Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и трехуровневым инвертором напряжения

June 14, 2012 by admin Комментировать »

Использование в преобразователе частоты трехуровневого инвертора позволяет повысить напряжение системы. Если не требуется рекуперация электроэнергии в питающую сеть, то целе­сообразно применение 12-пульсного диодного выпрямителя с последовательным соединением трехфазных мостов. Если средняя точка соединения друг с другом диодных мостов не соединяется с точкой соединения друг с другом конденсаторов инвертора, то выпрямленное напряжение диод­ного выпрямителя имеет сравнительно небольшие пульсации, и применение дросселя, сглажи­вающего выпрямленный ток, не требуется. При этом для подключения 12-пульсного выпрямителя к питающей сети необходимо использовать трехобмоточный трансформатор. Схема преобразова­ния частоты с 12-пульсным диодным выпрямителем и трехуровневым инвертором изображена на рис. 9.1.

Рис. 9.1 Схема преобразователя частоты с 12-пульсным диодным выпрямителем и трехуровневым транзисторным инвертором

В схеме рис. 9.1 питающая сеть представлена трехфазным источником напряжения, кото­рый содержит фазные ЭДС esn (n = 1, 2, 3) и фазные индуктивности ls. Трехфазный источник имеет фазные напряжения usn и фазные токи isn. В схеме изображен также пропорционально­интегральный регулятор действующего напряжения сети. На вход этого регулятора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений сети. На выходе регулятора формируется ампли­туда фазных ЭДС сети Esm.

К питающей сети подключен трансформатор, имеющий две вторичные обмотки. Одна из этих обмоток соединена в звезду, другая – в треугольник. Напряжения одной вторичной обмотки сдвинуты по фазе относительно напряжений другой обмотки на 30 эл. град. Первичная обмотка трансформатора имеет индуктивности рассеяния ltb вторичные обмотки имеют индуктивности рассеяния lt2. Коэффициент трансформации трансформатора равен Ктр. Первичная обмотка имеет фазные ЭДС etn, вторичные обмотки имеют фазные ЭДС ein и е2п и фазные токи iln и i2n (n = 1, 2, 3).

Токи и напряжения питающей сети преобразуются диодным выпрямителем в выпрямлен­ный ток id и в выпрямленное напряжение щ.

К цепи выпрямленного напряжения подключены последовательно соединенные конденса­торы, имеющие емкости С\ и с2 и активные сопротивления гс. В конденсаторах протекают токи ici и ic2. Емкости имеют напряжения uci и ис2, напряжения на конденсаторах равны urci и игс2.

К цепи выпрямленного напряжения подключены также защитные резисторы rz через тран­зисторы kzl и kz2. В цепях защиты протекают токи izl и iz2.

Транзисторный инвертор преобразует выпрямленные токи idib idl2, id,3 в фазные токи на­грузки in (п = 1,2, 3), а напряжения конденсаторов urci и игс2 – в напряжения фаз нагрузки un. В пле­чах транзисторного моста протекают токи imm (номер фазы n = 1, 2, 3; m = 1, 2, 3, 4). Токи в диодах инвертора, подключенных к средней точке конденсаторов, ikni и ikn2 (n = 1, 2, 3).

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

В схеме рис. 9.1 изображена также система управления инвертора. На вход системы управ­ления поступают сигналы по токам в фазах нагрузки in и по напряжениям конденсаторов urci и игс2. На выходе регулятора формируются импульсы управления транзисторами. Система управления обеспечивает поддержание заданного действующего тока нагрузки, а также ограничение напряже­ний конденсаторов.

Математическое описание силовой части схемы осуществляется при разделении ее на взаимосвязанные подсхемы. Для выполнения этой процедуры осуществляется замена конденсато­ров зависимыми источниками напряжения urci и игс2:

где m = 1, 2.

Затем зависимые источники напряжения переносятся в другие ветви схемы. При этом ис­точник иГС1 переносится в те ветви, которые соединяются друг с другом в положительном полюсе цепи выпрямленного напряжения, а источник игс2 переносится в те ветви, которые соединяются в отрицательном полюсе.

