У багатьох промислових електроустановках, а також в електроприводах невеликої та середньої потужності, в яких не потрібно рекуперація енергії, широке застосування знаходять перетворювачі частоти з трифазними діодними випрямлячами і дворівневими інверторами напруги [77], [82]. Такі перетворювачі працюють з порівняно високим коефіцієнтом потужності, споживаної з мережі (0,96-0,99). При цьому 6-імпульсні діодні випрямлячі спотворюють напруги живильної мережі істотно менше, ніж 6-імпульсні випрямлячі на одноопераційних тиристорах.

Можлива схема з перетворювачем частоти з доданими випрямлячем і дворівневим транзисторним інвертором представлена ​​на рис. 7.1.

Рис. 7.1 Схема з перетворювачем частоти з доданими випрямлячем і дворівневим транзисторним інвертором

Відповідно до рис. 7.1 харчування перетворювача частоти здійснюється від трифазного джерела напруги, який містить фазні ЕРС esn (N = 1, 2, 3) і фазні індуктивності ls. Фази мають напруги usn, В фазах протікають струми isn. Оскільки при виконанні розрахунків заданим параметром є звичайно чинне напруга мережі Us, У схемі зображено також пропорційно-інтегральний регулятор чинного напруги. На вхід цього регулятора надходять сигнали по миттєвим значенням напруг мережі. На виході регулятора формується амплітуда фазних ЕРС джерела живлення.

У розглянутій схемі на вході випрямляча зображені також фазні дроселі з індуктивністю 1ДР і активним опором фаз гдр. На виході випрямляча зображений згладжує дросель з індуктивністю Id і активним опором rd.

Фазні дроселі призначені для обмеження струмів короткого замикання (при пробої діодів) і для зменшення спотворень напруги мережі живлення. При їх використанні згладжує дросель в багатьох випадках може бути виключений. До недоліків застосування фазних дроселів слід віднести те, що падіння напруги на них призводить до зниження випрямленої напруги і напруги навантаження.

Використання згладжує дроселя не призводить до істотного зниження вихідного напруги перетворювача частоти. У той же час згладжує дросель дозволяє обмежити пульсації випрямленої струму діодного випрямляча і практично виключити проникнення в мережу живлення високочастотних гармонійних складових струмів і напруг, зумовлених роботою інвертора в режимі ШІМ. З цих причин частіше використовуються схеми без фазних дроселів, але зі згладжуючими дроселями.

У схемі рис. 7.1 зображені фазні дроселі та згладжує дросель для універсальності математичної моделі та програми розрахунку електромагнітних процесів.

В діодному випрямлячі вентилі розглядаються як ідеальні ключові елементи. Напруження фаз діодного моста uvn, Випрямлений струм id, випрямлена напруга щ.

До ланцюга випрямленої напруги (після згладжує дроселя) підключений конденсатор, що має ємність з і активний опір гз. У конденсаторі протікає струм ic. Ємність має напругу uc, Напруга на конденсаторі також ігс. До ланцюга випрямленої напруги підключений також захисний резистор rz через транзистор kz. У резисторі протікає струм iz.

Транзисторний інвертор перетворить вхідний струм idl в фазні струми навантаження in (П = 1,2, 3), а напруга конденсатора ігс – В напруги навантаження un. В плечах транзисторного моста протікають струми im (N = 1, 2, 3, 4, 5, 6). Ключові елементи в плечах інверторного моста (транзистори і зворотні діоди) описуються функціями km (П = 1, 2, 3), які приймають значення 1, якщо плече відкрито, і значення 0, якщо плече закрито.

Навантаження перетворювача частоти активно-індуктивна. У ній враховуються індуктивності 1н і активні опори фаз гн.

При математичному описі схеми рис. 7.1 здійснюється заміна конденсатора залежним джерелом напруги у відповідності з виразами (1.1). Потім здійснюється перенесення цього джерела в інші гілки схеми: в гілку випрямленого струму транзисторного інвертора, в ланцюг захисного резистора і в гілку згладжує дроселя.

