Трехфазный двухуровневый активный выпрямитель

May 27, 2012 by admin Комментировать »

Если в трехфазной цепи нагрузки АИН имеется трехфазная система ЭДС, то средствами управления может быть обеспечен установившийся режим работы, при котором электроэнергия передается из цепи переменного напряжения в цепь постоянного напряжения. При этом транзи­сторный или тиристорный мостовой преобразователь переводится из инверторного режима рабо­ты в выпрямительный режим. В этом случае в цепи выпрямленного напряжения должен сущест­вовать не источник, а потребитель электроэнергии. Преобразователи рассматриваемого типа назы­вают активными выпрямителями [15]. Одна из возможных схем с транзисторным двухуровне­вым активным выпрямителем изображена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Схема с двухуровневым транзисторным активным выпрямителем

В рассматриваемой схеме трехфазный источник питания содержит трехфазную систему ЭДС esn (п – номер фазы) и индуктивности ls. Этот источник имеет фазные напряжения usn и фаз­ные токи isn. Линейные напряжения источника usi2, uS23 и uS34. Между трехфазным источником и транзисторным мостом включен трехфазный дроссель с индуктивностями фаз 1др и активными со­противлениями фаз гдр. В транзисторном мостовом преобразователе (выпрямителе) uvn – фазные напряжения (п=1, 2, 3), ivn – токи в плечах (п=1, 2,… 6 – номер плеча моста), игс – выпрямленное напряжение (напряжение конденсаторного фильтра), idv – выпрямленный ток. В цепи выпрямлен­ного напряжения с, rc, ic – емкость, активное сопротивление и ток конденсаторного фильтра, rz и iz – активное сопротивление и ток цепи защиты от перенапряжений, гн, 1н, ен, iH – активное сопротив­ление, индуктивность, ЭДС и ток нагрузки.

В схеме рис. 3.1. система управления выпрямителя (СУ) контролирует линейные напряже­ния и фазные токи трехфазного источника питания, а также выпрямленное напряжение преобразо­вателя и формирует импульсы управления транзисторами. При этом в системе управления могут решаться следующие задачи:

–                    стабилизация выпрямленного напряжения на заданном уровне путем воздействия на амплитуду заданных фазных токов сети;

–                    формирование фазных токов сети, близких по форме к синусоиде путем воздействия на напряжения управления;

–                    поддержание заданного коэффициента мощности сети (индуктивного, емкостного или равного 1) путем воздействия на напряжения управления;

–                    передача энергии из сети переменного напряжения в цепь постоянного напряжения и в противоположном направлении.

Следует отметить, что минимальный уровень выпрямленного напряжения в рассматривае­мой схеме равен тому напряжению, которое может создать диодный выпрямитель. Соотношение фазного напряжения моста и выпрямленного напряжения в этом случае определяется формулой (1.18). При управлении транзисторами выпрямленное напряжение нельзя уменьшить, но можно увеличить. Верхняя граница выпрямленного напряжения теоретически не ограничена. Практиче­ски наиболее целесообразно обеспечивать работу выпрямителя вблизи границы перехода от сину­соидальной ТТТИМ к перемодуляции при соотношении фазного и выпрямленного напряжений, близком к (1.17). В этом случае управление токами фаз сети осуществляется непрерывно (с задан­ной дискретностью) и может быть обеспечено решение перечисленных задач.

Как видно из схемы рис. 3.1, в системе имеется также пропорционально-интегральный ре­гулятор действующего напряжения сети Us. Он введен в систему, поскольку при выполнении рас­четов задается обычно не ЭДС сети, а напряжение. Этот регулятор контролирует мгновенные зна­чения напряжений сети, определяет действующее напряжение, фильтрует его и воздействует на амплитуду ЭДС сети, обеспечивая выход системы на заданный режим работы, в котором напря­жение сети равно заданному значению. Такой подход позволяет учитывать внутренние сопротив­ления питающей сети и осуществлять расчет искажений напряжений сети, обусловленных работой преобразователя.

Состояния транзисторов выпрямителя, как и в схеме с АИН, описываются функциями kvn, где п – номер фазы. В цепи защиты от перенапряжений состояние транзистора описывается функ­цией kz.

где п=1, 2, 3.

Мгновенные значения токов itn в 6 транзисторах и токов idn в 6 обратных диодах определя­ются условиями (1.6).

