц необходимы магнитные системы, источники питания которых должны обеспечивать высокую точность поддержания тока и малые пульсации, в том числе в условиях динамического изменения тока нагрузки в диапазоне от нуля до нескольких килоампер. Использование для фильтрации гармоник сетевого напряжения пассивных резонансных фильтров при динамическом изменении нагрузки неэффективно и может даже ухудшить ситуацию [1]. Применение для фильтрации и стабилизации напряжения последовательных активных элементов при больших токах нагрузки практически неприемлемо из-за чрезмерных потерь мощности.

В прецизионном источнике тока ИП-2500 для формирования сглаженного тока используется другое решение: основа тока формируется сильноточным тиристорным выпрямителем, а прецизионное отслеживание напряжения и фильтрация гармоник выпрямленного тока осуществляется специальным транзисторным конвертором – активным фильтром, включенным параллельно выпрямителю (рис. 1). Действие шунтирующего активного фильтра выпрямленного тока основано на применении быстродействующих широтно-модулированных транзисторных конверторов напряжения и новых технологий управления. Транзисторный конвертор с широтной модуляцией, исполняет функцию активного фильтра, а тиристорный выпрямитель выполняет вспомогательную функцию, разгружая транзисторный конвертор от больших токов. Выпрямитель также обеспечивает возможность динамического снижения тока с реверсом мощности путем изменения полярности выходного напряжения.

Рис. 1.

Структурная схема ИП-2500. ВВ – вакуумный выключатель, ТН – трансформатор сетевого напряжения, ТС – силовой трансформатор, В – выпрямитель, Ld – сглаживающий реактор, L1 – токоограничивающий реактор, R1 – демпфирующий резистор, C1, 2 – емкости выходного фильтра, ТТ – трансформатор тока, ДТ – датчик тока LEM, ДН – датчик напряжения; Кв – IGBT-конвертор, СУ – система управления.

Основные параметры прецизионного источника питания ИП-2500-280. Входные параметры: напряжение питающей сети (трехфазное, переменное) 6.3 кВ ± 10%; напряжение сети для собственных нужд – 3×380 В ± 10%; частота питающей сети 50 Гц ± 2%. Выходные параметры: номинальное выходное напряжение (постоянное) 280 В; номинальный выходной ток 2500 А; номинальная мощность 700 кВт; диапазон уставки выходного тока 100–2500 А, дискретность изменения выходного тока 0.25 А; точность поддержания тока – не хуже 0.25 А; уровень пульсаций напряжения – не более 0.3 В rms. Параметры нагрузки: индуктивность нагрузки 0.01–2.3 Гн; сопротивление нагрузки 10–100 мОм; охлаждение – жидкостное.

Применение активной фильтрации для выполнения жестких требований по точности поддержания тока и уровню пульсаций предопределено тем, что за последние годы разработаны теоретические и методические основы проектирования активных фильтров на основе транзисторных конверторов с широтно-импульсной модуляцией (ш.и.м.) [2]. Получен опыт их использования в сетях переменного тока класса 6–10 кВ промышленных предприятий [1, 3]. Для построения систем управления активных фильтров используется так называемый DSB-алгоритм управления ш.и.м.-конвертором [2]. Идея DSB-алгоритма заключается в последовательном построении регуляторов трех типов:

D – демпфирование (demp),

S – селективное подавление (select),

B – баланс (balance),

и последующем совмещении их действия.

Основная переменная управления – задание выходного напряжения uз(t) – образуется как трехкомпонентная сумма:

(1)
${{u}_{з }} = {{u}_{{{\text{demp}}}}} + {{u}_{{{\text{bal}}}}} + {{u}_{{{\text{sel}}}}}.$

Каждый из компонентов образуется своими обратными связями и выполняет свою функцию в комплексе задач конвертора. Компонент D (демпфирование) образуется с помощью обратной связи по выходному току активного элемента iаэ в соответствии с равенством: udemp(t) = Rаэiаэ(t). Компонент S (селективное подавление гармоник) образуется обратной связью по току нагрузки (в данном случае iн) с участием в образовании этой связи напряжения u1 и обеспечивает селективное подавление гармоник для всей совокупности избранных гармоник. Компонент В (баланс) образуется обратной связью по напряжениям накопительных конденсаторов звеньев постоянного напряжения ud1, ud2 модулей ш.и.м.-конвертора Кв1, Кв2 и выполняет задачу поддержания баланса мощности, а следовательно, напряжений накопительных конденсаторов в окрестности заданного уровня.

