1.6. Последовательное, параллельное и комбинированное соединение высоковольтных источников электропитания

Последовательно-параллельное соединение ВР1ЭП, разработанных по определенной шкале выходных токов и напряжений, позволяет удовлетворить потребности большинства потребителей при разработке систем высоковольтного электропитания. При этом сокращается номенклатура разрабатываемых ВИЭП, расширяются возможности их применения, повышается надежность и гибкость построения систем.

Последовательно-параллельное соединение ВИЭП предъявляет определенные требования к единичному ВИЭП, который должен, обеспечивать возможность их параллельного, последовательного и комбинированного включения для получения требуемых значений выходных токов и напряжений. При параллельной работе ВИЭП необходимо принимать меры, обеспечивающие равномерное распределение тока нагрузки между отдельными ВИЭП, которое зависит от выходного сопротивления каждого ВИЭП. Распределение тока нагрузки при параллельной работе обратно пропорционально выходному сопротивлению ВИЭП.

Разработано большое количество специальных схем, обеспечивающих равномерное распределение токов нагрузки при параллельном соединении источников электропитания. Однако реализация этих схем при высоковольтном выходе представляет значительные трудности и требует специальных мер по развязке высоковольтных и низковольтных цепей. Можно обеспечить равномерное распределение токов между параллельно работающими ВИЭП без применения специальных схем. В этом случае ВИЭП должен обладать выходной и, вольт-амперной характеристикой, показанной иу на рис. 1.74. При токе нагрузки меньше некоторого номинального значения ВИЭП работает в режиме стабилизации выходного напряжения, а при достижении им номинального значения переходит в режим стабилизации тока нагрузки, при котором значение выходного Вольтам-напряжения f/зых поддерживается на уровне, стТавы™ольт"-обеспечивающем постоянство тока нагрузки, ного источника При параллельном соединении ВИЭП с такой электропитания выходной вольт-амперной характеристикой

выходной ток каждого из них не может превышать определенного номинального значения iHOM-

Предположим, что выходные напряжения параллельно включенных ВИЭП не равны между собой и имеют значения

Ubux, Ubux + MJu С/вых+Д2, ... ,

С/вых+At/n-b Ueux+Un,

где Af/„>Af/„ i> ... >Af/2>Af/i.

При включении ток нагрузки будет потребляться от ВИЭП с выходным напряжением /вых+ДЬп, от остальных ВИЭП в это вр -мя не потребляется ток нагрузки, так как их выходные нaпpяж. ния меньше. Как только ток нагрузки достигнет значения, равного номинальному выходному току для данного ВИЭП, выходное напряжение этого ВИЭП будет уменьшаться при /вых>/ном. При уменьшении выходного напряжения до /вых+Ди-1 в работу включается второй ВИЭП, который будет стабилизировать выходное напряжение на уровне [/вых+ДЬп-! до тех пор, пока его выходной ток не достигнет установленного номинального значения. При дальнейшем увеличении тока нагрузки в работу включаются третий, четвертый и последующие ВИЭП. Последним в работу включится ВИЭП с минимальным выходным напряжением U вых, и Ни-пряжение на выходе параллельно включенных стабилизирующих ВИЭП будет поддерживаться на этом уровне. Число параллельно включенных ВИЭП должно быть выбрано таким, чтобы максимальный выходной ток системы высоковольтного электропитания не превышал суммы номинальных токов потребления всех параллельно включенных ВИЭП, т. е. должно соблюдаться неравенство

вых -ном п "t~ -ном (п-I) ~Ь ••• ~Ь -ном 2 ~Н -ном 1 ~ 2 -ном*

При /вых>1/ном система выходит из режима стабилизации выходного напряжения и переходит в режим стабилизации тока нагрузки. Таким образом, при параллельном соединении ВИЭП, обладающих указанной вольт-амперной характеристикой, возможен уход выходного напряжения в процессе работы на напряжение,, равное разности максимального и минимального значений выходного напряжения. Указанная разность напряжений не должна превышать заданного значения.

