Преобразователь частоты с последовательным включением в фазах нагрузки по шесть инверторов

April 26, 2012 by admin Комментировать »

В схемах с последовательным соединением однофазных инверторов в каждой фазе нагруз­ки увеличение количества инверторов позволяет увеличить мощность преобразователя и повысить напряжение на выходе нагрузки при использовании сравнительно низковольтных приборов [64], [88], [91]. Улучшается также качество напряжений и токов на входе и выходе. На рис. 15.1 изо­бражена схема преобразователя частоты с последовательным соединением в фазах нагрузки шести инверторов.

Рис. 15.1 Схема преобразования частоты с последовательным соединением шести инверторов в каждой фазе нагрузки

В соответствии со схемой рис. 15.1 преобразователь частоты содержит многообмоточный трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь.

Преобразователь частоты получает питание от источника напряжения, который содержит трехфазную систему ЭДС esn (п – номер фазы) и индуктивности ls. Источник имеет фазные напря­жения usn и токи isn. Он снабжен регулятором действующего напряжения. На вход регулятора по­ступают сигналы по мгновенным значениям напряжений фаз, на выходе регулятора формируется амплитуда фазных ЭДС сети Esm.

Трансформатор может иметь различные исполнения.

В одном варианте используются два трансформатора, каждый из которых имеет одну пер­вичную обмотку и 9 вторичных обмоток, взаимно сдвинутых по фазе на 20 эл. град. Трансформа­торы такого типа описаны в предыдущем разделе. Они позволяют обеспечить 18-пульсный режим работы преобразователя по отношению к питающей сети.

В другом варианте трансформатор выполняется с одной первичной обмоткой и 18 вторич­ными обмотками, имеющими взаимный сдвиг по фазе на 10 эл. град. Такой трансформатор позво­ляет обеспечить 36-пульсный режим работы преобразователя по отношению к сети. На рис. 15.1 фазы первичной обмотки пронумерованы от 1 до 3, фазы вторичных обмоток пронумерованы от 1 до 54. В первичной обмотке токи фаз равны токам сети isn. Во вторичных обмотках токи равны in (n = 1, 2,.. 54). На рис. 15.2 представлена векторная диаграмма фазных ЭДС первичной обмотки Eti-Eo и вторичных обмоток Ei-E54 трансформатора.

Рис. 15.2 Векторная диаграмма фазных ЭДС трансформатора

Выпрямительно-инверторный преобразователь имеет 18 низковольтных ячеек преобразо­вания частоты с трехфазными диодными выпрямительными мостами, конденсаторными фильтра­ми и однофазными транзисторными инверторами. Диодные мосты подключены к вторичным об­моткам трансформатора. Однофазные транзисторные инверторы включены по 6 последовательно и соединены в звезду. При этом они образуют высоковольтный трехфазный источник питания двигателя или другой нагрузки, в котором может быть сформировано напряжение, например 6 кВ (или другой уровень напряжения, определяемый используемыми элементами). Диодные выпрями­тельные мосты имеют выпрямленные токи idm (m = 1, 2,.. 18). В цепях выпрямленного тока диод­ных мостов учитываются «паразитные» индуктивности Id (в схеме не показаны). В цепях выпрям­ленного напряжения учитываются параметры конденсаторов, в частности емкости Ci-Cig, а также активные сопротивления rci-rci8 (в схеме не показаны). Конденсаторы имеют напряжения urci-urci8, в них протекают токи ici-icis- Однофазные инверторы имеют входные токи idii-idiis- В инверторах состояния ключей описываются функциями km, причем для описания всех вентилей одного одно­фазного инвертора используются две указанных функции (эти функции обозначены в схеме рис. 15.1). Функции km равны 1, если открыто правое плечо инвертора, и равны 0, если правое пле­чо закрыто.

В цепях выпрямленного напряжения трехфазно-однофазных преобразователей учитывают­ся также цепи защиты от перенапряжений, содержащие резисторы rz и транзисторы, состояние ко­торых описывается функциями kzm (0 или 1). В защитных транзисторах протекают токи izm.

В схеме рис. 15.1 транзисторные инверторы работают в режиме широтно-импульсной мо­дуляции. При последовательном соединении шести однофазных инверторов в каждой фазе на­грузки для управления используются шесть пилообразных опорных напряжения uoni – иб- Для выравнивания нагрузок однофазных инверторов, диодных выпрямителей и вторичных обмоток трансформатора при начале каждого следующего периода выходного напряжения средние значе­ния опорных напряжений инверторов изменяются, как описано в предыдущем разделе.