В источнике тока ИП-2500 функция формирования основы выходного тока источника возложена на 12-фазный тиристорный выпрямитель, составленный из двух параллельных мостов В1, В2, а функция поглощения пульсаций выпрямленного тока возложена на активный фильтр, выполненный на основе двух последовательно включенных IGBT-конверторов Кв1, Кв2 с высокочастотной широтной модуляцией, образующих пятиуровневый преобразователь напряжения.

Номинальное напряжение накопительных конденсаторов одного конвертора 175 В. Номинальный выходной ток 400 А. Каждый конвертор работает на частоте 24 кГц с 90°-ным сдвигом между ними. Эквивалентная частота модуляции выходного напряжения составляет 48 кГц. Ш.и.м.-пульсации фильтруются с помощью L-фильтра индуктивностью 20 мкГн. Совместным действием выпрямителя и конверторов обеспечивается прецизионное исполнение задаваемого тока нагрузки в катушке магнитной системы. Расчетный уровень пульсаций тока выпрямителя после сглаживания реакторами Ld1 и Ld2 составляет 140 А, после активной фильтрации – 0.25 А. Транзисторный конвертор рассчитан на ток, перекрывающий величину пульсаций тока выпрямителя. Высокочастотные гармоники выходного напряжения ИП-2500 дополнительно фильтруются с помощью CLC-фильтра с параметрами: C1 = 3.24 мФ, L1 = 3 мкГн, С2 = 3.24 мФ. Активное сопротивление R1, включенное параллельно L1, предназначено для демпфирования высокочастотных колебаний в контуре C1–L1–C2.

На рис. 2 приведена структурная схема системного регулятора ИП-2500. Транзисторный ш.и.м.-конвертор приближенно представлен линейным стационарным звеном с передаточной функцией Gаэ(p), которая связывает изображение задания тока Iаэ з и выходного тока активного элемента Iаэ:

(2)
${{I}_{{{\text{а э }}}}}(p){\text{ }} = {{G}_{{{\text{а э }}}}}(p){{I}_{{{\text{а э }}\,{\text{з }}}}}(p).$
Рис. 2.

Структурная схема системного регулятора ИП-2500.

Передаточная функция Gаэ(p) с достаточно точным приближением представляется с помощью полинома 4-го порядка:

(3)
${{G}_{{{\text{а э }}}}}(p) = \frac{{1.2p{{t}_{{{\text{aэ }}}}} + 1}}{{[{{{(p{{t}_{{{\text{aэ }}}}})}}^{2}} + 1][{{{(p{{t}_{{{\text{aэ }}}}})}}^{2}} + p{{t}_{{{\text{aэ }}}}} + 1]}},$
где tаэ – постоянная времени, примерно равная длительности такта ш.и.м.

Задание тока активного элемента iаэ з формируется регулятором напряжения Рег u, обеспечивая нулевые пульсации на конденсаторе C1. К заданию тока добавляется разность токов нагрузки и выпрямителя (iнid) и сигнал селективной фильтрации isel. Регулятор выходного тока Рег iн обеспечивает выполнение функционального назначения ИП-2500. Он вырабатывает на выходе задание напряжения u1 по заданию выходного тока iн и сигналу обратной связи с датчика выходного тока. Исполнительный регулятор тока действует, как фильтр нижних частот, обеспечивая подавление низкочастотных гармоник. Применение активной фильтрации позволяет существенно улучшить качество фильтрации, сводя гармоники в диапазоне частот от 100 до 600 Гц до незначительного уровня. Более высокие канонические гармоники отфильтровываются параметрически выходным пассивным СLC-фильтром. ИП-2500 был испытан в составе установки BM@N в ОИЯИ.

На рис. 3 приведена гистограмма гармонического состава выпрямленного напряжения при работе ИП-2500 на магнит СП-41 индуктивностью 2.3 Гн и активным сопротивлением 0.0896 Ом установки BM@N в ОИЯИ при нагрузке током 2500 А. Правые столбцы на гистограмме соответствуют работе активного элемента только в режиме демпфирования, а левые – в режиме демпфирования и селективного подавления гармоник.

Рис. 3.

Гармонический состав выходного напряжения ИП-2500 при нагрузке 2500 А.

Уровень максимальной (24-й) гармоники при работе ИП-2500 в режиме демпфирования и селективной фильтрации составляет всего 118 мВ.

Список литературы

  1. Гусев С.И., Мустафа Г.М. // Электроэнергия. Передача и распределение. 2018. № 4 (49). С. 58.

  2. Мустафа Г.М., Гусев С.И. Активные фильтросимметрирующие устройства для электроэнергетики. Saarbrucken: Lambert Academic Publishing, 2016.

  3. Мустафа Г.М., Гусев С.И. // Руководящие материалы по проектированию распределительных электрических сетей. 2017. № 6. С. 37.

Дополнительные материалы отсутствуют.