В процессе работы при изменении сопротивления нагрузки к ней будет подключаться неодинаковое число параллельно соединенных ВИЭП. Так, в режиме, близком к холостому ходу, к нг-грузке будет подключен только один ВИЭП, который в этом сл} чае имеет максимальное значение установленного выходного т пряжения, а при максимальном токе нагрузки все параллельн включенные ВИЭП. Следовательно, уход выходного напряжени-? при изменении тока нагрузки от О до /вых будет равен

Бых г - Un-\- /„пм Явых п + ном -вых И

где Af/n - разность напряжений, установленных на выходе включенных параллельно ВИЭП; А/

ном - изменение тока нагрузки, пр котором ВИЭП переходит в режим стабилизации тока; ?выхп - внутреннее сопротивление ВИЭП с максимальным выходным н£-пряжением; Rbuxi - внутреннее сопротивление ВИЭП с минимальным выходным напряжением.

При JRbux п~Явых 1 -Яылх

Д/выхг=Д/п + 2/ном?вых-

при построении ВИЭП на полную выходную мощность АПвыхг

~ IbuxRbhX 76

Из приведенных зависимостей видно, что составляющая нестабильности выходного напряжения, вызванная изменением тока нагрузки в процессе работы при параллельном соединении ВИЭП, значительно ниже, чем у ВИЭП, построенных на всю выходную мощность. Разность напряжений на выходе ВИЭП, включенных параллельно, может быть установлена с точностью измерительного прибора.

Введение дополнительных параллельно включенных ВИЭП, обеспечивающих определенную избыточность, позволяет значительно повысить надежность системы высоковольтного электропитания. Однако при этом должны быть созданы такие условия, при которых любые отказы отдельных «избыточных» ВИЭП не должны нарушать работоспособность системы в целом, т. е. должно быть обеспечено отключение этих ВИЭП от системы. Кроме того, параллельное соединение ВИЭП с ППЧ в случае постоянства частоты преобразования всех ВИЭП и при условии синхронизации работы отдельных ВИЭП от одного из них или при общей синхронизации позволяет обеспечить сдвиг фазы напряжений пульсации на выходе каждого ВИЭП. При этом обеспечивается л-фазное выпрямление при суммировании выходного тока.

Угол сдвига между напряжениями пульсации ВИЭП определяется значением 1807п при п параллельно соединенных ВИЭП. Для обеспечения пульсаций менее 1% достаточно 8... 10 ВИЭП; при этом значительно сокращается объем конденсаторов выходных фильтров при необходимости получения более низкого уровня пульсаций выходного напряжения.

В § 1.4.6 рассматривались схемы высоковольтных трансформа-торно-выпрямительных модулей, в которых выпрямители соединены последовательно-параллельно по выходу и подключены к вторичным обмоткам трансформатора, расположенным на одном сердечнике; при этом первичная обмотка подключается к выходу инвертора с частотой преобразования 20... 25 кГц. Такой ВТВМ может быть выполнен на выходную мощность 1 кВт с выходным напряжением 1, 2 или 4 кВ. Несколько ВТВМ допускают последовательно-параллельное соединение по выходу. Конфигурация стандартных сердечников позволяет выполнить изоляцию между первичной и вторичными обмотками трансформатора на рабочее напряжение 30 ...40 кВ.

Как уже указывалось, современная элементная база позволяет разрабатывать инверторы с резонансным LC-контуром на выходе с частотой преобразования 20 ... 25 кГц на единичную выходную мощность 1; 2,5 или 5 кВт. Имеется принципиальная возможность увеличения единичной мощности инвертора до 10 ...20 кВт. Однако к выбору единичной мощности инвертора надо подходить весьма осторожно. Увеличение единичной мощности приводит к увеличению массы и габаритов его силовой части, входного выпрямителя, входного фильтра, резонансного LC-контура, к росту потерь Мощности в единичном объеме. При этом уменьшение доли узла Управления в общем объеме единичного модуля инвертора при его