Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и двухуровневым инвертором напряжения

May 10, 2012 by admin Комментировать »

Во многих промышленных электроустановках, а также в электроприводах небольшой и средней мощности, в которых не требуется рекуперация энергии, широкое применение находят преобразователи частоты с трехфазными диодными выпрямителями и двухуровневыми инверто­рами напряжения [77], [82]. Такие преобразователи работают со сравнительно высоким коэффи­циентом мощности, потребляемой из сети (0,96-0,99). При этом 6-пульсные диодные выпрямители искажают напряжения питающей сети существенно меньше, чем 6-пульсные выпрямители на од­нооперационных тиристорах.

Возможная схема с преобразователем частоты с диодным выпрямителем и двухуровневым транзисторным инвертором представлена на рис. 7.1.

Рис. 7.1 Схема с преобразователем частоты с диодным выпрямителем и двухуровневым транзисторным инвертором

В соответствии с рис. 7.1 питание преобразователя частоты осуществляется от трехфазного источника напряжения, который содержит фазные ЭДС esn (n = 1, 2, 3) и фазные индуктивности ls. Фазы имеют напряжения usn, в фазах протекают токи isn. Поскольку при выполнении расчетов за­данным параметром является обычно действующее напряжение сети Us, в схеме изображен также пропорционально-интегральный регулятор действующего напряжения. На вход этого регулятора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений сети. На выходе регулятора формиру­ется амплитуда фазных ЭДС питающей сети.

В рассматриваемой схеме на входе выпрямителя изображены также фазные дроссели с ин­дуктивностью 1ДР и активным сопротивлением фаз гдр. На выходе выпрямителя изображен сглажи­вающий дроссель с индуктивностью Id и активным сопротивлением rd.

Фазные дроссели предназначены для ограничения токов короткого замыкания (при пробое диодов) и для уменьшения искажений напряжения питающей сети. При их использовании сглажи­вающий дроссель во многих случаях может быть исключен. К недостаткам применения фазных дросселей следует отнести то, что падение напряжения на них приводит с снижению выпрямлен­ного напряжения и напряжения нагрузки.

Использование сглаживающего дросселя не приводит с существенному снижению выход­ного напряжения преобразователя частоты. В то же время сглаживающий дроссель позволяет ог­раничить пульсации выпрямленного тока диодного выпрямителя и практически исключить про­никновение в питающую сеть высокочастотных гармонических составляющих токов и напряже­ний, обусловленных работой инвертора в режиме ШИМ. По этим причинам чаще используются схемы без фазных дросселей, но со сглаживающими дросселями.

В схеме рис. 7.1 изображены фазные дроссели и сглаживающий дроссель для универсаль­ности математической модели и программы расчета электромагнитных процессов.

В диодном выпрямителе вентили рассматриваются как идеальные ключевые элементы. Напряжения фаз диодного моста uvn, выпрямленный ток id, выпрямленное напряжение щ.

К цепи выпрямленного напряжения (после сглаживающего дросселя) подключен конден­сатор, имеющий емкость с и активное сопротивление гс. В конденсаторе протекает ток ic. Емкость имеет напряжение uc, напряжение на конденсаторе равно игс. К цепи выпрямленного напряжения подключен также защитный резистор rz через транзистор kz. В резисторе протекает ток iz.

Транзисторный инвертор преобразует входной ток idl в фазные токи нагрузки in (п = 1,2, 3), а напряжение конденсатора игс – в напряжения нагрузки un. В плечах транзисторного моста проте­кают токи im (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6). Ключевые элементы в плечах инверторного моста (транзисторы и обратные диоды) описываются функциями km (п=1, 2, 3), которые принимают значение 1, если плечо открыто, и значение 0, если плечо закрыто.

Нагрузка преобразователя частоты активно-индуктивная. В ней учитываются индуктивно­сти 1н и активные сопротивления фаз гн.

При математическом описании схемы рис. 7.1 осуществляется замена конденсатора зави­симым источником напряжения в соответствии с выражениями (1.1). Затем осуществляется пере­нос этого источника в другие ветви схемы: в ветвь выпрямленного тока транзисторного инвертора, в цепь защитного резистора и в ветвь сглаживающего дросселя.