Для формирования управляющих импульсов используются также шесть напряжений управления uyi – uy6 Три напряжения управления uyb uy2, иу3 образуют симметричную трехфазную систему и используются для переключения транзисторов с нечетными номерами. Другие три на­пряжения управления uy4, uy5, иу6 также образуют симметричную трехфазную систему, смещенную по фазе на 180 эл. град, относительно первой системы. Эти напряжения управления используются для переключения транзисторов с четными номерами. Алгоритм формирования управляющих им­пульсов транзисторов одной фазы нагрузки можно пояснить с помощью рис. 15.3.

Рис. 15.3 Формирование импульсов управления транзисторами одной фазы преобразователя частоты при ступенчатом изменении опорного напряжения

В схеме рис. 15.1 нагрузка представлена индуктивностями 1н и активными сопротивления­ми фаз гн. Фазы нагрузки имеют напряжения инп и токи iHn.

Система содержит также пропорционально-интегральный регулятор действующего тока нагрузки, который в схеме не показан. В этот регулятор поступают сигналы по мгновенным зна­чениям токов фаз нагрузки. На выходе регулятора формируется амплитуда напряжений управле­ния инвертора.

Математическое описание схемы рис. 15.1 осуществляется при разделении ее на взаимо­связанные подсхемы. С этой целью силовая часть исходной схемы разделяется на подсхемы по потоку взаимной индукции между обмотками трансформатора. При этом первичная обмотка пред­ставляется во вторичных обмотках зависимыми источниками напряжения, а вторичные обмотки представляются в первичной обмотке зависимыми источниками тока с учетом соответствующих взаимных сдвигов обмоток по фазе.

Другое преобразование исходной схемы основывается на замене конденсаторов зависи­мыми источниками напряжения по формулам, аналогичным (14.2). Образующиеся при этом зави­симые источники напряжения urcm переносятся в цепи выпрямленных токов диодных мостов, в цепи входных токов транзисторных инверторов и в цепи защиты от перенапряжений.

В результате указанных преобразований схемы рис. 15.1 выделяются подсхемы, аналогич­ные изображенным на рис. 14.5-14.8, которые имеют взаимные связи через зависимые источники напряжения и тока. Математическое описание подсхем и их взаимных связей осуществляется сле­дующим образом.

где Ктр – коэффициент трансформации.

ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора em (m=l, 2,.. 54) определяются в соответст­вии с векторной диаграммой, изображенной на рис. 15.2.

ЭДС фаз 1, 7 и 13 вторичных обмоток трансформатора:

Напряжения фаз первичной обмотки трансформатора usn и ЭДС фаз etn определяются по формулам:

При использовании ЭДС, определенных выражениями (15.1)-( 15.7), вычисляются произ­водные токов фаз в подсхемах с диодными мостовыми выпрямителями (аналог подсхем на рис. 14.5). При этом используется математическое описание диодных мостовых подсхем, приве­денное в § 6.

ЭДС фаз 6, 12 и 18 вторичных обмоток трансформатора:

ЭДС фаз 5, 11 и 17 вторичных обмоток трансформатора:

ЭДС фаз 4, 10 и 16 вторичных обмоток трансформатора:

ЭДС фаз 3, 9 и 15 вторичных обмоток трансформатора:

ЭДС фаз 2, 8 и 14 вторичных обмоток трансформатора:

После определения производных токов и токов в подсхемах с диодными мостами опреде­ляются производные токов и токи в фазах питающей сети. При этом целесообразно ввести сле­дующие промежуточные переменные (токи и их производные в группах вторичных обмоток трансформатора):

где ш=1, 2,.. 18.

Целесообразно также ввести следующие коэффициенты:

Токи в фазах сети:

Производные токов в фазах сети определяются по формулам, аналогичным (15.10). Токи в подсхемах с защитными резисторами (аналог схемы – рис. 14.6):

где kzm – функция состояния защитного транзистора (0 или 1). Напряжения фаз нагрузки:

В напряжениях фаз нагрузки (15.12) содержатся гармонические составляющие нулевой по­следовательности. Чтобы упростить выражения для определения токов нагрузки, составляющие нулевой последовательности из напряжений фаз можно удалить:

Входные токи транзисторных инверторов:

Токи в плечах инверторов определяются по формулам, аналогичным (14.16). Токи в тран­зисторах и обратных диодах определяются по формулам, аналогичным (14.17).