Выпрямленный ток транзисторного инвертора:

Токи в плечах транзисторного моста:

где х – фаза системы ЭДС, Esm – амплитуда фазных ЭДС сети, п=1, 2, 3 (номер фазы).

В подсхеме с сетевыми ЭДС и транзисторным мостом фазные напряжения транзисторного моста uvn определяются выражениями (1.3) при uvn=un.

Фазные токи сети определяются в результате интегрирования следующих уравнений:

Фазные ЭДС сети определяются следующими выражениями:

При математическом моделировании рассматриваемой системы на каждом шаге расчета At определяется напряжение на емкости ис, после чего емкость и активное сопротивление конденса­тора заменяются зависимым источником напряжения игс в соответствии с выражениями (1.1). Да­лее источник игс переносится в другие ветви схемы – в ветвь нагрузки, в цепь защиты от перена­пряжений и в цепь выпрямленного тока инвертора. Из цепи выпрямленного тока инвертора этот источник переносится в плечи транзисторного моста. В результате из силовой схемы установки выделяются подсхемы, изображенные на рис. 3.2, которые имеют взаимные связи через зависимые источники напряжения Urc и тока ic.

Рис. 3.2 Разделение схемы с трехфазным двухуровневым выпрямителем на взаимосвязанные подсхемы

Предполагается, что транзисторный преобразователь работает в режиме синусоидальной широтно-импульсной модуляции. При этом импульсы управления транзисторами выпрямителя формируются аналогично импульсам АИН в результате сравнения пилообразного опорного на­пряжения управления иоп с трехфазной системой напряжений управления uyb uy2, иу3, как описано в предыдущем разделе.

Ток в цепи защиты от перенапряжений определяется выражением (1.9). Ток конденсаторной батареи:

Ток нагрузки определяется путем интегрирования дифференциального уравнения:

Формирование напряжений управления выпрямителя осуществляется в системе управле­ния регуляторами напряжения и тока.

Частота напряжения сети cos определяется по изменению фазы трехфазной системы напря­жений ти в следующем алгоритме вычислений:

где Xi – угловое положение трехфазной системы напряжений сети в начале цикла работы системы управления, ти – угловое положение системы напряжений сети в конце цикла работы системы управления, сои – мгновенное значение угловой частоты напряжений сети, cos – отфильтрованная угловая частота напряжений сети.

где Izm;ix – заданное ограничение амплитуды тока сети, Кш – коэффициент в обратной связи по ин­тегралу отклонения напряжения от заданного значения, Кио – коэффициент в обратной связи по отклонению напряжения от заданного значения, Aty – время цикла работы системы управления.

Для регулирования других переменных определяются фаза ти и модуль Usm вектора трех­фазной системы напряжений сети:

При регулировании выпрямленного напряжения осуществляется сравнение фактического выпрямленного напряжения игс с заданной величиной Uz, и с помощью пропорционально­интегрального регулятора формируется заданная амплитуда фазного тока сети Izm в соответствии с выражениями:

Если система управления должна поддерживать заданный угол сдвига фш тока сети отно­сительно напряжения, то мгновенные значения трехфазной системы заданных токов сети опреде­ляются выражениями:

Токовые составляющие трехфазной системы напряжений управления uym формируются пропорциональными регуляторами фазных токов:

Напряжения управления фаз выпрямителя формируются как суммы токовых составляю­щих и составляющих uyen, компенсирующих ЭДС сети (определены ниже):

В выражениях (3.12) составляющие uyen определяются в результате анализа трехфазной системы напряжений управления uyn и фильтрации вычисленной амплитуды этих напряжений Uym:

где Тиу – постоянная времени фильтра амплитуды напряжений управления, иух – проекция напря­жений управления на ось абсцисс, Uymax – не отфильтрованная амплитуда напряжений управления, ту – фаза трехфазной системы напряжений управления.

С учетом (3.13) составляющие напряжений управления, компенсирующие ЭДС сети, опре­деляются выражениями:

Действующее линейное напряжение сети Us определяется в процессе работы модели по ал­горитму, аналогичному (2.6):

где Аи и Ви – промежуточные переменные, Ти – постоянная времени апериодического фильтра действующего напряжения.

При регулировании действующего линейного напряжения сети осуществляется сравнение фактического напряжения Us с заданной величиной Usz и с помощью пропорционально­интегрального регулятора формируется заданная амплитуда фазных ЭДС сети Esm:

где Usz – заданное действующее напряжение сети, KS1 – коэффициент в обратной связи по интегра­лу отклонения напряжения от заданного значения, Kso – коэффициент в обратной связи по откло­нению напряжения от заданного значения.