Кроме того, трехфазная обмотка источника питания и диодный выпрямитель преобразуют­ся в звено выпрямленного тока с зависимыми элементами еэ, 1Э, кэ, как описано в § 6 (рис. 6.2).

В результате указанных преобразований исходной схемы она распадается на подсхемы, изображенные на рис. 7.2.

Рис. 7.2 Подсхемы системы с преобразователем частоты с диодным выпрямителем и двухуровневым транзисторным инвертором

Подсхемы рис. 7.2. связаны друг с другом зависимыми источниками напряжения еэ, игс, и тока id, ic, а также зависимыми элементами 1э и кэ.

Математическое описание подсхемы с диодным выпрямителем приведено в § 6. Математическое описание подсхемы с двухуровневым автономным трехфазным транзи­сторным инвертором напряжения приведено в § 1.

Ток в подсхеме со сглаживающим дросселем определяется из следующих выражений:

где kz=l, если игс превысило уставку защиты, и kz=0, если игс находится в допустимых границах.

Ток конденсаторной батареи:

Ток в цепи защиты от перенапряжений:

Особенности системы управления АИН описаны в § 1. Следует отметить, что система управления содержит регулятор действующего тока нагрузки, который воздействует на амплитуду напряжений управления инвертора. Определение действующего тока нагрузки и работа регулято­ра описываются выражениями (1.12)-(1.14).

При использовании указанного математического описания разработана программа расчета электромагнитных процессов в схеме преобразования частоты рис. 7.1 (программа 07, приведена на CD).

По этой программе выполнен расчет электромагнитных процессов в системе с преобразо­вателем частоты 1114-250-380 мощностью 250 кВт, разработанным в ФГУП ЦНИИСЭТ. Питание преобразователя осуществляется от трансформатора мощностью 400 кВА, имеющего напряжение вторичной обмотки 380 В, номинальную частоту 50 Гц и напряжение короткого замыкания 5,8 %. При этом индуктивности рассеяния фаз трансформатора равны 0,0666 мГн. Нагрузка преобразова­теля имеет мощность 250 кВт при коэффициенте мощности 0,8. Номинальное напряжение нагруз­ки 380 В, номинальная частота 50 Гц. При этом активное сопротивление нагрузки 0,3697 Ом, ин­дуктивность 0,8825 мГн. Входной трехфазный дроссель отсутствует, но вместо него учитываются индуктивности кабелей 1 мкГн. В одной из модификаций преобразователя сглаживающий дрос­сель имеет индуктивность 0,5 мГн и активное сопротивление 0,01 Ом, емкость конденсаторной батареи 1000 мкФ. Частота ШИМ инвертора 1058 Гц. На рис. 7.3 представлен результат расчета, который выполнен для заданного номинального тока нагрузки 475 А. Заданная частота тока на­грузки принята в расчете равной 52 Гц, то есть несколько выше номинального значения, чтобы проявить в результатах характерную особенность системы – наличие двух 6-пульсных преобразо­вательных мостов с близкими частотами пульсаций.

Рис. 7.3 Напряжения и токи в схеме с диодным выпрямителем и двухуровневым инвертором

На рис. 7.3 изображены трехфазная система напряжений сети usn, ток одной фазы сети isb выпрямленный ток диодного моста id, напряжение конденсатора игс, ток конденсатора ic, напряже­ние одной фазы нагрузки иь трехфазная система токов нагрузки in, опорное напряжение иоп, а так­же трехфазная система напряжений управления uyn.

Характерной особенностью рассматриваемого процесса являются значительные пульсации выпрямленного тока id и напряжения конденсаторной батареи игс. В связи со сравнительно не­большой разницей в частотах напряжения сети (50 Гц) и нагрузки (52 Гц) в указанных токе и на­пряжении существуют биения с частотой 6(52-50)=12 Гц.