Токи в конденсаторах:

где ш=1, 2,.. 18.

При известной частоте напряжения на выходе преобразователя сйу определяется номер пе­риода выходного напряжения Np:

Переключения транзисторов в инверторах осуществляются в соответствии с рис. 15.3. Максимальное и минимальное значения опорных напряжений +1 и -1. При частоте ТТТИМ fon и ша­ге расчета At базисное опорное напряжение определяется по следующему алгоритму:

Регулирование тока нагрузки и определение системы напряжений управления uyb иу2 и иу3 восемнадцати инверторов осуществляется в соответствии с (1.12)—(1.15) с учетом (14.20). Состоя­ния транзисторов инверторов определяется условиями, аналогичными (14.21).

В соответствии с приведенным описанием схемы с преобразователем частоты с диодными выпрямителями и последовательным соединением шести однофазных инверторов в каждой фазе нагрузки (рис. 15.1) разработана программа расчета электромагнитных процессов (программа 15, представлена на CD).

В качестве примера по указанной программе выполнен расчет электромагнитных процес­сов в рассматриваемой схеме при следующих данных. Длительность рассчитываемого интервала времени 2,14 с, начало вывода информации в файл 2 с, шаг интегрирования 1 мкс, шаг записи ин­формации в файл 20 мкс, напряжение сети 6 кВ, частота напряжения сети 50 Гц, индуктивность сети 1 мГн, мощность трансформатора 2000 кВА, напряжение короткого замыкания трансформа­тора 8,0 %, коэффициент трансформации 10,5, «паразитная» индуктивность в звене выпрямленно­го тока 2 мкГн, емкость каждой из 18 конденсаторных батарей 10000 мкФ, индуктивность нагруз­ки 27,46 мГн, активное сопротивление нагрузки 11,518 0м, частота напряжения нагрузки 50 Гц, частота опорных напряжений инвертора 1500 Гц, заданный действующий ток нагрузки 240,5 А, коэффициент в обратной связи по интегралу отклонения тока нагрузки 0,05, коэффициент в об­ратной связи по отклонению тока нагрузки 0,005. При этом активная мощность нагрузки 2000 кВт, коэффициент мощности 0,8, линейное действующее напряжение 6 кВ. Результаты расчета пред­ставлены на рис. 15.4 и в таблице 15.1.

Рис. 15.4 Напряжения и токи в схеме рис. 15.1 при ступенчатом изменении иоп

Таблица 15.1 Результаты анализа токов и напряжений в схеме рис. 15.1 при ступенчатом изменении опорных напряжений

Фазное напряжение сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

3464.413

0.001530

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

3464.408

-0.03438

Фазный ток сети, А

201.464

Коэффициент искажения синусоидальности

0.01383

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

201.444

-18.7046

Фазное напряжения вторичной обмотки тр-ра, В

329.575

Ток 1 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

116.295

Ток 2 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

144.889

Ток 3 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

122.219

Ток 4 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

109.401

Ток 5 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

142.479

Ток 6 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

128.038

Ток 7 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

104.832

Ток 8 фазы вторичных обмоток тр-ра, А

137.136

Ток 9 фазы вторичных обмоток

тр-ра, А

132.090

Выпрямленный ток 1 диодного моста, А

153.839

Выпрямленный ток 2 диодного моста, А

152.385

Выпрямленный ток 3 диодного моста, А

149.885

Выпрямленный ток 4 диодного моста, А

146.575

Выпрямленный ток 5 диодного моста, А

148.500

Выпрямленный ток 6 диодного моста, А

153.194

Действующий ток в плече 1 инвертора, А

168.814

Средний ток, А

76.645

Максимальный ток, А

342.658

Минимальный ток, А

-340.874

Ток 1 конденсатора, А

179.548

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

100

161.776

-18.3515

107.4

25.032

-73.4737

Напряжение 1 конденсатора, В

732.908

Фазное напряжение нагрузки, В

3458.603

Коэффициент искажения синусоидальности

0.08365

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

50

3446.480

-34.5169

250

119.803

6.8716

1450

108.789

-136.8674

1550

101.138

149.1832

Фазный ток нагрузки, А

239.475

Коэффициент искажения синусоидальности

0.01651

Пронин М.В., Воронцов А.Г., Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. – 172 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты