Перетворювач частоти з активними випрямлячами і послідовним включенням шести інверторів в кожній фазі навантаження

У перетворювачах з послідовним з’єднанням шести однофазних транзисторних інверторів в кожній фазі навантаження випрямлячі також можуть бути виконані на транзисторах [91], тобто активними. Схема зазначеного перетворювача частоти представлена ​​на рис. 17.1.

Рис. 17.1 Схема перетворення частоти з активними випрямлячами і шістьма інверторами в кожній фазі навантаження

У схемі рис. 17.1 перетворювач частоти містить багатообмоточні трансформатор і випрямно-інверторний перетворювач.

Перетворювач частоти отримує живлення від джерела напруги, який містить трифазну систему ЕРС e_sn (П – номер фази) та індуктивності l_s. Джерело має фазні напруги u_sn і струми i_sn. Він забезпечений регулятором чинного напруги. На вхід регулятора надходять сигнали по миттєвим значенням напруг фаз, на виході регулятора формується амплітуда фазних ЕРС мережі E_sm.

Трансформатор має одну первинну обмотку і 18 однофазних вторинних обмоток. У первинній обмотці протікають струми, рівні струмів мережі i_sn (П = 1, 2, 3), у вторинних обмотках протікають струми i_n (П = 1, 2, … 18). Трансформатор може бути виконаний відповідно до векторної діаграмою рис. 17.2, на якій зображені вектора ЕРС первинної і вторинних обмоток.

Рис. 17.2 Векторна діаграма фазних ЕРС трансформатора

Відповідно до діаграмою рис. 17.2 при трехстержневом виконанні трансформатора витки кожної фази розміщуються тільки на одному стрижні, тобто трансформатор має порівняно просту конструкцію.

Випрямно-інверторний перетворювач має 18 низьковольтних осередків перетворення частоти з однофазними транзисторними випрямлячами, конденсаторними фільтрами і однофазними транзисторними інверторами. Кожен однофазний випрямляч підключений до індивідуальної вторинної обмотці трансформатора. Однофазні інвертори включені по 6 послідовно і з’єднані в зірку. При цьому вони утворюють високовольтний трифазний джерело живлення двигуна або іншого навантаження, в якому може бути сформовано напруга, наприклад 6 кВ (або інший рівень напруги, що визначається використовуваними елементами). Ви-прямітелі мають випрямлені струми id_m (M = 1, 2, .. 18). У колах випрямленої напруги враховуються параметри конденсаторів, зокрема ємності Ci-Cis, а також активні опори г_с1-Г_з18 (У схемі не показані). Конденсатори мають напруги u_rci-u_rci₈, В них протікають струми ici^_ici8-Однофазні інвертори мають вхідні струми idii-idiis-В випрямлячах стану ключів описуються функціями k_vn, В інверторах стану ключів описуються функціями k_m, Причому для опису всіх вентилів одного однофазного моста (випрямляча або інвертора) використовуються дві зазначених функції (ці функції позначені у схемі рис. 17.1). Функції рівні 1, якщо відкрито праве плече моста, і рівні 0, якщо праве плече закрито.

У колах випрямленої напруги однофазної-однофазних перетворювачів частоти враховуються також ланцюги захисту від перенапруг, що містять резистори r_z і транзистори, стан яких описується функціями k_zm (0 або 1). У захисних транзисторах протікають

ТОКИ ian.

У схемі рис. 17.1 транзисторні випрямлячі та інвертори працюють в режимі шіротноімпульсной модуляції. Частоти опорних напруг випрямлячів і інверторів можуть бути однаковими або різними.

Для управління транзисторами випрямлячів в кожній фазі навантаження використовуються шість опорних напруг u_onvi – u_onV6, взаємно зсунуті по фазі на 60 ел. град, на частоті опорних напруг. При цьому для управління транзисторами, підключеними до початків фаз 1-6 випрямлячів використовуються шість напруги управління Uyvi, u_yv3, u_yv5, u_VV7, u_yv< , І та_{ууц, приблизно збігаються по фазі. Для управління транзисторами, підключеними до кінців фаз 1-6 випрямлячів, використовуються також шість напруги управління і “.2. uyv4, uyv6, uvvs. uvvi„. uyvi:, приблизно збігаються по фазі, але зрушені по фазі щодо перших шести напруг управління на 180 ел. град, на частоті напруги мережі. У випрямлячах, що використовуються для живлення інших фаз навантаження, використовуються ті ж опорні напруги. При цьому «гладкі» складові напружень управління зрушені по фазі щодо напруг управління першої фази навантаження, відповідно на 120 і на 240 ел. град, на частоті напруг мережі (миттєві значення напруг управління в кожному випрямлячі формуються регулятором струму, і для них зазначені зрушення фаз є лише приблизними). Імпульси управління транзисторами випрямлячів формуються в процесі порівняння опорних напруг з напругами управління. Алгоритм формування імпульсів управління транзисторів 1-6 випрямлячів можна пояснити за допомогою рис. 17.3.}

Рис. 17.3 Формування імпульсів управління транзисторів 1-6 випрямлячів

Формування імпульсів управління транзисторних однофазних інверторів розглянуто в § 15.