Крім того, трифазна обмотка джерела живлення і діодний випрямляч перетворюються в ланку випрямленого струму з залежними елементами ее., 1Е, Дое., Як описано в § 6 (рис. 6.2).

У результаті зазначених перетворень вихідної схеми вона розпадається на підсхеми, зображені на рис. 7.2.

Рис. 7.2 підсхеми системи з перетворювачем частоти з доданими випрямлячем і дворівневим транзисторним інвертором

Підсхеми рис. 7.2. пов’язані один з одним залежними джерелами напруги ее., Ігс, І струму id, ic, А також залежними елементами 1е. і дое..

Математичний опис підсхеми з доданими випрямлячем наведено в § 6. Математичний опис підсхеми з дворівневим автономним трифазним транзисторним інвертором напруги наведено в § 1.

Струм в подсхеме зі згладжуючим дроселем визначається з наступних виразів:

де kz= L, якщо ігс перевищило уставку захисту, і kz= 0, якщо ігс знаходиться в допустимих межах.

Ток конденсаторної батареї:

Ток в ланцюзі захисту від перенапруг:

Особливості системи управління АІН описані в § 1. Слід зазначити, що система управління містить регулятор чинного струму навантаження, який впливає на амплітуду напруги управління інвертора. Визначення діючого струму навантаження і робота регулятора описуються виразами (1.12) – (1.14).

При використанні зазначеного математичного опису розроблена програма розрахунку електромагнітних процесів в схемі перетворення частоти рис. 7.1 (програма 07, приведена на CD).

За цією програмою виконано розрахунок електромагнітних процесів у системі з перетворювачем частоти 1114-250-380 потужністю 250 кВт, розробленим в ФГУП ЦНІІСЕТ. Харчування перетворювача здійснюється від трансформатора потужністю 400 кВА, що має напругу вторинної обмотки 380 В, номінальну частоту 50 Гц і напруга короткого замикання 5,8%. При цьому індуктивності розсіювання фаз трансформатора дорівнюють 0,0666 мГн. Навантаження перетворювача має потужність 250 кВт при коефіцієнті потужності 0,8. Номінальна напруга навантаження 380 В, номінальна частота 50 Гц. При цьому активний опір навантаження 0,3697 Ом, ін-дуктівность 0,8825 мГн. Вхідний трифазний дросель відсутня, але замість нього враховуються індуктивності кабелів 1 мкГн. В одній з модифікацій перетворювача згладжує дросель має індуктивність 0,5 мГн і активний опір 0,01 Ом, ємність конденсаторної батареї 1000 мкФ. Частота ШІМ інвертора 1058 Гц. На рис. 7.3 представлений результат розрахунку, який виконаний для заданого номінального струму навантаження 475 А. Задана частота струму навантаження прийнята в розрахунку рівної 52 Гц, тобто трохи вище номінального значення, щоб проявити в результатах характерну особливість системи – наявність двох 6-імпульсних перетворювальних мостів з близькими частотами пульсацій.

Рис. 7.3 Напруги і струми в схемі з доданими випрямлячем і дворівневим інвертором

На рис. 7.3 зображені трифазна система напруг мережі usn, Ток однієї фази мережі isb випрямлений струм діодного моста id, напруга конденсатора ігс, Ток конденсатора ic, Напруга однієї фази навантаження іь трифазна система струмів навантаження in, Опорне напруга йоп, А також трифазна система напруг управління uyn.

Характерною особливістю даного процесу є значні пульсації випрямленої струму id і напруги конденсаторної батареї ігс. У зв’язку з порівняно невеликою різницею в частотах напруги мережі (50 Гц) і навантаження (52 Гц) у зазначених струмі й напрузі існують биття з частотою 6 (52-50) = 12 Гц.

На рис. 7.4 зображені струми і напруги в розглянутій схемі в тому ж режимі роботи, розраховані при індуктивності згладжує дроселя 1 мГн і ємності конденсаторної батареї 2000 мкФ. У таблиці 7.1 представлені результати аналізу струмів і напруг у розглянутому режимі роботи.

