Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и 5-уровневым инвертором напряжения

May 28, 2012 by admin Комментировать »

Преобразователи частоты с пятиуровневыми инверторами напряжения [45], [49] и диод­ными выпрямителями содержат четное количество трехфазных диодных мостов, как изображено на рис. 12.1.

Рис. 12.1 Схема преобразования частоты с диодным выпрямителем и 5-уровневым транзисторным АИН

В схеме рис. 12.1 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. Источник снабжен регулятором действующего напряже­ния. На вход регулятора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений фаз, на выхо­де регулятора формируется амплитуда фазных ЭДС сети.

Между питающей сетью и полупроводниковым преобразователем включен трансформа­тор, который имеет одну первичную обмотку и четыре вторичные обмотки. Трехфазные системы ЭДС вторичных обмоток взаимно сдвинуты по фазе на 15 эл. град. Причем ЭДС средних обмоток взаимно сдвинуты по фазе на 30 эд. град., ЭДС крайних обмоток взаимно сдвинуты по фазе также на 30 эд. град. 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). Крайние диодные мосты и крайние вторичные обмотки трансформатора образуют 12- пульсную схему выпрямления. Средние диодные мосты и средние вторичные обмотки трансфор­матора также образуют 12-пульсную схему выпрямления. В целом схема выпрямителя приближа­ется к 24-пульсной, но в полной мере не является таковой, поскольку токовые нагрузки средних и крайних диодных мостов различны. При этом в токах сети 11, 13 и ряд других высших гармониче­ских составляющих 12-пульсных схем взаимно компенсируются не полностью.

Конденсаторы имеют емкости сь с2, с3, с4, активные сопротивления гсЬ гс2, гс3, гс4, токи icb iC2, iC3, ic4, напряжения urci, urc2, urc3, urc4. Цепи защиты от перенапряжения содержат резисторы rzb rZ2, rz3, rz4, в них протекают токи izl, iz2, iz3, iz4.

Инвертор имеет входные токи idib idl2, idi3, idi4, idis- В инверторе и в нагрузке imm – токи в плечах моста (номер фазы n = 1, 2, 3, номер транзистора m = 1, 2,.. 8), ildnl, ildn2, ildn3, ildn4, ildn5, ildn6 – токи в диодах инвертора, подключенных к точкам соединения друг с другом конденсаторов, un – напряжения фаз инвертора и нагрузки, in – токи фаз инвертора и нагрузки, гн, 1н – активные сопро­тивления и индуктивности фаз нагрузки.

В схеме рис. 12.1 преобразователь частоты содержит систему управления СУ. В систему управления поступают сигналы по напряжениям конденсаторов urci, игс2, игс3, игс4 и токам нагрузки in. На выходе системы управления формируются импульсы управления ИУ транзисторами.

Математическое описание схемы рис. 12.1 осуществляется при разделении ее на взаимо­связанные подсхемы. С этой целью исходная схема разделяется на части 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:

где номер конденсатора m = 1, 2, 3, 4.

Далее источник напряжения игс2 переносится в ветвь 1 конденсатора и в другие ветви, со­единенные в общем узле 1 и 2 конденсаторов, в том числе в цепи защиты от перенапряжений и в цепи выпрямленных токов диодных мостов и инвертора. Источник игс3 переносится в ветвь 4 кон­денсатора и в другие ветви, соединенные в общем узле 3 и 4 конденсаторов, в том числе в цепи защиты и в цепи выпрямленных токов. При этом в ветви 1 конденсатора образуется источник иГс1+иГс2 и он переносится в ветви схемы, которые соединяются друг с другом в положительном полюсе цепи выпрямленного тока. В ветви 4 конденсатора образуется источник игс3гс4 и он пере­носится в ветви схемы, которые соединяются друг с другом в отрицательном полюсе.

В результате указанных преобразований схемы рис. 12.1 выделяются подсхемы, изобра­женные на рис. 12.2, 12.3, 12.4 и 12.5. Подсхемы взаимосвязаны зависимыми элементами, в дан­ном случае зависимыми источниками напряжения и тока.

Рис. 12.2 Подсхемы сети и выпрямителей

Рис. 12.3 Подсхемы цепей защиты от перенапряжений

Рис. 12.4 Подсхема транзисторного инвертора

Рис. 12.5 Подсхемы с конденсаторами

В подсхеме с трехфазным источником питания рис. 12.2 напряжения фаз первичной об­мотки трансформатора usn и ЭДС фаз etn определяются следующим образом:

где номер фазы n = 1, 2, 3.

ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора enm (п=1, 2, 3, т=1, 2, 3, 4) определяются в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на рис. 12.6.

Рис. 12.6 Векторная диаграмма ЭДС трансформатора

ЭДС фаз третьей вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз второй вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз четвертой вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз 1 вторичной обмотки трансформатора:

При использовании ЭДС, определенных выражениями (12.3)-(12.6), вычисляются произ­водные токов фаз в подсхемах с диодными мостовыми выпрямителями рис. 12.2. 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. При этом целесообразно определить следующие коэффициенты:

Токи в подсхемах с защитными резисторами рис. 12.3:

где kzm – функция состояния защитного транзистора (0 или 1).