Моделювання схеми рис. 17.1 здійснюється при поділі її на підсхеми, взаємно пов’язані залежними джерелами напруги та струму. При цьому використовується поділ трансформатора на підсхеми з первинними і вторинними обмотками. Вторинні обмотки і приєднані до них елементи представляються в первинній обмотці залежними джерелами струму, а первинна обмотка з мережею живлення представляється у вторинних обмотках залежними джерелами ЕРС. Перетворення струмів і напруг фаз трансформатора здійснюється з урахуванням векторної діаграми, зображеної на рис. 17.2.

Інше перетворення схеми полягає в заміні конденсаторів залежними джерелами напруги і в перенесенні цих джерел в інші гілки схеми, як описано в попередніх розділах.

Математичний опис силової частини розглянутої схеми найближче опису схеми рис. 16.1. Аналогічно описується також система управління перетворювача часто-

Відповідно до зазначеного описом схеми з перетворювачем частоти з активними випрямлячами і послідовним з’єднанням шести однофазних транзисторних інверторів в кожній фазі навантаження (рис. 17.1) розроблена програма розрахунку електромагнітних процесів (програма 17, представлена ​​на CD).

Як приклад по зазначеній програмі виконаний розрахунок електромагнітних процесів в розглянутій схемі при наступних даних. Тривалість розраховується інтервалу часу 2,14 с, початок виведення інформації в файл 2 с, крок інтегрування 1 мкс, крок запису інформації в файл 20 мкс, напруга мережі 6 кВ, частота напруги мережі 50 Гц, індуктивність мережі 1 мГн, потужність трансформатора 2000 кВА, напругу короткого замикання трансформатора 10%, коефіцієнт трансформації 8,5, ємність кожної з 18 конденсаторних батарей 10000 мкФ, індуктивність навантаження 27,46 мГн, активний опір навантаження 11,518 Ом, частота напруги навантаження 50 Гц. Заданий діючий струм навантаження 240,5 А, коефіцієнт у зворотному зв’язку по інтегралу відхилення струму навантаження 0,05, коефіцієнт у зворотному зв’язку по відхиленню струму навантаження 0,005. При цьому активна потужність навантаження 2000 кВт, коефіцієнт потужності 0,8, лінійне чинне напруга 6 кВ. Транзисторні випрямлячі працюють з частотою опорних напруг 1500 Гц. Транзисторні інвертори працюють з частотою опорних напруг 2000 Гц. При виконанні розрахунків прийнято, що тривалість циклу управління випрямлячів 200 мкс, а тривалість циклу управління інверторів дорівнює періоду опорних напря жений, тобто становить 500 мкс. Результати розрахунку представлені на рис. 17.4 у вигляді діаграм ми миттєвих значень струмів і напруг, а також у таблиці 17.1.

Рис. 17.4 Напруги і струми в схемі рис. 17.1

Таблиця 17.1 Результати аналізу струмів і напруг в схемі рис. 17.1

Слід зазначити, що в даній схемі в перехідних режимах можлива рекуперація енергії в живильну мережу. Для реалізації тривалого режиму передачі електроенергії в мережу в фазах навантаження повинні бути враховані джерела ЕРС або навантаження має бути представлена, наприклад, електричної машиною.

§ 18 Перетворювач частоти з паралельним включенням транзисторів

Паралельне включення транзисторів або тиристорів в активних випрямлячах, в інвертора, в перетворювачах частоти дозволяє не лише збільшити потужність перетворювальних пристроїв, але і значно поліпшити якість електроенергії на вході і виході за рахунок організації багатотактного режимів роботи [17]. Паралельне включення приладів здійснюється зазвичай при використанні зрівняльних дроселів. При цьому в перетворювачах, що працюють з широтно-імпульсною модуляцією або з широтно-імпульсним перетворенням напруги, забезпечується взаємне зміщення моментів комутації паралельно включених напівпровідникових приладів. За рахунок цього зменшується амплітуда пульсацій напруги і струмів перетворювачів, підвищується частота пульсацій і полегшується фільтрація вхідних і вихідних напруг і струмів.

Схема дворівневого перетворювача частоти з паралельним включенням двох транзисторів в кожному плечі випрямляча і інвертора представлена ​​на рис. 18.1.

