Преобразователь частоты с активными выпрямителями и последовательным включением шести инверторов в каждой фазе нагрузки

May 9, 2012 by admin Комментировать »

В преобразователях с последовательным соединением шести однофазных транзисторных инверторов в каждой фазе нагрузки выпрямители также могут быть выполнены на транзисторах [91], то есть активными. Схема указанного преобразователя частоты представлена на рис. 17.1.

Рис. 17.1 Схема преобразования частоты с активными выпрямителями и шестью инверторами в каждой фазе нагрузки

В схеме рис. 17.1 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 имеет одну первичную обмотку и 18 однофазных вторичных обмоток. В первичной обмотке протекают токи, равные токам сети isn (п=1, 2, 3), во вторичных обмотках про­текают токи in (п=1, 2,… 18). Трансформатор может быть выполнен в соответствии с векторной диаграммой рис. 17.2, на которой изображены вектора ЭДС первичной и вторичных обмоток.

Рис. 17.2 Векторная диаграмма фазных ЭДС трансформатора

В соответствии с диаграммой рис. 17.2 при трехстержневом исполнении трансформатора витки каждой фазы размещаются только на одном стержне, то есть трансформатор имеет сравни­тельно простую конструкцию.

Выпрямительно-инверторный преобразователь имеет 18 низковольтных ячеек преобразо­вания частоты с однофазными транзисторными выпрямителями, конденсаторными фильтрами и однофазными транзисторными инверторами. Каждый однофазный выпрямитель подключен к ин­дивидуальной вторичной обмотке трансформатора. Однофазные 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). Вы­прямители имеют выпрямленные токи idm (m = 1, 2,.. 18). В цепях выпрямленного напряжения учитываются параметры конденсаторов, в частности емкости Ci-Cis, а также активные сопротивле­ния гс1с18 (в схеме не показаны). Конденсаторы имеют напряжения urci-urci8, в них протекают токи ici_ici8- Однофазные инверторы имеют входные токи idii-idiis- В выпрямителях состояния ключей описываются функциями kvn, в инверторах состояния ключей описываются функциями km, причем для описания всех вентилей одного однофазного моста (выпрямителя или инвертора) используют­ся две указанных функции (эти функции обозначены в схеме рис. 17.1). Функции равны 1, если открыто правое плечо моста, и равны 0, если правое плечо закрыто.

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

ТОКИ ian.

В схеме рис. 17.1 транзисторные выпрямители и инверторы работают в режиме широтно­импульсной модуляции. Частоты опорных напряжений выпрямителей и инверторов могут быть одинаковыми или различными.

Для управления транзисторами выпрямителей в каждой фазе нагрузки используются шесть опорных напряжений uonvi – uonV6, взаимно сдвинутые по фазе на 60 эл. град, на частоте опорных напряжений. При этом для управления транзисторами, подключенными к началам фаз 1-6 выпря­мителей используются шесть напряжения управления Uyvi, uyv3, uyv5, uVV7, uyv<, и иууц, приблизитель­но совпадающие по фазе. Для управления транзисторами, подключенными к концам фаз 1-6 вы­прямителей, используются также шесть напряжения управления и„.2. uyv4, uyv6, uvvs. uvvi„. uyvi:, при­близительно совпадающие по фазе, но сдвинутые по фазе относительно первых шести напряжений управления на 180 эл. град, на частоте напряжения сети. В выпрямителях, используемых для пита­ния других фаз нагрузки, используются те же опорные напряжения. При этом «гладкие» состав­ляющие напряжений управления сдвинуты по фазе относительно напряжений управления первой фазы нагрузки, соответственно на 120 и на 240 эл. град, на частоте напряжений сети (мгновенные значения напряжений управления в каждом выпрямителе формируются регулятором тока, и для них указанные сдвиги фаз являются лишь приблизительными). Импульсы управления транзисто­рами выпрямителей формируются в процессе сравнения опорных напряжений с напряжениями управления. Алгоритм формирования импульсов управления транзисторов 1-6 выпрямителей можно пояснить с помощью рис. 17.3.

Рис. 17.3 Формирование импульсов управления транзисторов 1-6 выпрямителей

Формирование импульсов управления транзисторных однофазных инверторов рассмотре­но в § 15.

Моделирование схемы рис. 17.1 осуществляется при разделении ее на подсхемы, взаимно связанные зависимыми источниками напряжения и тока. При этом используется разделение трансформатора на подсхемы с первичными и вторичными обмотками. Вторичные обмотки и при­соединенные к ним элементы представляются в первичной обмотке зависимыми источниками то­ка, а первичная обмотка с питающей сетью представляется во вторичных обмотках зависимыми источниками ЭДС. Преобразование токов и напряжений фаз трансформатора осуществляется с учетом векторной диаграммы, изображенной на рис. 17.2.

Другое преобразование схемы заключается в замене конденсаторов зависимыми источни­ками напряжения и в переносе этих источников в другие ветви схемы, как описано в предыдущих разделах.