На рис. 7.4 изображены токи и напряжения в рассматриваемой схеме в том же режиме ра­боты, рассчитанные при индуктивности сглаживающего дросселя 1 мГн и емкости конденсатор­ной батареи 2000 мкФ. В таблице 7.1 представлены результаты анализа токов и напряжений в рас­сматриваемом режиме работы.

Рис. 7.4 Напряжения и токи в схеме диодным выпрямителем и двухуровневым инвертором при увеличенных емкости конденсатора и индуктивности сглаживающего дросселя

Таблица 7.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 7.4

Фазное напряжение питающей сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

218.591

0.07329

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 218.003

Фазы, гр. -1.8489

Фазный ток выпрямителя, А Коэффициент искажения синусоидальности

390.966

0.2496

Частоты гармоник, Гц 50 250 350 550

Действующие значения 378.590 77.220 43.891 26.143

Фазы, гр. -10.8361 122.1021 113.6999 -117.5695

Выпрямленный ток диодного моста, А Максимальное значение, А Минимальное значение, А

485.963

557.385

419.044

Напряжение конденсатора, В Максимальное значение, В Минимальное значение, В

498.473

572.870

398.750

Ток в конденсаторе, А Максимальное значение, А Минимальное значение, А

170.339

539.507

-270.276

Частоты гармоник, Гц 155 310 315 900 905 1215

Действующие значения 32.122 48.649 26.753 53.111 37.395 69.006

Фазы, гр. 114.3861 -153.8034 17.8131 -79.7972 105.7664 -61.6655

Фазное напряжение нагрузки, В Коэффициент искажения синусоидальности

235.258

0.3708

Частоты гармоник, Гц 51.99 259.99

847.58

852.78

951.58

956.78      1159.58

Действующие значения 218.482 24.997 16.512 15.925 19.047 16.996 24.762

Фазы, гр. -42.5828 147.6309 -23.9055 165.1871 -104.2958 83.1600 93.0978

Фазный ток нагрузки, А

466.825

Частоты гармоник, Гц 51.99

Действующие значения 466.054

Фазы, гр. -80.5353

Следует отметить, что значительные пульсации выпрямленного напряжения, выявленные в расчетах, отмечались и при испытаниях преобразователя 1114-250-380, при работе его на асин­хронный короткозамкнутый двигатель. Осциллограмма токов и напряжений преобразователя в режиме работы, близком к номинальному, представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5 Осциллограмма токов и напряжений ТПЧ-250-380 в номинальном режиме работы

На осциллограмме приведены мгновенные значения напряжения игс, входного тока инвер­тора idi, линейного выходного напряжения инвертора ил и фазного выходного тока ii. Снята осцил­лограмма в режиме работы, близком к номинальному режиму преобразователя ТПЧ-250-380: входное действующее напряжение 400 В, входной действующий ток 444 А, выпрямленное напря­жение 520 В, выпрямленный ток 550 А, действующее линейное напряжение на выходе 392 В, дей­ствующий ток на выходе 474 А, частота выходного тока 50 Гц.

Колебания выпрямленного напряжения преобразователя частоты, обусловленные малой емкостью конденсатора и малой индуктивностью дросселя, приводят к возникновению колебаний в напряжениях и токах инвертора. В преобразователе ТПЧ-250-380 для подавления колебаний был использован следующий алгоритм корректировки управляющих воздействий (аналогичные алго­ритмы используются и в некоторых других системах [14], [24]).

где Udf – отфильтрованное напряжение конденсатора в цепи постоянного напряжения, игс – факти­ческое напряжение конденсатора, Tud – постоянная времени фильтра напряжения.

Коэффициент изменения напряжения конденсатора:

Для выявления колебаний входного напряжения инвертора осуществляется его цифровая фильтрация:

где Ку – коэффициент влияния обратной связи по напряжению (настраиваемый параметр).

Заданная фаза трехфазной системы напряжений управления инвертора:

(7.6)

где со3 – заданная частота напряжений управления инвертора.

Экспериментальная проверка алгоритма подавления колебаний выполнена «Лабораторией преобразовательной техники». Этот алгоритм использован в ряде приводов и источников электро­энергии.

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