У багаторівневих перетворювачах частоти і в перетворювачах з послідовним з’єднанням однофазних інверторів в фазах навантаження діодні випрямлячі можуть бути замінені транзисторними. Одна з можливих схем представлена ​​на рис. 16.1 [91].

Рис. 16.1 Схема перетворення частоти з активним випрямлячем і трьома інверторами в кожній фазі навантаження

Транзисторні випрямлячі в розглянутому випадку мають розширеними можливостями управління, тобто є активними. Це дозволяє забезпечити наступні переваги перетворювача частоти по порівняно з розглянутими вище схемами з діодними випрямлячами:

можливість рекуперації енергії в живильну мережу;

практично синусоїдальні фазні струми мережі;

можливість роботи перетворювача з заданим коефіцієнтом потужності плекаю-щей мережі.

У схемі рис. 16.1 перетворювач частоти містить багатообмоточні трансформатор і випрямно-інверторний перетворювач.

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

Трансформатор має одну первинну обмотку і 9 однофазних вторинних обмоток. У первинній обмотці протікають струми, рівні струмів мережі isn (П = 1, 2, 3), у вторинних обмотках протікають струми in (П = 1, 2, … 9). Трансформатор може бути виконаний відповідно до векторної діаграмою рис. 16.2, на якій зображені вектори ЕРС первинної і вторинних обмоток.

Рис. 16.2 Векторна діаграма фазних ЕРС трансформатора

Відповідно до діаграмою рис. 16.2 при трехстержневом виконанні трансформатора витки кожної фази розміщуються тільки на одному стрижні, тобто трансформатор має порівняно просту конструкцію.

Випрямно-інверторний перетворювач має 9 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 3 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 3 кВ (або інший рівень напруги, що визначається використовуваними елементами). Ви-прямітелі мають випрямлені струми idm (M = 1, 2, .. 9). У колах випрямленої напруги враховуються параметри конденсаторів, зокрема ємності з |-с9. а також активні опори rci-rc9 (У схемі не показані). Конденсатори мають напруги urci-urc9, в них протікають струми ici-iC9 – Однофазні інвертори мають вхідні струми idn-ida-В випрямлячах стану ключів описуються функціями kvn, В інверторах стану ключів описуються функціями km, Причому для опису всіх вентилів одного однофазного моста (випрямляча або інвертора) використовуються дві зазначених функції (ці функції позначені у схемі рис. 16.1). Функції рівні 1, якщо відкрито праве плече моста, і рівні 0, якщо праве плече закрито.

У колах випрямленої напруги трехфазно-однофазних перетворювачів враховуються також ланцюги захисту від перенапруг (у схемі не показані), що містять резистори rz і транзистори, стан яких описується функціями kzm (0 або 1). У захисних транзисторах протікають ТОКИ izm.

У схемі рис. 16.1 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 три опорних напруги і0ПУь uonv2, івід, З, взаємно зсунуті по фазі на 120 ел. град, на частоті опорних напруг. При цьому для управління транзисторами, підключеними до початків фаз 1, 2 і 3 випрямлячів, використовуються три напруги управління uyvb Uyv3 і uyv5, Приблизно збігаються по фазі. Для управління транзисторами, підключеними до кінців фаз 1, 2 і 3 випрямлячів, використовуються також три напруги керування uyv2, uvv4 і uyv6, Приблизно збігаються по фазі, але зрушені по фазі щодо перших трьох напруг управління на 180 ел. град, на частоті напруги мережі. У випрямлячах, що використовуються для живлення інших фаз навантаження, «гладкі» складові напружень управління зрушені по фазі відповідно на 120 і на 240 ел. град, на частоті напруг мережі (миттєві складові напружень управління формуються регуляторами струмів однофазних випрямлячів, 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, 2 і 3 випрямлячів можна пояснити за допомогою рис. 16.3.

Рис. 16.3 Формування імпульсів управління транзисторів 1, 2 і 3 випрямлячів

Для формування імпульсів управління випрямлячів в інших фазах навантаження використовуються ті ж опорні напруги іОПУь uonV2 і uonv3, а також напруги управління інших фаз навантаження Uyv7 “Uyvl8-

У схемі рис. 16.1 транзисторні інвертори також працюють в режимі ШІМ. При послідовному з’єднанні трьох однофазних інверторів в кожній фазі навантаження для управління використовуються три пилкоподібних опорних напруги іопь іОП2, іопз-В результаті порівняння зазначених опорних напруг з напругами управління uyii-uyi6 формуються імпульси управління транзисторами km, Як описано в розділі § 14 (рис. 14.4).

У схемі рис. 16.1 навантаження представлена ​​індуктивностями 1н і активними опорами фаз гн. Фази навантаження мають напруги інп і струми iHn.

Система містить пропорційно-інтегральний регулятор струму навантаження, який у схемі не показаний. В цей регулятор надходять сигнали по миттєвим значенням струмів фаз навантаження. На виході регулятора формується амплітуда напружень управління інверторів.

В системі в кожному випрямлячі є також регулятор випрямленої напруги, який формує амплітуду заданого фазного струму випрямляча, є фільтри фазних напруг і струмів випрямлячів і регулятори фазних струмів, на виході яких формуються миттєві значення напруг управління випрямлячів. Аналог цієї системи управління описаний в § 3.

Система також має пропорційно-інтегральний регулятор чинного напруги мережі, на вхід якого надходять миттєві значення фазних напруг. На виході формується амплітуда фазних ЕРС.

Математичний опис схеми рис. 16.1 здійснюється при поділі її на взаємопов’язані підсхеми. З цією метою силова частина вихідної схеми поділяється на підсхеми по потоку взаємної індукції між обмотками трансформатора. При цьому первинна обмотка представляється у вторинних обмотках залежними джерелами напруги, а вторинні обмотки представляються в первинній обмотці залежними джерелами струму.

Інше перетворення вихідної схеми грунтується на заміні конденсаторів залежними джерелами напруги (14.2). Залежні джерела напруги urcm переносяться в ланцюзі випрямлених струмів діодних мостів, в ланцюзі вхідних струмів транзисторних інверторів і в ланцюзі захисту від перенапруг.

У результаті зазначених перетворень схеми рис. 16.1 виділяються підсхеми, зображені на рис. 16.4-16.7.

Рис. 16.4 підсхеми трансформатора і випрямлячів

Рис. 16.8 Напруги і струми в схемі рис. 16.1

Таблиця 16.1 Результати аналізу струмів і напруг в схемі рис. 16.1

Фазна напруга мережі, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

3464.839

0.002286

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

3464.830

-0.02069

Фазний струм мережі, А

96.472

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.07702

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

96.185

2.7262

100

5.316

-18.5476

Напруга 1 вторинної обмотки трансф-ра, В

525.767

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

412.985

-5.4846

Ток 1 вторинної обмотки трансформатора, А

277.122

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

273.845

5.2045

Випрямлений струм 1 випрямляча, А

149.139

Випрямлений струм 2 випрямляча, А

149.022

Випрямлений струм 3 випрямляча, А

148.500

Діючий струм у плечі 1 випрямляча, А

169.897

Середній струм, А

75.105

Максимальний струм, А

343.396

Мінімальний струм, А

-342.159

Ток 1 конденсатора, А

243.023

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

100

193.126

-47.3778

3000

88.915

-81.0505

Напруга 1 конденсатора, В

726.637

Фазна напруга навантаження, В

1740.571

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

1728.899

-32.9078

Фазний струм навантаження, А

240.247

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.01246

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.