Математическое описание силовой части рассматриваемой схемы наиболее близко описа­нию схемы рис. 16.1. Аналогично описывается также система управления преобразователя часто-

В соответствии с указанным описанием схемы с преобразователем частоты с активными выпрямителями и последовательным соединением шести однофазных транзисторных инверторов в каждой фазе нагрузки (рис. 17.1) разработана программа расчета электромагнитных процессов (программа 17, 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 10 %, коэффициент трансформации 8,5, емкость каждой из 18 конденсаторных батарей 10000 мкФ, индуктивность нагрузки 27,46 мГн, активное сопротивление нагрузки 11,518 Ом, час­тота напряжения нагрузки 50 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. Транзисторные выпрямители работают с частотой опорных напряжений 1500 Гц. Транзисторные инверторы работают с частотой опорных напряжений 2000 Гц. При выполнении расчетов принято, что длительность цикла управления вы­прямителей 200 мкс, а длительность цикла управления инверторов равна периоду опорных напря жений, то есть составляет 500 мкс. Результаты расчета представлены на рис. 17.4 в виде диаграм мы мгновенных значений токов и напряжений, а также в таблице 17.1.

Рис. 17.4 Напряжения и токи в схеме рис. 17.1

Таблица 17.1 Результаты анализа токов и напряжений в схеме рис. 17.1

Фазное напряжение сети, В

3465.036

Коэффициент искажения синусоидальности

0.003902

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

3465.010

-0.07159

Фазный ток сети, А

193.877

Коэффициент искажения синусоидальности

0.07501

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

193.331

3.6297

Напряжение 1 вторичной обмотки трансф-ра, В

525.210

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

412.475

-5.9953

Ток 1 вторичной обмотки трансформатора, А

288.420

Ток 2 вторичной обмотки трансформатора, А

295.683

Ток 3 вторичной обмотки трансформатора, А

284.500

Ток 4 вторичной обмотки трансформатора, А

270.219

Ток 5 вторичной обмотки трансформатора, А

258.527

Ток 6 вторичной обмотки трансформатора, А

267.537

Выпрямленный ток 1 выпрямителя, А

155.848

Действующий ток в плече 1 выпрямителя, А

166.305

Средний ток, А

80.212

Максимальный ток, А

344.409

Минимальный ток, А

-341.721

Ток 1 конденсатора, А

248.392

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

100

196.474

-50.1264

3000

92.888

-81.7395

Напряжение 1 конденсатора, В

731.435

Фазное напряжение нагрузки, В

3469.945

Коэффициент искажения синусоидальности

0.08001

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

3458.818

-33.1625

Фазный ток нагрузки, А

240.369

Коэффициент искажения синусоидальности

0.01561

Следует отметить, что в рассматриваемой схеме в переходных режимах возможна рекупе­рация энергии в питающую сеть. Для реализации длительного режима передачи электроэнергии в сеть в фазах нагрузки должны быть учтены источники ЭДС или нагрузка должна быть представ­лена, например, электрической машиной.

§ 18 Преобразователь частоты с параллельным включением транзисторов

Параллельное включение транзисторов или тиристоров в активных выпрямителях, в ин­верторах, в преобразователях частоты позволяет не только увеличить мощность преобразователь­ных устройств, но и значительно улучшить качество электроэнергии на входе и выходе за счет ор­ганизации многотактных режимов работы [17]. Параллельное включение приборов осуществляет­ся обычно при использовании уравнительных дросселей. При этом в преобразователях, работаю­щих с широтно-импульсной модуляцией или с широтно-импульсным преобразованием напряже­ний, обеспечивается взаимное смещение моментов коммутации параллельно включенных полу­проводниковых приборов. За счет этого уменьшается амплитуда пульсаций напряжений и токов преобразователей, повышается частота пульсаций и облегчается фильтрация входных и выходных напряжений и токов.

Схема двухуровневого преобразователя частоты с параллельным включением двух транзи­сторов в каждом плече выпрямителя и инвертора представлена на рис. 18.1.

Рис. 18.1 Схема преобразования частоты с параллельным включением транзисторов в каждом плече выпрямителя и инвертора

В соответствии с рис. 18.1 питание преобразователя частоты осуществляется от трехфазно­го источника напряжения, который содержит фазные ЭДС esn (n = 1, 2, 3) и индуктивности ls. Фазы имеют напряжения usn и токи isn. В схеме изображен также пропорционально-интегральный регу­лятор действующего напряжения Us. На вход этого регулятора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений сети. На выходе регулятора формируется амплитуда фазных ЭДС питаю­щей сети.

Нагрузка преобразователя частоты представлена индуктивностями 1н и активными сопро­тивлениями фаз гн. Фазы нагрузки имеют напряжения инп и токи iHn (п=1, 2, 3).

Преобразователь частоты содержит транзисторный выпрямитель и транзисторный инвер­тор с параллельным включением двух транзисторов в каждом плече моста.

