Трехфазный трехуровневый автономный инвертор напряжения

June 3, 2012 by admin Комментировать »

В трехфазных трехуровневых автономных инверторах напряжения [4], [10], [40], [43], [57], [68] в каждом плече моста используются два транзистора или тиристора, включенных последова­тельно. Напряжения между последовательно включенными полупроводниковыми приборами де­лятся приблизительно поровну с помощью последовательно соединенных конденсаторов в звене постоянного тока, а также при использовании дополнительных диодов, с помощью которых точка соединения друг с другом конденсаторов объединяется с точками соединения друг с другом полу­проводниковых приборов в каждом плече моста.

Расчетная схема преобразования с трехфазным трехуровневым инвертором напряжения, питающимся от источника постоянного напряжения, представлена на рис. 4.1.

В рассматриваемой схеме для формирования напряжений трехфазной нагрузки использу­ются три уровня напряжения – нулевой уровень, напряжение на одном конденсаторе и напряже­ние на двух последовательно соединенных конденсаторах. В связи с этим рассматриваемую схему называют трехуровневой.

Основные преимущества трехуровневых автономных инверторов напряжения по сравне­нию с двухуровневыми преобразователями:

–                    повышенное напряжение преобразователя на входе и выходе при использовании срав­нительно низковольтных элементов (транзисторных модулей, конденсаторов);

–                    повышенная единичная мощность преобразователя;

–                    меньшие искажения напряжения и тока нагрузки при работе в режиме синусоидальной

ШИМ;

–                    меньшие динамические потери энергии в вентилях преобразователя при работе в режи­ме синусоидальной ШИМ.

Указанные преимущества частично сохраняются и при работе инвертора в режиме пере- модуляции. При работе инвертора в режиме фазной коммутации выходные линейные напряжения трехуровневого инвертора имеют прямоугольную форму, как и в двухуровневом инверторе.

В связи с указанными преимуществами трехуровневые инверторы находят применение в тяговых приводах электропоездов, питающихся непосредственно от контактных сетей постоянно­го напряжения 3 кВ (2,2-4 кВ), в преобразователях собственных нужд электропоездов, в статиче­ских компенсаторах [11], [57], а также в других системах [15], [40], [43], [74], [77], [78], [87], [89].

При математическом описании системы с трехуровневым инвертором, в соответствии с рис. 4.1, в цепи выпрямленного тока учитываются напряжение источника питания uk. активное сопротивление rd и индуктивность Id сглаживающего дросселя, емкости С\ и с2, активные сопро­тивления гс и токи icb ic2 конденсаторных фильтров, активные сопротивления rz и токи iz]. iz2 цепей защиты от перенапряжений. Состояния транзисторов в цепях защиты от перенапряжений описы­вается функциями kzl и kz2 (kzl=0, если 1 транзистор в цепи защиты закрыт, kzl=l, если 1 транзи­стор в цепи защиты открыт, аналогично определяется kz2).

В инверторе транзисторы и обратные диоды рассматриваются как идеальные ключи, кото­рые описываются функциями kml, km2, km3, km4 (номер фазы n=l, 2, 3). Указанные функции равны 1, если соответствующий транзистор открыт, и ток протекает через этот транзистор или обратный диод, и равны 0, если соответствующий транзистор закрыт. Транзистор кщ одного плеча моста работает в противофазе с транзистором кпз противоположного плеча – если один транзистор от­крыт, то другой закрыт и наоборот. Транзистор kU2 работает в противофазе с транзистором klM – если один открыт, то другой закрыт. Аналогично работают транзисторы в других фазах моста:

Инвертор потребляет из цепей выпрямленного напряжения токи idll, iji: и idl3. На выходе инвертора формируются напряжения фаз нагрузки un. При этом в диодах, подключенных к общей точке конденсаторов, протекают токи ikni и ikn2, где п – номер фазы.

При расчете токов нагрузки in учитываются активные сопротивления фаз нагрузки гн и ин­дуктивности фаз 1н.

При моделировании схемы рис. 4.1 осуществляются следующие ее преобразования.

