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

May 24, 2012 by admin Комментировать »

В многоуровневых преобразователях частоты и в преобразователях с последовательным соединением однофазных инверторов в фазах нагрузки диодные выпрямители могут быть замене­ны транзисторными. Одна из возможных схем представлена на рис. 16.1 [91].

Рис. 16.1 Схема преобразования частоты с активным выпрямителем и тремя инверторами в каждой фазе нагрузки

Транзисторные выпрямители в рассматриваемом случае обладают расширенными возмож­ностями управления, то есть являются активными. Это позволяет обеспечить следующие преиму­щества преобразователя частоты по сравнению с рассмотренными выше схемами с диодными вы­прямителями:

–                      возможность рекуперации энергии в питающую сеть;

–                      практически синусоидальные фазные токи сети;

–                        возможность работы преобразователя с заданным коэффициентом мощности питаю­щей сети.

В схеме рис. 16.1 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 9 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,… 9). Трансформатор может быть выполнен в соответствии с векторной диаграммой рис. 16.2, на которой изображены векторы ЭДС первичной и вторичных обмоток.

Рис. 16.2 Векторная диаграмма фазных ЭДС трансформатора

В соответствии с диаграммой рис. 16.2 при трехстержневом исполнении трансформатора витки каждой фазы размещаются только на одном стержне, то есть трансформатор имеет сравни­тельно простую конструкцию.

Выпрямительно-инверторный преобразователь имеет 9 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 3 последо­вательно и соединены в звезду. При этом они образуют высоковольтный трехфазный источник питания двигателя или другой нагрузки, в котором может быть сформировано напряжение, на­пример 3 кВ (или другой уровень напряжения, определяемый используемыми элементами). Вы­прямители имеют выпрямленные токи idm (m = 1, 2,.. 9). В цепях выпрямленного напряжения учи­тываются параметры конденсаторов, в частности емкости с | -с9. а также активные сопротивления rci-rc9 (в схеме не показаны). Конденсаторы имеют напряжения urci-urc9, в них протекают токи ici-iC9- Однофазные инверторы имеют входные токи idn-ida- 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. 16.1). Функции равны 1, если от­крыто правое плечо моста, и равны 0, если правое плечо закрыто.

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

В схеме рис. 16.1 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 три опорных напряжения и0ПУь uonv2, иот,з, взаимно сдвинутые по фазе на 120 эл. град, на частоте опор­ных напряжений. При этом для управления транзисторами, подключенными к началам фаз 1, 2 и 3 выпрямителей, используются три напряжения управления uyvb Uyv3 и uyv5, приблизительно совпа­дающие по фазе. Для управления транзисторами, подключенными к концам фаз 1, 2 и 3 выпрями­телей, используются также три напряжения управления uyv2, uvv4 и uyv6, приблизительно совпа­дающие по фазе, но сдвинутые по фазе относительно первых трех напряжений управления на 180 эл. град, на частоте напряжения сети. В выпрямителях, используемых для питания других фаз нагрузки, «гладкие» составляющие напряжений управления сдвинуты по фазе соответственно на 120 и на 240 эл. град, на частоте напряжений сети (мгновенные составляющие напряжений управ­ления формируются регуляторами токов однофазных выпрямителей, 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, 2 и 3 выпрямителей можно пояснить с по­мощью рис. 16.3.

Рис. 16.3 Формирование импульсов управления транзисторов 1, 2 и 3 выпрямителей

Для формирования импульсов управления выпрямителей в других фазах нагрузки исполь­зуются те же опорные напряжения иОПУь uonV2 и uonv3, а также напряжения управления других фаз нагрузки Uyv7 “Uyvl8-

В схеме рис. 16.1 транзисторные инверторы также работают в режиме ШИМ. При после­довательном соединении трех однофазных инверторов в каждой фазе нагрузки для управления используются три пилообразных опорных напряжения иопь иОП2, иопз- В результате сравнения ука­занных опорных напряжений с напряжениями управления uyii-uyi6 формируются импульсы управ­ления транзисторами km, как описано в разделе § 14 (рис. 14.4).

В схеме рис. 16.1 нагрузка представлена индуктивностями 1н и активными сопротивления­ми фаз гн. Фазы нагрузки имеют напряжения инп и токи iHn.

Система содержит пропорционально-интегральный регулятор 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 инверторов.

В системе в каждом выпрямителе имеется также регулятор выпрямленного напряжения, который формирует амплитуду заданного фазного тока выпрямителя, имеются фильтры фазных напряжений и токов выпрямителей и регуляторы фазных токов, на выходе которых формируются мгновенные значения напряжений управления выпрямителей. Аналог этой системы управления описан в § 3.

Система также имеет пропорционально-интегральный регулятор действующего напряже­ния сети, на вход которого поступают мгновенные значения фазных напряжений. На выходе фор­мируется амплитуда фазных ЭДС.

Математическое описание схемы рис. 16.1 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.

Другое преобразование исходной схемы основывается на замене конденсаторов зависи­мыми источниками напряжения (14.2). 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. 16.1 выделяются подсхемы, изобра­женные на рис. 16.4-16.7.

Рис. 16.4 Подсхемы трансформатора и выпрямителей

Рис. 16.8 Напряжения и токи в схеме рис. 16.1

Таблица 16.1 Результаты анализа токов и напряжений в схеме рис. 16.1

Фазное напряжение сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

3464.839

0.002286

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

3464.830

-0.02069

Фазный ток сети, А

96.472

Коэффициент искажения синусоидальности

0.07702

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

96.185

2.7262

100

5.316

-18.5476

Напряжение 1 вторичной обмотки трансф-ра, В

525.767

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

412.985

-5.4846

Ток 1 вторичной обмотки трансформатора, А

277.122

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

273.845

5.2045

Выпрямленный ток 1 выпрямителя, А

149.139

Выпрямленный ток 2 выпрямителя, А

149.022

Выпрямленный ток 3 выпрямителя, А

148.500

Действующий ток в плече 1 выпрямителя, А

169.897

Средний ток, А

75.105

Максимальный ток, А

343.396

Минимальный ток, А

-342.159

Ток 1 конденсатора, А

243.023

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

100

193.126

-47.3778

3000

88.915

-81.0505

Напряжение 1 конденсатора, В

726.637

Фазное напряжение нагрузки, В

1740.571

Коэффициент искажения синусоидальности

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

1728.899

-32.9078

Фазный ток нагрузки, А

240.247

Коэффициент искажения синусоидальности

0.01246

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