Моделирование и анализ работы активного выпрямителя AFE

Пример посвящен моделированию и анализу работы активного выпрямителя AFE (Active Front End), включая исследование его алгоритмов управления, режимов потребления и рекуперации энергии. На основе моделирования в Engee продемонстрированы ключевые преимущества AFE: поддержание коэффициента мощности близкого к 1, снижение гармонических искажений тока до 5,8% и стабилизация напряжения в звене постоянного тока. Результаты работы актуальны для разработчиков систем силовой электроники, энергоэффективного транспорта и промышленных электроприводов, где требуются современные подходы к управлению потоками энергии и минимизация воздействия на сеть.

Введение

AFE-выпрямитель (Active Front End) — это активное электронное устройство, разработанное для преобразования переменного тока в постоянный с высоким коэффициентом мощности и минимальными гармоническими искажениями. Его создание связано с развитием силовой электроники начиная с 1980-х годов, когда компании Siemens, ABB, Danfoss и прочие начали внедрять IGBT и цифровые системы управления. В отличие от пассивных диодных выпрямителей, AFE использует IGBT работающие "на сеть", что обеспечивает двунаправленность преобразователя: не только потреблять энергию из сети, но и возвращать её обратно, например, при рекуперативном торможении.

AFE-выпрямители находят применение в промышленных электроприводах, системах возобновляемой энергетики, транспорте (электропоезда, метро, электробусы) и энергоёмких производства (прокатные станы, центры обработки данных). Например, в метрополитенах AFE обеспечивает рекуперацию энергии торможения в сеть, снижая общее энергопотребление. Ключевые преимущества таких выпрямителей — высокая эффективность, компактность, снижение помех в сети и возможность работы с нестабильным напряжением. Эти особенности делают их незаменимыми в современных системах, где требуются интеллектуальное управление энергией и экологическая устойчивость.

Модель примера

Модель Active_front_end.engee, рассматриваемая в данном примере, воссоздана по аналогу - модели Active_front_end.slx [1].

Силовая часть состоит из следующих элементов.

• Трёхфазный источник напряжения .
• Блоки измерения фазных напряжений и токов.
• Кабельная линия с сопротивлением и индуктивностью .
• Мостовой трёхфазный преобразователь Converter на NPN-IGBT с обратными диодами, верхние ключи установлены коллекторами в трёхфазную сеть, а обратные диоды выполняют роль выпрямительного комплекта.
• Конденсатор звена постоянного тока с ёмкостью .
• Минимальная активная нагрузка в звене постоянного тока - резистор с сопротивлением .
• Подключаемая активная нагрузка в звене постоянного тока - резистор с сопротивлением .
• Подключаемое противоэдс в звене постоянного тока с величиной , и резистор с сопротивлением - имитация торможения.
• Вольтметр в звене постоянного тока.

Нагрузка подключается в момент модельного времени, выключается в . Цепь с противоэдс коммутируется в .

Алгоритм AFE функционирует во всех режимах работы выпрямителя.

Описание принципа работы AFE

IGBT преобразователя (Converter) получают управляющие ШИМ сигналы от модуля ШИМ генератора (PWM Generator). Опорный сигнал ШИМ - треугольный с частотой . Заданные сигналы генератора ШИМ - фазные напряжения в трёхфазной системе координат :

В свою очередь, получено обратным преобразованием Парка-Горева из

где - \text{заданные} \text{напряжения} \text{во} \text{вращающейся} \text{системе} \text{координат} ,
- угол поворота вращающейся системы координат, рассчитываемый при помощи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в блоке PLL.

В свою очередь, эти компоненты определяются следующими выражениями:

Здесь:

• - базовая гармоника питающего напряжения;
• - измеренные напряжения во вращающейся системе координат ;
• - измеренные фазные токи во вращающейся системе координат ;
• - напряжения на выходе ПИ-регуляторов тока Current Controller во вращающейся системе координат ;

Напряжения и токи получены с помощью блоков прямого преобразования Парка-Горева из измеренных фазных токов и напряжений и :

ПИ-регуляторы тока Current Controller получают разность измеренных и заданных сигналов токов во вращающейся системе координат :

Проекция заданного тока на ось , - результат регулирования ПИ-регулятора напряжения Voltage Controller. Он получает разность измеренного и заданного значений напряжения в звене постоянного тока:

Проекция заданного тока на ось , устанавливается равной для формирования

Представленная выше система управления AFE воспроизводит приведённые соотношения в виде блочной диаграммы.