В процессе расчета электромагнитных процессов во времени амплитуда ЭДС сети, опреде­ленная выражениями (3.16), используется в формулах (3.1) для определения мгновенных значений фазных ЭДС сети.

При использовании рассмотренного алгоритма управления возможны броски тока в мо­мент подключения преобразователя к сети. Их можно исключить, если установить начальную ам­плитуду напряжений управления по следующей формуле:

По приведенному математическому описанию схемы преобразования рис. 3.1 разработана программа расчета на ЭВМ электромагнитных процессов в системе с трехфазным двухуровневым выпрямителем (программа 03, представлена на CD).

В качестве примера выполнен расчет электромагнитных процессов в рассматриваемой схеме при следующих параметрах: продолжительность рассчитываемого интервала времени 3 с, начало записи результатов расчета в файл 2,975 с, шаг расчета At=l мкс, шаг записи результатов в файл 10 мкс, ен=900 В, 1н=10мГн, гн=0,8 Ом, с=2000 мкФ, гс=0,01 Ом, ls=0,5 мГн, rs=0,001 Ом, US=400B, f =50 Гц. ldr=3,5 мГн, rdr=0,05 Ом, £,„=4000 Гц. фш=0, UZ=1000B, Кш=3, Кио=0,5, К„=- 0,007, Тш=0,02 с, Ти=0,05 с, Тиу=0,003 с, Aty= 100 мкс.

На рис. 3.3 представлен результат расчета в виде диаграммы мгновенных значений напря­жений и токов. Диаграмма соответствует установившемуся режиму работы, который возник после подключения преобразователя к сети в результате затухания переходного процесса. Обозначения переменных приняты такими же, как в схеме рис. 3.1.

Рис. 3.3 Напряжения и токи трехфазного двухуровневого выпрямителя при работе в режиме синусоидальной ШИМ

В табл. 3.1 представлены результаты анализа рассматриваемого режима работы.

Таблица 3.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 3.3

Напряжение 1 фазы сети, В

230.721

Коэффициент искажения синусоидальности

0.1376

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

228.526

171.3215

3900

12.271

-167.9387

4100

11.556

0.2199

7950

10.950

-122.9470

8050

11.443

-39.6786

11800

5.560

121.5445

11900

5.493

26.4136

12100

5.764

-166.5376

12200

5.772

97.1726

Ток 1 фазы сети, А

181.604

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

181.497

177.8641

Ток в конденсаторе, А

97.572

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

3850

36.023

100.4324

4150

37.398

89.0104

8000

47.648

-80.7778

11850

24.140

-116.4264

12150

25.338

-38.6609

Выпрямленный ток выпрямителя, А

119.186

Частоты гармоник,Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

3850

36.289

101.2806

4150

36.339

90.9725

7700

3.558

5.9806

7950

5.385

93.4168

8000

47.532

-79.3434

11800

3.777

83.3751

11850

23.885

-112.3304

12100

4.067

124.5340

12150

25.817

-36.7920

Напряжение управления 1 фазы, о.е.

0.630

Максимальное значение

0.920

Минимальное значение

-0.898

Выпрямленное напряжение, В

995.676

Максимальное значение

1014.787

Минимальное значение

973.508

Ток нагрузки, А

118.746

Из таблицы 3.1 видно, что в рассматриваемом режиме работы схемы рис. 3.1 фаза основ­ной гармонической составляющей тока сети отличается от фазы основной гармонической состав­ляющей напряжения на 6,5 эл. град. Эта погрешность расчета обусловлена в основном погрешно­стью работы системы управления, в которой для регулирования фазных токов сети используются пропорциональные регуляторы. Погрешность может быть уменьшена путем увеличения коэффи­циента Кю в формулах (3.11) или заданием определенного значения угла фш в формулах (3.10).

Как отмечено выше, в рассматриваемой схеме преобразования целесообразно обеспечивать работу выпрямителя в режиме синусоидальной ШИМ, чтобы сохранялась возможность регулиро­вания мгновенных значений фазных токов для поддержания их синусоидальной формы и решения других задач. При этом на соотношение действующего напряжения сети и выпрямленного напря­жения существенное влияние оказывает индуктивность трехфазного дросселя на входе выпрями­теля, а также заданный угол сдвига тока сети относительно напряжения.

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