Рис. 4.2 Разделение схемы с трехфазным трехуровневым инвертором на подсхемы

где m = 1, 2.

Далее осуществляется перенос источника urci в ветви схемы, которые сходятся в положи­тельном полюсе входной цепи инвертора, а также перенос источника игс2 в ветви, которые сходят­ся в отрицательном полюсе. Затем эти источники переносятся в плечи транзисторного моста. В результате исходная схема распадается на подсхемы, изображенные на рис. 4.2.

При математическом моделировании рассматриваемой схемы на каждом шаге расчета At определяются напряжения на емкостях uci и ис2. Затем емкости и активные сопротивления конден­саторов заменяются зависимыми источниками напряжения urci и иГС2:

Все подсхемы рис. 4.2 имеют взаимные связи через источники напряжения urci, иГС2, зави­симые от токов, и через источники тока icb ic2, зависимые от напряжений. Подсхемы и их взаим­ные связи описываются следующими уравнениями.

Фазные ЭДС инвертора:

В ЭДС фаз инвертора, определенных выражениями (4.3), присутствуют составляющие ну­левой последовательности. Для упрощения последующего определения токов нагрузки из фазных ЭДС составляющие нулевой последовательности удаляются:

При использовании уравнений (4.4) дифференциальные уравнения для определения токов нагрузки представляются в следующем виде:

Токи в плечах трехуровневого инвертора:

Мгновенные значения токов itnm во всех транзисторах и токов idnm во всех обратных диодах определяются следующими условиями

где т=1, 2, 3, 4 и обозначает номер транзистора и обратного диода в фазе моста в соответствии с обозначениями схемы рис. 4.1.

Мгновенные значения токов i^ni и i|ai2 в диодах, подключенных к точке соединения друг с другом конденсаторов:

Выпрямленные токи инвертора в положительном и отрицательном полюсах цепи выпрям­ленного напряжения:

Ток источника питания определяется путем интегрирования дифференциального уравне­ния:

Токи в цепях защиты от перенапряжений:

где kzi=l, если urci превысило уставку защиты, и kzi=0, если urci находится в допустимых границах, kz2=l, если 1дгс2 превысило уставку защиты, и kz2=0, если игс2 находится в допустимых границах.

На рис. 4.3 изображены также функции состояния транзисторов одной фазы инвертора. При идеальных ключевых элементах они эквивалентны импульсам управления транзисторов. Как видно из рисунка, транзисторы одного плеча моста работают в режиме широтно-импульсной мо­дуляции поочередно. Именно это обстоятельство приводит к уменьшению относительных дина­мических потерь и к улучшению формы выходного напряжения (пульсации выходного напряже­ния имеют меньшую амплитуду по отношению к величине входного напряжения).

где fon – частота опорных напряжений в Гц, топ – промежуточная переменная, At – шаг расчета в с.

Регулирование заданного действующего тока нагрузки и определение напряжений управ­ления трехуровневого АИН осуществляется в соответствии с выражениями (1.12) – (1.15).

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

Система управления трехуровневого АИН может быть построена при использовании двух пилообразных (опорных) напряжений uoni и и2, как изображено на рис. 4.3.

Рис. 4.3 Опорные напряжения, напряжение управления и функции состояния ключей фазы трехуровневого АИН

Математическое описание пилообразных напряжений осуществляется следующими фор­мулами:

где п – номер фазы, К1ШП – функции состояния ключевых элементов в плечах моста (п=1, 2, 3, т=1, 2, 3, 4).

При Ктт=1 транзистор открыт. При этом, если ток в транзисторном модуле положитель­ный, то он протекает через открытый транзистор; если этот ток отрицательный, то он протекает через обратный диод, который шунтирует открытый транзистор. При К1ШП=0 транзистор и обрат­ный диод закрыты, и ток нагрузки протекает через другие элементы моста.

По представленному математическому описанию схемы преобразования рис. 4.1 разрабо­тана программа расчета на ЭВМ электромагнитных процессов в системе с трехфазным трехуров­невым АИН (программа 04, приведена на CD). В качестве примера ниже представлены некоторые результаты расчетов по указанной программе.

