Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и 4-уровневым инвертором напряжения

May 19, 2012 by admin Комментировать »

Использование в преобразователях частоты четырехуровневых автономных инверторов [73] позволяет еще более повысить напряжение в звене выпрямленного тока и в нагрузке и увели­чить единичную мощность систем, по сравнению с трехуровневыми схемами. Повышается также качество напряжения и тока на выходе преобразователя.

Одна из возможных схем преобразования частоты с четырехуровневым транзисторным инвертором напряжения представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1 Схема преобразования частоты с диодным выпрямителем и 4-уровневым транзисторным АИН

В четырехуровневых инверторах используются три последовательно включенных транзи­стора в каждом плече трехфазного моста, зашунтированных обратными диодами. Выпрямленное напряжение распределяется между последовательно включенными транзисторами при помощи трех конденсаторных батарей, соединенных последовательно и подключенных к цепи выпрямлен­ного напряжения. При этом точки соединения друг с другом конденсаторных батарей соединяют­ся также через диоды с точками соединения друг с другом транзисторов в плечах инвертора.

Если рекуперация энергии в питающую сеть не требуется, то для преобразования напря­жения сети в выпрямленное напряжение могут быть использованы многообмоточный трансфор­матор и выпрямитель с последовательным соединением трех диодных мостов. Одно из назначений диодных мостов – обеспечение равномерного распределения напряжения между конденсаторами инвертора, включенными последовательно.

Трансформатор в рассматриваемом случае может быть выполнен четырехобмоточным, как указано на рис. 11.1. Одна из вторичных обмоток трансформатора соединяется в звезду, другая – в треугольник, вследствие чего трехфазные системы ЭДС этих обмоток взаимно сдвинуты по фазе на 30 эл. град. Эти две обмотки подключены к крайним диодным мостам выпрямителя, работают с равной нагрузкой и образуют 12-пульсную схему выпрямления. В токах фаз, потребляемых из се­ти этими обмотками, отсутствуют 5, 7, 17, 19 и ряд других высших гармонических составляющих, но имеются 1, 11, 13, 23, 25 и другие составляющие.

Нагрузка средней вторичной обмотки трансформатора и среднего диодного выпрямитель­ного моста отличается от нагрузки крайних вторичных обмоток и крайних мостов. При этом в то­ках, потребляемых средней обмоткой из сети, содержатся 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и другие гармонические составляющие. Высшие гармонические составляющие порядка 11, 13, 23, 25 и дру­гие частично могут быть скомпенсированы составляющими того же порядка указанного 12-пульсного выпрямителя, если схему соединения этой обмотки выполнить со сдвигом трехфаз­ной системы ЭДС по фазе на 15 эл. град, относительно ЭДС крайних обмоток. Однако указанная компенсация не полная, и в токах сети, хотя и уменьшенные, но содержатся высшие гармониче­ские составляющие порядка 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т. д.

В схеме рис. 11.1 трехфазный источник питания содержит трехфазную систему ЭДС esn (п – номер фазы) и индуктивности ls. Трехфазный источник имеет фазные напряжения usn и фазные токи isn. Трехфазный источник снабжен регулятором действующего напряжения. На вход регуля­тора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений фаз, на выходе регулятора фор­мируется амплитуда фазных ЭДС сети. В трансформаторе учитываются коэффициент трансфор­мации Ктр, а также индуктивности рассеяния первичной обмотки 1н и вторичных обмоток lt2. В ди­одных выпрямительных мостах учитываются «паразитные» индуктивности цепей выпрямленного тока Id (в схеме не изображены). Выпрямленные токи диодных мостов idm (m – номер моста). На­пряжения конденсаторных фильтров в цепи выпрямленных токов – urci, игс2 и игсз. В цепи выпрям­ленных токов Сь гсЬ icb с2, rc2, ic2, с3, rc3, ic3 – емкости, активные сопротивления и токи конденса­торных фильтров, rzb rz2, rz3, izb iz2, iz3 – активные сопротивления и токи цепей защиты от перена­пряжений, idii, idi2, idB, idi4 – выпрямленные токи инвертора. В инверторе и в нагрузке imm – токи в плечах инвертора (п – номер фазы, m – номер плеча моста), i,dni. i,С|П2- iidn3, iidn4 – токи в диодах ин­вертора, подключенных к точкам соединения друг с другом конденсаторов, un – напряжения фаз инвертора и нагрузки, /„ – токи фаз инвертора и нагрузки, гн, 1н – активные сопротивления и индук­тивности фаз нагрузки.