Рис. 7.4 Напруги і струми в схемі доданими випрямлячем і дворівневим інвертором при збільшених ємності конденсатора й індуктивності згладжує дроселя

Таблиця 7.1 Результати аналізу струмів і напруг рис. 7.4

Фазна напруга мережі живлення, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

218.591

0.07329

Частоти гармонік, Гц 50

Діючі значення 218.003

Фази, гр. -1.8489

Фазний струм випрямляча, А Коефіцієнт спотворення синусоидальности

390.966

0.2496

Частоти гармонік, Гц 50250350550

Діючі значення 378.590 77.220 43.891 26.143

Фази, гр. -10.8361 122.1021 113.6999 -117.5695

Випрямлений струм діодного моста, А Максимальне значення, А Мінімальне значення, А

485.963

557.385

419.044

Напруга конденсатора, В Максимальне значення, В Мінімальне значення, В

498.473

572.870

398.750

Струм в конденсаторі, А Максимальне значення, А Мінімальне значення, А

170.339

539.507

-270.276

Частоти гармонік, Гц 155 310 315 900 905 1215

Діючі значення 32.122 48.649 26.753 53.111 37.395 69.006

Фази, гр. 114.3861 -153.8034 17.8131 -79.7972 105.7664 -61.6655

Фазна напруга навантаження, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

235.258

0.3708

Частоти гармонік, Гц 51.99 259.99

847.58

852.78

951.58

956.78      1159.58

Діючі значення 218.482 24.997 16.512 15.925 19.047 16.996 24.762

Фази, гр. -42.5828 147.6309 -23.9055 165.1871 -104.2958 83.1600 93.0978

Фазний струм навантаження, А

466.825

Частоти гармонік, Гц 51.99

Діючі значення 466.054

Фази, гр. -80.5353

Слід зазначити, що значні пульсації випрямленої напруги, виявлені в розрахунках, відзначалися і при випробуваннях перетворювача 1114-250-380, при роботі його на асинхронний короткозамкнений двигун. Осцилограма струмів і напруг перетворювача в режимі роботи, близькому до номінального, представлена ​​на рис. 7.5.

Рис. 7.5 Осцилограма струмів і напруг ТПЧ-250-380 в номінальному режимі роботи

На осцилограмі наведені миттєві значення напруги тагс, Вхідного струму інвертора idi, лінійного вихідного напруги інвертора іл і фазного вихідного струму ii. Знята осцилограма в режимі роботи, близькому до номінального режиму перетворювача ТПЧ-250-380: вхідний чинне напруга 400 В, вхідний діючий струм 444 А, випрямлена напруга 520 В, випрямлений струм 550 А, чинне лінійна напруга на виході 392 В, діючий струм на виході 474 А, частота вихідного струму 50 Гц.

Коливання випрямленої напруги перетворювача частоти, зумовлені малою ємністю конденсатора і малою індуктивністю дроселя, призводять до виникнення коливань в напругах і струмах інвертора. У перетворювачі ТПЧ-250-380 для придушення коливань був використаний наступний алгоритм коригування керуючих впливів (аналогічні алгоритми використовуються і в деяких інших системах [14], [24]).

де Udf – відфільтроване напруга конденсатора в ланцюзі постійної напруги, ігс – Фактичне напруга конденсатора, Tud – Постійна часу фільтру напруги.

Коефіцієнт зміни напруги конденсатора:

Для виявлення коливань вхідного напруги інвертора здійснюється його цифрова фільтрація:

де Ку – Коефіцієнт впливу зворотного зв’язку по напрузі (настроюється параметр).

Задана фаза трифазної системи напруг управління інвертора:

(7.6)

де з3 – Задана частота напруг управління інвертора.

Експериментальна перевірка алгоритму придушення коливань виконана «Лабораторією перетворювальної техніки». Цей алгоритм використаний в ряді приводів та джерел електроенергії.

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