В цепи выпрямленного напряжения преобразователя частоты установлен конденсаторный фильтр, который имеет емкость с и активное сопротивление гс. В конденсаторном фильтре проте­кает ток ic. Напряжение конденсаторного фильтра ис. Конденсаторный фильтр обеспечивает ком­мутацию транзисторов и в выпрямителе и в инверторе.

В цепи выпрямленного напряжения имеется также цепь защиты от перенапряжений, со­держащая резистор rz и транзистор, состояние которого описывается функцией kz (0 или 1). В за­щитном транзисторе протекает ток iz.

В транзисторном выпрямителе состояния транзисторов и обратных диодов в каждом плече моста описываются одной функцией Kvnm. принимающей значение 1, если открыто верхнее плечо моста, и значение 0, если открыто нижнее плечо (где номер фазы п=1, 2, 3, номер параллельно включенного транзистора т=1, 2). Токи в плечах выпрямителя ivnm.

Выпрямитель подключен к питающей сети через фазные дроссели. Каждый дроссель имеет две полуобмотки, размещенные на одном сердечнике. В полуобмотках учитываются активные со­противления rsb индуктивности рассеяния lsi и взаимные индуктивности lmi. В полуобмотках про­текают токи isnm. Полуобмотки соединены с преобразователем так, что при одинаковых токах по- луобмоток в дросселях существуют только магнитные потоки рассеяния, а потоки взаимной ин­дукции равны 0.

В транзисторном инверторе состояния транзисторов и обратных диодов в каждом плече моста описываются функцией Kmm, принимающей значение 1, если открыто верхнее плечо моста, и значение 0, если открыто нижнее плечо (где номер фазы п=1, 2, 3, номер параллельно включен­ного транзистора ш=1, 2). Токи в плечах инвертора imm.

Инвертор подключен к нагрузке через фазные дроссели. Каждый дроссель имеет две полу­обмотки, размещенные на одном сердечнике. В полуобмотках учитываются активные сопротивле­ния rs2, индуктивности рассеяния ls2 и взаимные индуктивности 1т2. В полуобмотках протекают токи imm. Полуобмотки соединены с преобразователем так, что при одинаковых токах полуобмо- ток в дросселях существуют только магнитные потоки рассеяния, а потоки взаимной индукции равны 0.

Преобразователь частоты оснащен системой управления. В системе управления активный выпрямитель обеспечивает стабилизацию выпрямленного напряжения на заданном уровне, под­держание синусоидальной формы тока сети, поддержание заданного коэффициента мощности се­ти. Инвертор обеспечивает поддержание на заданном уровне действующего тока нагрузки.

При моделировании схемы рис. 18.1 она разделяется на взаимосвязанные подсхемы. При этом конденсатор заменяется зависимым источником напряжения игс (1.1), который переносится во все ветви схемы, соединенные друг с другом в положительном полюсе цепи выпрямленного напряжения. Образующиеся при этом подсхемы представлены на рис. 18.2-18.5,

Рис. 18.2 Подсхема источника питания и выпрямителя

Все подсхемы взаимосвязаны через зависимые источники напряжения игс и тока ic.

Рис. 18.10 Напряжения и токи в схеме рис. 18.1 при параллельном включении двух транзисторов в плечах выпрямителя и инвертора

Таблица 18.1 Результаты анализа токов и напряжений в схеме рис. 18.1 при двух параллельно включенных транзисторах в плечах выпрямителя и инвертора

Фазное напряжение сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

219.465

0.09310

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

218.511

-3.4089

4950

11.756

19.8904

5050

10.824

172.9033

9950

4.813

24.5723

Фазный ток сети, А

802.911

Коэффициент искажения синусоидальности

0.02369

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

802.685

4.9732

Ток полуобмотки 1 дросселя выпрямителя, А

401.520

Ток 1 плеча выпрямителя, А

287.285

Среднее значение, А

-120.152

Максимальное значение, А

567.731

Минимальное значение, А

-591.867

Ток на выходе выпрямителя, А

703.694

Напряжение конденсатора, В

725.372

Ток конденсатора, А

272.553

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

5000

115.620

-68.0720

9700

80.336

-99.0703

10300

93.893

-55.3915

Входной ток инвертора, А

704.288

Ток полуобмотки 1 дросселя инвертора, А

473.214

Фазное напряжение нагрузки, В

233.414

Коэффициент искажения синусоидальности

0.3457

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

219.022

43.0168

4950

39.152

-42.8422

5050

35.878

-122.0128

Фазный ток нагрузки, А

946.332

Коэффициент искажения синусоидальности

0.004711

Следует отметить, что в рассматриваемой схеме в переходных режимах возможна рекупе­рация энергии в питающую сеть. Для реализации длительного режима передачи электроэнергии в сеть в фазах нагрузки должны быть учтены источники ЭДС или нагрузка должна быть представ­лена, например, электрической машиной.

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