Производные токов и токи в первичной обмотке трансформатора определяются после оп­ределения аналогичных параметров во вторичных обмотках:

ЭДС фаз вторичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, при преобразо­вании ее в звезду:

ЭДС фаз вторичной обмотки, соединенной в звезду:

Дальнейшее разделение системы на взаимосвязанные части осуществляется по магнитно­му потоку взаимной индукции между обмотками трансформатора. При этом ЭДС фаз первичной обмотки трансформатора определяются следующими выражениями:

При дальнейшем разделении схемы на подсхемы вторичные обмотки трансформатора и диодные мосты преобразуются в звенья выпрямленного тока с эквивалентными параметрами e3i, С-р. 1эЬ 1э2, кэЬ кэ2 (это преобразование описано в § 6).

В результате выполнения указанных преобразований исходная схема распадается на под­схемы рис. 9.2.

Рис. 9.2 Разделение схемы с 12-пульсным диодным выпрямителем и трехуровневым транзисторным инвертором на подсхемы

Все подсхемы, изображенные на рис. 9.2, взаимосвязаны через зависимые элементы. Подсхема с эквивалентными параметрами выпрямителей и вторичных обмоток трансфор­матора описывается следующим образом:

Подсхемы с защитными резисторами описываются выражениями:

В выражениях (9.7) функции kzi и kz2 равны 1, если напряжения на соответствующих кон­денсаторах превышают допустимое значение, и равны 0, если указанного превышения нет.

Токи в конденсаторах:

Математическое описание диодных выпрямителей представлено в § 6. Трехуровневый ин­вертор напряжения описан в § 4. Система управления инвертора описана в § 1. В рассматриваемой системе содержится также регулятор действующего напряжения питающей сети, который описан в § 3 (выражения (3.15) и (3.16)).

Программа расчета электромагнитных процессов в схеме рис. 9.1. разработана на основе приведенного математического описания (программа 09, представлена на CD).

В качестве примера выполнен расчет по указанной программе установившегося режима работы при следующих исходных данных. Напряжение питающей сети 6 кВ, частота напряжения сети 50 Гц, индуктивность фаз 1 мГн. Нагрузка преобразователя частоты имеет активную мощ­ность 800 кВт, полную мощность 1000 кВА, номинальную частоту 50 Гц, номинальное напряже­ние 2080 В. При этом в нагрузке активное сопротивление фазы 3,46 Ом, индуктивность фазы 8,26 мГн. Трансформатор имеет мощность 1000 кВА, напряжение первичной обмотки 6 кВ, коэф­

фициент трансформации 5,4. Напряжение короткого замыкания трансформатора 6,2 %. Емкость каждой конденсаторной батареи преобразователя частоты 2000 мкФ. Частота опорных напряже­ний инвертора 2500 Гц. Заданный действующий ток нагрузки 277,6 А.

На рис. 9.3 представлен результат расчета установившегося процесса в виде диаграммы мгновенных значений токов и напряжений в рассматриваемой схеме. В таблице 9.1 представлен результат анализа токов и напряжений.

Рис. 9.3 Напряжения и токи в схеме с 12-пульсным диодным выпрямителем и трехуровневым

транзисторным инвертором

На рис. 9.3 Utn, ut2i, ut3i – напряжения фаз 1 вторичной обмотки трансформатора. Осталь­ные переменные упомянуты выше.

Таблица 9.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 9.3

Фазное напряжение питающей сети, В Коэффициент искажения синусоидальности

3459.639

0.007692

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

3459.536

-0.3555

Фазный ток питающей сети, А

78.998

Коэффициент искажения синусоидальности

0.07989

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

78.746

-13.013

Фазное напряжение вторичной обмотки тр-ра, В

637.307

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

634.373

-3.247

Фазный ток вторичной обмотки тр-ра, А

218.449

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

212.568

-12.9809

250

38.784

114.6782

350

26.549

86.4110

550

14.033

-161.5683

Напряжение 1 конденсатора, В

1457.182

Максимальное значение, В

1513.127

Минимальное значение, В

1389.451

Ток 1 конденсатора, А

114.978

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

150

78.504

-78.2887

2200

25.359

173.8512

2350

29.487

60.5660

2500

24.462

-72.3758

2650

26.345

135.6746

2800

25.946

15.2218

Входной ток положительного полюса инвертора, А

273.721

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

150

78.252

101.6634

2200

25.356

-6.1611

2350

29.430

-119.4263

2500

24.460

107.5940

2650

26.294

-44.3202

2800

25.946

-164.7859

Фазное напряжение нагрузки, В

1236.823

Коэффициент искажения синусоидальности

0.2451

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

1199.080

-3.3687

2400

133.228

98.6033

2600

139.712

84.3002

2900

72.608

-117.7257

Ток нагрузки, А

277.152

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

277.139

-40.1694

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