При выполнении расчетов приняты следующие параметры системы: продолжительность рассчитываемого интервала времени 2с, начало записи результатов расчета в файл 1.975с, шаг расчета At=l мкс, шаг записи результатов расчета в файл 5 мкс, Uk=1000 В, ld=0.5 мГн, rj=0.01 Ом, Ci =С2=2000 мкФ, гс=0.01 Ом, 1н=1 мГн, гн=1 Ом, сон=3 14.15 рад./с (50 Гц), ^п=2000Гц, IZ=250A, К;=0.05, Ко=0.005. Исходные данные по параметрам источника питания и нагрузки приняты таки­ми же, как в расчете на рис. 1.7 и в табл. 1.1.

Результат расчета представлен на рис. 4.4 в виде диаграммы мгновенных значений токов и напряжений преобразователя в установившемся режиме работы при синусоидальной ШИМ. Уста­новившийся режим получен как результат затухания переходного процесса после включения пре­образователя.

Рис. 4.4 Напряжения и токи трехфазного трехуровневого АИН при работе в режиме синусоидальной ШИМ

В таблице 4.1 представлены результаты анализа токов и напряжений в рассматриваемом режиме работы трехуровневого инвертора.

Таблица 4.1 Результаты анализа токов и напряжений рис. 4.4

Напряжение 1 конденсатора, В

504.040

Максимальное значение

528.838

Минимальное значение

478.559

Напряжение 2 конденсатора, В

494.106

Максимальное значение

518.172

Минимальное значение

468.714

Ток 1 конденсатора, А

155.577

Частоты гармоник,Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

150

51.368

-35.8389

2000

120.977

-90.6948

3850

30.242

29.3236

4000

31.049

80.6915

4150

33.526

152.0323

Ток 2 конденсатора, А

155.036

Частоты гармоник,Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

150

47.950

140.4455

2000

122.499

87.7253

3850

34.372

-155.4143

4000

30.895

87.4891

4150

28.947

-31.1124

Выпрямленный ток положительного полюса, А

188.000

Выпрямленный ток отрицательного полюса, А

186.692

Напряжение линейное инвертора, В

492.119

Частоты гармоник,Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

450.997

25.9701

1800

47.184

-99.0990

2200

54.015

-83.2478

3950

58.111

-31.1867

4050

47.221

-152.8276

4250

41.030

-58.2313

5800

54.543

72.2495

6200

48.232

99.9623

Напряжение 1 фазы инвертора, В

283.823

Частоты гармоник,Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

260.251

-4.1583

1800

27.085

-69.1801

2200

31.660

-113.8753

3950

33.233

-0.8241

4050

27.032

176.1953

4250

23.757

-29.1199

5800

31.016

102.9967

6200

28.269

68.4244

Ток 1 фазы нагрузки, А

249.604

Частоты гармоник,Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

249.551

-21.4289

При сравнении результатов расчетов в табл. 4.1 и 1.1 видно, что гармонический состав на­пряжения нагрузки в схеме с трехуровневым АИН значительно лучше.

Следует отметить, что в рассматриваемой схеме важным является вопрос равномерности распределения напряжения между последовательно соединенными конденсаторами. При выпол­нении длительных расчетов по разработанной программе существенное увеличение напряжения какого-либо конденсатора при соответствующем уменьшении напряжения другого конденсатора не наблюдалось. Те сравнительно небольшие различия в напряжениях конденсаторов, которые указаны в табл. 4.1, следует рассматривать как погрешность расчетов.

В действующих установках с трехуровневыми инверторами равномерность распределения напряжений между последовательно включенными конденсаторами обычно обеспечивается мало­мощными резисторами, которые включаются параллельно конденсаторам.

В трехуровневых АИН максимальное напряжение на стороне переменного тока ограниче­но следующими величинами.

В режиме синусоидальной ТТТИМ напряжение нагрузки ограничивается величиной:

(4.15)

где Urci и игс2 – средние значения напряжений на конденсаторах.

Напряжение нагрузки в режиме фазной коммутации:

(4.16)

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