В схеме рис. 11.1 преобразователь частоты содержит систему управления СУ. В систему управления поступают сигналы по напряжениям конденсаторов urci, игс2 и игсз и токам нагрузки in. На выходе системы управления формируются импульсы управления ИУ транзисторами.

Математическое описание схемы рис. 11.1 осуществляется при разделении ее на взаимо­связанные подсхемы. С этой целью конденсаторы представляются в виде зависимых источников напряжения:

где m = 1, 2, 3.

Далее напряжение игс2 разделяется на 2 равные части. Одна из этих частей переносится в ветвь 1 конденсатора и в другие ветви, соединенные в общем узле 1 и 2 конденсаторов. Другая половина напряжения игс2 переносится в ветвь 3 конденсатора и в другие ветви, соединенные в общем узле 2 и 3 конденсаторов.

Другое преобразование исходной схемы заключается в разделении трансформатора на час­ти, взаимосвязанные через зависимые источники напряжения и тока (аналогичное преобразование описано в § 9).

В результате указанных преобразований схемы рис. 11.1 выделяются подсхемы, изобра­женные на рис. 11.2, 11.3, 11.4 и 11.5. Все полученные подсхемы взаимосвязаны через зависимые источники напряжения и тока.

Рис. 11.2 Подсхемы трансформатора и выпрямителей при разделении на части преобразователя с 4-уровневым АИН

Рис. 11.3 Подсхемы цепей защиты от перенапряжений при разделении на части преобразователя с 4-уровневым АИН

Рис. 11.4 Подсхема транзисторного инвертора

Рис. 11.5 Подсхемы с конденсаторами

В подсхеме трехфазного источника питания рис. 11.2 ЭДС фаз первичной обмотки транс­форматора определяются следующими выражениями:

ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора определяются в соответствии с векторной диаграммой рис. 11.6.

Рис. 11.6 Векторная диаграмма ЭДС трансформатора

ЭДС фаз вторичной обмотки, соединенной в звезду:

ЭДС фаз вторичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, при преобразо­вании ее в звезду:

ЭДС фаз средней вторичной обмотки трансформатора, смещенные на 15 эл. град., при п] образовании ее в звезду:

При использовании ЭДС, определенных выражениями (11.3)-(11.5), вычисляются произ­водные токов фаз в подсхемах с диодными мостовыми выпрямителями рис. 11.2. При этом ис­пользуется математическое описание диодных мостовых подсхем, приведенное в § 6.

После определения производных токов и токов в подсхемах с диодными мостами опреде­ляются производные токов и токи в фазах питающей сети:

Токи в подсхемах с защитными резисторами рис. 11.3:

где m = 1, 2, 3.

Описание подсхемы инвертора рис. 11.4 выполнено при условии, что в каждой фазе осу­ществляется согласованное управление транзисторами, при котором функции состояния транзи­сторов находятся в следующем соотношении:

Напряжения фаз на выходе инвертора с учетом (11.8):

В напряжениях фаз, определяемых выражениями (11.9), в общем случае содержатся гармонические составляющие нулевой последовательности. Чтобы упростить выражения для оп­ределения токов нагрузки, составляющие нулевой последовательности из напряжений фаз можно удалить:

С учетом (11.10) токи в фазах нагрузки могут быть определены из следующих выражений:

При известных выходных токах инвертора токи в плечах транзисторного моста определя­ются по следующим формулам:

Токи в плечах моста iinm разделяются на токи в транзисторах itnm и обратных диодах icinm в соответствии с условиями:

где т=1, 2,.. 6 и обозначает номер транзистора и обратного диода в фазе моста в соответствии с обозначениями схемы рис. 11.1.

Регулятор действующего напряжения питающей сети описывается выражениями (3.15) и

При известных входных токах инверторного моста (11.15), известных токах цепей защиты от перенапряжений (11.7), а также выпрямленных токах диодных мостов (§ 6), определяются токи в конденсаторах (см. рис. 11.5):

Входные токи инвертора:

Токи в диодах, через которые точки соединения друг с другом транзисторов соединены с точками соединения друг с другом конденсаторов, определяются выражениями:

(3.16).