Моделирование

При помощи программного управления выполним модель примера и запишем результаты моделирования в переменную simout.

После выполнения модели закроем её и перейдём к анализу сигналов.

Анализ записываемых сигналов

Из записанных сигналов модели выделим сигналы времени моделирования, тока и напряжения фазы A, напряжения в звене постоянного тока:

Выведем осциллограммы тока и напряжения фазы А для разных режимов работы AFE: потребления с обычной нагрузкой, потребления с повышенной нагрузкой и рекуперации.

Как видно из этих осциллограмм, ток и напряжение совпадают по фазе в режиме потребления, форма потребляемого/генерируемого тока близка к синусоидальной, а в режиме рекуперации фазы тока и напряжения инвертированы. Последнее означает, что AFE обеспечивает рекуперацию в сеть энергии торможения (что имитируется включением противоэдс в звене постоянного тока).

Исходя из графика напряжения в звене постоянного тока, который приведён ниже, можно сделать вывод, что в различных режимах работы AFE уровень напряжения стабилизирован и равен заданному на уровне .

Анализ коэффициента мощности

Установим и подключим необходимые для анализа библиотеки

Помимо поддержания напряжения в звене постоянного тока и обеспечения рекуперации энергии в сеть, выпрямитель AFE компенсирует потребление реактивной мощности, повышая коэффициент мощности практически до 1. По полученным данным (напряжению и току фазы A) рассчитаем и проанализируем коэффициент мощности для каждого периода напряжения.

Из полученного графика коэффициента мощности можно судить о следующем:

• в режиме потребления энергии из сети AFE обеспечивает вне зависимости от уровня нагрузки;
• в режиме рекуперации энергии в сеть AFE обеспечивает ;

Анализ гармонических искажений при работе AFE

Ещё одно неоспоримое преимущество использования активного выпрямителя AFE - снижение гармонических искажений тока как в режиме потребления, так и при рекуперации. Из осциллограмм тока выше видно, что в режиме рекуперации сигнал больше, чем в режимах потребления, отличается по форме от синусоиды. Кроме того, в отдельные периоды несущей частоты гармонические искажения будут более выражены, чем на протяжении всего режима работы. Поэтому для оценки максимальной величины коэффициента гармонических искажений (THD) тока и напряжения мы возьмём участок длительностью в один период базовой гармоники питающего напряжения в режиме рекуперации.

Представление гармонического спектра в логарифмическом амплитудном масштабе не является классическим, однако даёт наиболее детальное визуальное представление спектрального состава анализируемого сигнала. Из полученных данных можно судить о следующем:

• Суммарный уровень гармонических искажений тока , следовательно, AFE полностью справляется со снижением гармонических искажений тока от неуправляемого выпрямителя.
• Наиболее выраженные на спектре тока гармоники принадлежат порядкам , где - пульсность схемы выпрямителя.

Заключение

В примере выполнено моделирование работы AFE-выпрямителя при помощи Engee, подтвердившее способность устройства поддерживать коэффициент мощности, близкий к 1, и снижать гармонические искажения тока до 5,8% даже в режиме рекуперации. Показано, что система стабильно удерживает напряжение в звене постоянного тока на заданном уровне (например, 800 В) при переменных нагрузках, демонстрируя эффективность двунаправленного управления энергией. Результаты подтверждают, что AFE существенно снижает реактивную мощность и электромагнитные помехи, что критично для энергоёмких объектов (метрополитен, промышленные приводы).

Использованные источники

1. Ricardo Palma (2025). Active front end rectifier (https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/63357-active-front-end-rectifier), MATLAB Central File Exchange. Retrieved April 29, 2025.