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 игс2+игсз 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+игс2+игсз 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 и0П1 – 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.
- Предыдущая запись: ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНОЙ АНТЕННЫ С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ КОНИЧЕСКОГО СПИРАЛЬНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
- Следующая запись: УСЛОВИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ В РАДИОСИСТЕМАХ
- Коммутатор нагрузки из электромеханических будильников (0)
- ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО РАДИОПРИЕМНИКА (0)
- ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА (0)
- ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИТИЙ-НОННОГО ЭЛЕМЕНТА КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА (0)
- ОГРАНИЧИТЕЛЬ ЗАРЯДНОГО TOKA АККУМУЛЯТОРА (0)
- ИНДИКАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ПРОСТАЯ СХЕМА (0)
- ИНДИКАТОР УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА ПИТАНИЯ (0)