Система управления инвертора содержит регулятор действующего тока нагрузки и систе­му формирования импульсов управления транзисторами.

Работу системы формирования импульсов управления четырехуровневого транзисторного инвертора можно пояснить с помощью рис. 11.7.

Рис. 11.7 Формирование импульсов управления транзисторами одной фазы четырехуровневого инвертора

На рис. 11.7 изображены три пилообразных опорных напряжения иопь и2, иопз, напряже­ние управления одной фазы инвертора uyi, а также функции состояния транзисторов одной фазы kin – kii6- где п – номер фазы.

где fon – частота опорных напряжений в Гц, топ – промежуточная переменная, At – шаг расчета в с.

Регулирование заданного действующего тока нагрузки и определение напряжений управ­ления четырехуровневого АИН осуществляется в соответствии с выражениями (1.12)-(1.15).

При указанном определении опорных напряжений и напряжений управления состояния ключей моста определяются выражениями:

Максимальное и минимальное значения опорных напряжений +1 и -1. Мгновенные значе­ния опорных напряжений формируются по следующему алгоритму:

В соответствии с указанным математическим описанием схемы с преобразователем часто­ты с четырехуровневым инвертором рис. 11.1 разработана программа расчета электромагнитных процессов (программа 11, представлена на CD).

В качестве примера по программе 11 выполнен расчет при следующих исходных данных. Длительность рассчитываемого интервала времени 2,03 с, начало вывода информации в файл 2 с, шаг интегрирования 1 мкс, напряжение питающей сети 6 кВ, частота напряжения сети 50 Гц, ин­дуктивность сети 1 мГн, мощность трансформатора 1000 кВА, напряжение короткого замыкания трансформатора 6,2 %, коэффициент трансформации 8, «паразитная» индуктивность в звене вы­прямленного тока 2 мкГн, емкость каждой из трех конденсаторных батарей 5000 мкФ, индуктив­ность нагрузки 8,26 мГн, активное сопротивление нагрузки 3,46 Ом, частота напряжения нагрузки 50 Гц, частота опорных напряжений инвертора 2500 Гц, заданный действующий ток нагрузки 277,6 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 800 кВт. Результаты расчета представлены на рис. 11.8 и 11.9 в виде диаграмм мгновенных значе­ний токов и напряжений преобразователя. В таблицах 11.1 и 11.2 представлены результаты анали­за токов и напряжений в заданных установившихся режимах работы.

Рис. 11.8 Напряжения и токи сети, трансформатора и выпрямителей в схеме преобразования с четырехуровневым инвертором

Таблица 11.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 11.8

Фазное напряжение питающей сети, В

3459.333

Коэффициент искажения синусоидальности

0.006756

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения ‘3459.254

Фазы, гр.

0.04823

Фазный ток питающей сети, А

79.245

Коэффициент искажения синусоидальности

0.09069

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 78.918

Фазы, гр. -13.6450

Напряжение 1 вторичной обмотки тр-ра, В Напряжение 2 вторичной обмотки тр-ра, В Напряжение 3 вторичной обмотки тр-ра, В

429.829

428.953

430.082

Ток 1 вторичной обмотки трансформатора, А Ток 2 вторичной обмотки трансформатора, А Ток 3 вторичной обмотки трансформатора, А

206.911

238.355

207.414

Напряжение 1 конденсатора, В Напряжение 2 конденсатора, В Напряжение 3 конденсатора, В

983.627

979.448

984.013

Рис. 11.9 Напряжения и ток инвертора и нагрузки в схеме преобразования с четырехуровневым инвертором

Таблица 11.2 Результаты анализа токов и напряжений рис. 11.9

Выпрямленный ток инвертора ian, А Выпрямленный ток инвертора i^, А Выпрямленный ток инвертора i^, А Выпрямленный ток инвертора i^, А

257.843

41.174

40.962

258.054

Ток 1 конденсатора, А Ток 2 конденсатора, А Ток 3 конденсатора, А

142.408

69.748

151.327

Фазное напряжение нагрузки, В Коэффициент искажения синусоидальности

1203.691

0.1831

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения ‘1183.330

Фазы, гр. -3.3977

Фазный ток нагрузки, А

276.804

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения ‘276.788

Фазы, гр. -39.6741

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