Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и 7-уровневым АИН

June 23, 2012 by admin Комментировать »

Преобразователь частоты с семиуровневым инвертором [40], [64] и диодным выпрямите­лем изображен на рис. 13.1.

Рис. 13.1 Схема преобразования частоты с диодным выпрямителем и 7-уровневым транзисторным АИН

Рассматриваемые преобразователи отличаются высоким качеством электроэнергии на вхо­де и на выходе, а также тем, что на сравнительно низковольтных приборах можно создать высоко­вольтные устройства, например с выходным напряжением 6 кВ.

В схеме рис. 13.1 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 шесть вторичных обмоток. Трехфазные системы ЭДС вторичных обмоток образуют 3 пары, в каждой из которых трехфазные системы взаимно сдвинуты по фазе на 30 эл. град, для обеспечения 12-пульсного режима работы диодных выпрями­тельных мостов. Указанные пары трехфазных систем также взаимно сдвинуты по фазе для повы­шения пульсности схемы выпрямления. 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 две 12-пульсные схемы выпрямления. В целом схема выпрямителя при­ближается к 36-пульсной, но в полной мере не является таковой, поскольку токовые нагрузки средних и крайних диодных мостов различны. При этом в токах сети 11, 13, 23, 25 и ряд других высших гармонических составляющих 12-пульсных схем взаимно компенсируются не полностью.

Конденсаторы имеют емкости Ci – Сб, активные сопротивления rci – гс6, токи ici – ic6, напря­жения urci – urc6.

Цепи защиты от перенапряжения содержат резисторы rz, в них протекают токи izi – iz6. Со­стояния транзисторов в цепях защиты описывается функциями kzm (kzm=l, если транзистор открыт, и kzm=0, если транзистор закрыт).

Инвертор имеет выпрямленные токи idn – idi7- В инверторе и в нагрузке imm – токи в плечах моста (номер фазы n = 1, 2, 3, номер транзистора m = 1, 2,.. 12), ildni – i^io ~~ 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 инверторе состояние транзисторов описывается функциями kmm (номер фазы п=1, 2, 3, номер транзистора ш=1, 2,.. 12).

В схеме рис. 13.1 преобразователь частоты содержит систему управления СУ. В систему управления поступают сигналы по напряжениям конденсаторов urci-urc6 и токам нагрузки in. На выходе системы управления формируются импульсы управления ИУ транзисторами.

Математическое описание схемы рис. 13.1 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 с учетом соответствующих взаимных сдвигов обмоток по фазе.

Другое преобразование исходной схемы основывается на замене конденсаторов зависи­мыми источниками напряжения:

где номер конденсатора m = 1, 2,.. 6.

При преобразовании исходной схемы источник напряжения игсз переносится в ветвь 2 кон­денсатора и в другие ветви, соединенные в общем узле 2 и 3 конденсаторов, в том числе в цепи защиты от перенапряжений и в цепи выпрямленных токов диодных мостов и инвертора. Источник игс4 переносится в ветвь 5 конденсатора и в другие ветви, соединенные в общем узле 4 и 5 конден­саторов, в том числе в цепи защиты и в цепи выпрямленных токов. Далее из ветви второго конден­сатора источник игс2гсз переносится в ветвь 1 конденсатора и в другие ветви, соединенные в об­щем узле 1 и 2 конденсаторов, а источник иГС4+иГС5 из ветви 5 конденсатора переносится в ветвь 6 конденсатора и в другие ветви, соединенные в общем узле 5 и 6 конденсаторов. После этого из ветви 1 конденсатора источник игс1+игс2гсз переносится в ветви, которые соединяются друг с дру­гом в положительном полюсе цепи выпрямленного тока, а источник urc4+urc5+urc6 переносится в ветви схемы, которые соединяются друг с другом в отрицательном полюсе.

В результате указанных преобразований схемы рис. 13.1 выделяются подсхемы, изобра­женные на рис. 13.2, 13.3, 13.4 и 13.5. Подсхемы взаимосвязаны зависимыми элементами, в дан­ном случае зависимыми источниками напряжения и тока.

Рис. 13.2 Подсхемы трансформатора и выпрямителей

Рис. 13.3 Подсхема транзисторного инвертора

Рис. 13.4 Подсхемы цепей защиты от перенапряжений

Рис. 13.5 Подсхемы с конденсаторами

В подсхеме с трехфазным источником питания рис. 13.2 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,.. 6) определяются в со­ответствии с векторной диаграммой, изображенной на рис. 13.6.

Рис. 13.6 Векторная диаграмма ЭДС трансформатора

ЭДС фаз 1 вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз второй вторичной обмотки трансформатора:

При использовании ЭДС, определенных выражениями (13.3)-(13.8), вычисляются произ­водные токов фаз в подсхемах с диодными мостовыми выпрямителями рис. 13.2. При этом ис­пользуется математическое описание диодных мостовых подсхем, приведенное в § 6.