Описание подсхемы инвертора рис. 12.4 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 (12.10):

В напряжениях фаз, определяемых выражениями (12.11), в общем случае содержатся гар­монические составляющие нулевой последовательности. Чтобы упростить выражения для опреде­ления токов нагрузки, составляющие нулевой последовательности из напряжений фаз можно уда­лить:

Токи в фазах нагрузки:

(3.16).

Регулятор действующего напряжения питающей сети описывается выражениями (3.15) и

Токи конденсаторов в подсхемах рис. 12.5 определяются следующими выражениями:

Входные токи инвертора:

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

где т=1, 2,.. 8 и обозначает номер транзистора и обратного диода в фазе моста в соответствии с обозначениями схемы рис. 12.1.

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

Токи в плечах транзисторного моста:

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

Работу системы формирования импульсов управления пятиуровневого транзисторного ин­вертора можно пояснить с помощью рис. 12.7, на котором изображены четыре пилообразных опорных напряжения иопь и0П2, иопз, и0П4, напряжение управления одной фазы инвертора иуЬ а так­же функции состояния транзисторов одной фазы кщ – кп8.

Рис. 12.7 Формирование импульсов управления транзисторами одной фазы пятиуровневого инвертора

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

Регулирование заданного действующего тока нагрузки и определение напряжений управ­ления пятиуровневого 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:

где п – номер фазы.

В соответствии с указанным математическим описанием схемы с преобразователем часто­ты с диодным выпрямителем и пятиуровневым инвертором рис. 12.1 разработана программа рас­чета электромагнитных процессов (программа 12, представлена на CD).

В качестве примера по программе 12 выполнен расчет при следующих исходных данных. Длительность рассчитываемого интервала времени 2,03 с, начало вывода информации в файл 2 с, шаг интегрирования 1 мкс, шаг записи информации в файл 10 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 2мкГн, емкость каждой из четырех конденсаторных батарей 5000 мкФ, индуктивность нагрузки 13,73 мГн, активное сопротивление нагрузки 5,759 Ом, частота напряжения нагрузки 50 Гц, частота опорных напряжений инвертора 2500 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 1000 кВт, коэффициент мощности 0,8, линейное действующее напряжение 3 кВ. Результаты расчета представлены на рис. 12.8 и 12.9 в виде диа­грамм мгновенных значений токов и напряжений, а также в таблицах 12.1 и 12.2.

Рис. 12.8 Напряжения и токи сети, трансформатора и выпрямителей в схеме преобразования с пятиуровневым инвертором

Таблица 12.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 12.8

Фазное напряжение питающей сети, В

3457.414

Коэффициент искажения синусоидальности

0.004092

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 3457.385

Фазы, гр. -0.3145

Фазный ток питающей сети, А

99.261

Коэффициент искажения синусоидальности

0.03948

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения ’ 99.183

Фазы, гр. -16.6075

Напряжение фазы 1 вторичной обмотки тр-ра, В

457.608

Ток 1 вторичной обмотки трансформатора, А Ток 2 вторичной обмотки трансформатора, А Ток 3 вторичной обмотки трансформатора, А Ток 4 вторичной обмотки трансформатора, А

185.487

206.467

206.834

181.817

Напряжение 1 конденсатора, В Напряжение 2 конденсатора, В Напряжение 3 конденсатора, В Напряжение 4 конденсатора, В

1039.775

1034.543

1034.126

1040.150

Рис. 12.9 Напряжения и токи инвертора и нагрузки в схеме с пятиуровневым инвертором Таблица 12.2 Результаты анализа токов и напряжений рис. 12.9

Ток 1 конденсатора, А Ток 2 конденсатора, А Ток 3 конденсатора, А Ток 4 конденсатора, А

163.312

76.016

95.018

149.718

Выпрямленный ток инвертора ian, А

223.432

Частоты гармоник, Гц 150

300

Действующие значения ‘ 93.827 34.000

Фазы, гр. -72.1519 -0.4568

Выпрямленный ток инвертора i^. А

31.572

Частоты гармоник, Гц 150

300

Действующие значения ‘ 56.894 58.016

Фазы, гр. 122.7816 -174.7548

Выпрямленный ток инвертора idi3, А

-1.102

Частоты гармоник, Гц 150

Действующие значения ‘ 82.259

Фазы, гр. 85.2030

Выпрямленный ток инвертора i^, А

33.288

Выпрямленный ток инвертора i^, А

220.612

Ток 1 транзистора и обратного диода im, А Максимальное значение, А

146.336

336.868

Ток 2 транзистора и обратного диода in2, А Максимальное значение, А

160.364

336.868

Ток 3 транзистора и обратного диода in3, А Максимальное значение, А

166.964

336.868

Ток 4 транзистора и обратного диода in4, А Максимальное значение, А

168.687

336.868

Фазное напряжение нагрузки, В Коэффициент искажения синусоидальности

1737.783

0.1273

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 1723.642

Фазы, гр. 177.0698

Фазный ток нагрузки, А

239.057

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 239.037

Фазы, гр. 140.5294

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