Рис. 18.1 Схема перетворення частоти з паралельним включенням транзисторів в кожному плечі випрямляча і інвертора

Відповідно до рис. 18.1 харчування перетворювача частоти здійснюється від трифазного джерела напруги, який містить фазні ЕРС e_sn (N = 1, 2, 3) і індуктивності l_s. Фази мають напруги u_sn і струми i_sn. У схемі зображено також пропорційно-інтегральний регулятор чинного напруги U_s. На вхід цього регулятора надходять сигнали по миттєвим значенням напруг мережі. На виході регулятора формується амплітуда фазних ЕРС джерела живлення.

Навантаження перетворювача частоти представлена ​​індуктивностями 1_н і активними опорами фаз г_н. Фази навантаження мають напруги і_нп і струми i_Hn (П = 1, 2, 3).

Перетворювач частоти містить транзисторний випрямляч і транзисторний інвертор з паралельним включенням двох транзисторів в кожному плечі моста.

У ланцюзі випрямленої напруги перетворювача частоти встановлений конденсаторний фільтр, який має ємність з і активний опір г_з. В конденсаторному фільтрі протікає струм i_c. Напруга конденсаторного фільтра і_з. Конденсаторний фільтр забезпечує комутацію транзисторів і у випрямлячі і в инвертор.

У ланцюзі випрямленої напруги є також ланцюг захисту від перенапруг, що містить резистор r_z і транзистор, стан якого описується функцією k_z (0 або 1). У захисному транзисторі протікає струм i_z.

В транзисторному випрямлячі стану транзисторів і зворотних діодів в кожному плечі моста описуються однією функцією K_vnm. приймаючої значення 1, якщо відкрито верхнє плече моста, і значення 0, якщо відкрито нижнє плече (де номер фази п = 1, 2, 3, номер паралельно включеного транзистора т = 1, 2). Токи в плечах випрямляча i_vnm.

Випрямляч підключений до мережі живлення через фазні дроселі. Кожен дросель має дві полуобмоткі, розміщені на одному сердечнику. В полуобмоткі враховуються активні опору r_sb індуктивності розсіювання l_si і взаємні індуктивності l_mi. В полуобмоткі протікають струми i_snm. Полуобмоткі з’єднані з перетворювачем так, що при однакових струмах по-луобмоток в дроселях існують тільки магнітні потоки розсіювання, а потоки взаємної індукції рівні 0.

В транзисторному инвертор стану транзисторів і зворотних діодів в кожному плечі моста описуються функцією K_mm, Що приймає значення 1, якщо відкрито верхнє плече моста, і значення 0, якщо відкрито нижнє плече (де номер фази п = 1, 2, 3, номер паралельно включеного транзистора ш = 1, 2). Токи в плечах інвертора i_mm.

Інвертор підключений до навантаження через фазні дроселі. Кожен дросель має дві полуобмоткі, розміщені на одному сердечнику. В полуобмоткі враховуються активні опору r_s2, Індуктивності розсіювання l_s2 і взаємні індуктивності 1_т2. В полуобмоткі протікають струми i_mm. Полуобмоткі з’єднані з перетворювачем так, що при однакових струмах полуобмо-ток в дроселях існують тільки магнітні потоки розсіювання, а потоки взаємної індукції рівні 0.

Перетворювач частоти оснащений системою управління. У системі управління активний випрямляч забезпечує стабілізацію випрямленої напруги на заданому рівні, підтримка синусоїдальної форми струму мережі, підтримання заданого коефіцієнта потужності мережі. Інвертор забезпечує підтримку на заданому рівні діючого струму навантаження.

При моделюванні схеми рис. 18.1 вона поділяється на взаємопов’язані підсхеми. При цьому конденсатор замінюється залежним джерелом напруги і_гс (1.1), який переноситься в усі гілки схеми, з’єднані один з одним в позитивному полюсі ланцюга випрямленої напруги. Утворені при цьому підсхеми представлені на рис. 18.2-18.5,

Рис. 18.2 Подсхема джерела живлення і випрямляча

Всі підсхеми взаємопов’язані через залежні джерела напруги та_гс і струму i_c.

Рис. 18.10 Напруги і струми в схемі рис. 18.1 при паралельному включенні двох транзисторів у плечах випрямляча і інвертора

Таблиця 18.1 Результати аналізу струмів і напруг в схемі рис. 18.1 при двох паралельно включених транзисторах в плечах випрямляча і інвертора

Слід зазначити, що в даній схемі в перехідних режимах можлива рекуперація енергії в живильну мережу. Для реалізації тривалого режиму передачі електроенергії в мережу в фазах навантаження повинні бути враховані джерела ЕРС або навантаження має бути представлена, наприклад, електричної машиною.

Пронін М.В., Воронцов А.Г., Силові повністю керовані напівпровідникові перетворювачі (моделювання і розрахунок) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Електросила», 2003. – 172 с.