ЭДС фаз шестой вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз пятой вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз четвертой вторичной обмотки трансформатора:

ЭДС фаз третьей вторичной обмотки трансформатора:

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:

Производные токов сети:

Токи фаз сети:

Токи в подсхемах с защитными резисторами рис. 13.3:

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

Описание подсхемы инвертора рис. 13.4 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 выражений (13.13):

где т=1, 2,.. 12.

Входные токи инвертора:

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

Токи в плечах транзисторного моста:

Токи в фазах нагрузки:

В напряжениях фаз нагрузки (13.14) содержатся гармонические составляющие нулевой по­следовательности. Чтобы упростить выражения для определения токов нагрузки, составляющие нулевой последовательности из напряжений фаз можно удалить:

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

Токи в конденсаторах:

Регулятор действующего напряжения питающей сети описывается выражениями (3.15) и

(3.16).

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

Работу системы формирования импульсов управления семиуровневого инвертора можно пояснить с помощью рис. 13.7, на котором изображены шесть пилообразных опорных напряжения и1 – Uon6, напряжение управления одной фазы инвертора иуЬ а также функции состояния транзи­сторов одной фазы kin – 1<и i2

МО

Рис. 13.7 Формирование импульсов управления транзисторами одной фазы семиуровневого инвертора

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

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

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

где n – номер фазы.

В соответствии с указанным описанием схемы с преобразователем частоты с диодным вы­прямителем и семиуровневым инвертором рис. 13.1 разработана программа расчета электромаг­нитных процессов (программа 13, представлена на CD).

В качестве примера выполнен расчет при следующих данных. Длительность рассчитывае­мого интервала времени 2,03 с, начало вывода информации в файл 2 с, шаг интегрирования 1 мкс, шаг записи 10 мкс, напряжение сети 6 кВ, частота напряжения сети 50 Гц, индуктивность сети

1   мГн, мощность трансформатора 2000 кВА, напряжение короткого замыкания трансформатора

7   %, коэффициент трансформации 5,5, «паразитная» индуктивность в звене выпрямленного тока

2   мкГн, емкость каждой из шести конденсаторных батарей 5000 мкФ, индуктивность нагрузки 34,38 мГн, активное сопротивление нагрузки 14,4 Ом, частота напряжения нагрузки 50 Гц, частота опорных напряжений 4000 Гц, заданный действующий ток нагрузки 192,5 А, коэффициент в об­ратной связи по интегралу отклонения тока нагрузки 0,05, коэффициент в обратной связи по от­клонению тока 0,005. Активная мощность нагрузки 1600 кВт, коэффициент мощности 0,8, линей­ное действующее напряжение 6 кВ. Результаты расчета представлены на рис. 13.8 и 13.9, а также в таблицах 13.1 и 13.2.

Рис. 13.8 Напряжения и токи в схеме преобразования с семиуровневым инвертором

Таблица 13.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 13.8

Фазное напряжение питающей сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

3452.734

0.004112

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

3452.704

-0.7034

Фазный ток питающей сети, А Коэффициент искажения синусоидальности

157.368

0.01188

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

157.356

-15.1840

Напряжение фазы 1 вторичной обмотки тр-ра, В

623.882

Ток 1 вторичной обмотки трансформатора, А

128.554

Ток 2 вторичной обмотки трансформатора, А

153.650

Ток 3 вторичной обмотки трансформатора, А

164.483

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

1427.518

1419.865

1415.897

Рис. 13.9 Напряжения и токи в схеме с 7-уровневым инвертором

Таблица 13.2 Результаты анализа токов и напряжений рис. 13.9

Ток 1 конденсатора, А Ток 2 конденсатора, А Ток 3 конденсатора, А Ток 4 конденсатора, А Ток 5 конденсатора, А Ток 6 конденсатора, А

106.955

83.593

61.054

50.215

85.196

110.046

Входной ток инвертора ian, А Входной ток инвертора Ц2, А Входной ток инвертора Ц3, А Входной ток инвертора Ц4, А Входной ток инвертора Ц5, А Входной ток инвертора Ц6, А Входной ток инвертора Ц7, А

158.882

32.055

13.798

0.121

13.044

31.591

160.222

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

108.897

270.944

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

121.971

270.944

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

129.342

270.944

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

133.405

270.944

Ток 5 транзистора и обратного диода in5, А Максимальное значение, А

135.073

270.944

Ток 6 транзистора и обратного диода in6, А Максимальное значение, А

135.398

270.944

Фазное напряжение нагрузки, В Коэффициент искажения синусоидальности

3454.900

0.1013

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 3437.125

Фазы, гр. -146.2592

Фазный ток нагрузки, А

Коэффициент искажения синусоидальности

191.516

0.01355

Частоты гармоник, Гц 50

Действующие значения 191.499

Фазы, гр. 177.1583

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