Використання в перетворювачі частоти трирівневого інвертора дозволяє підвищити напругу системи. Якщо не потрібно рекуперація електроенергії в мережу живлення, то доцільно застосування 12-імпульсні діодного випрямляча з послідовним з’єднанням трифазних мостів. Якщо середня точка з’єднання один з одним діодних мостів не з’єднується з точкою з’єднання один з одним конденсаторів інвертора, то випрямлена напруга діодного випрямляча має порівняно невеликі пульсації, і застосування дроселя, згладжує випрямлений струм, не потрібно. При цьому для підключення 12-імпульсні випрямляча до живильної мережі необхідно використовувати триобмотковий трансформатор. Схема перетворення частоти з 12-імпульсні доданими випрямлячем і трирівневим інвертором зображена на рис. 9.1.

Рис. 9.1 Схема перетворювача частоти з 12-імпульсні доданими випрямлячем і трирівневим транзисторним інвертором

У схемі рис. 9.1 живить мережа представлена ​​трифазним джерелом напруги, який містить фазні ЕРС esn (N = 1, 2, 3) і фазні індуктивності ls. Трифазний джерело має фазні напруги usn і фазні струми isn. У схемі зображено також пропорциональноинтегральный регулятор чинного напруги мережі. На вхід цього регулятора надходять сигнали по миттєвим значенням напруг мережі. На виході регулятора формується амплітуда фазних ЕРС мережі Esm.

До мережі живлення підключений трансформатор, що має дві вторинні обмотки. Одна з цих обмоток з’єднана в зірку, інша – в трикутник. Напруження однієї вторинної обмотки зсунуті по фазі щодо напруг іншої обмотки на 30 ел. град. Первинна обмотка трансформатора має індуктивності розсіювання ltb вторинні обмотки мають індуктивності розсіювання lt2. Коефіцієнт трансформації трансформатора дорівнює Ктр. Первинна обмотка має фазні ЕРС etn, Вторинні обмотки мають фазні ЕРС ein і е2п і фазні струми iln і i2n (n = 1, 2, 3).

Токи і напруги живильної мережі перетворюються доданими випрямлячем в випрямлений струм id і в випрямлена напруга щ.

До ланцюга випрямленої напруги підключені послідовно з’єднані конденсатори, що мають ємності С \ і з2 і активні опори гз. В конденсаторах протікають струми ici і ic2. Ємності мають напруги uci і іс2, Напруги на конденсаторах рівні urci і іГС2.

До ланцюга випрямленої напруги підключені також захисні резистори rz через транзистори kzl і kz2. У колах захисту протікають струми izl і iz2.

Транзисторний інвертор перетворює випрямлені струми idib idl2, Id, 3 в фазні струми навантаження in (П = 1,2, 3), а напруги конденсаторів urci і іГС2 – В напруги фаз навантаження un. В плечах транзисторного моста протікають струми imm (Номер фази n = 1, 2, 3; m = 1, 2, 3, 4). Токи в діодах інвертора, підключених до середньої точки конденсаторів, ikni і ikn2 (n = 1, 2, 3).

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

У схемі рис. 9.1 зображена також система управління інвертора. На вхід системи управління надходять сигнали по струмам в фазах навантаження in і по напруженням конденсаторів urci і іГС2. На виході регулятора формуються імпульси управління транзисторами. Система управління забезпечує підтримку заданого чинного струму навантаження, а також обмеження напруг конденсаторів.

Математичний опис силової частини схеми здійснюється при поділі її на взаємопов’язані підсхеми. Для виконання цієї процедури здійснюється заміна конденсаторів залежними джерелами напруги urci і іГС2:

де m = 1, 2.

Потім залежні джерела напруги переносяться в інші гілки схеми. При цьому ви-цом іГС1 переноситься в ті галузі, які з’єднуються один з одним в позитивному полюсі ланцюга випрямленої напруги, а джерело іГС2 переноситься в ті галузі, які з’єднуються в негативному полюсі.

Похідні струмів і струми в первинній обмотці трансформатора визначаються після визначення аналогічних параметрів у вторинних обмотках:

ЕРС фаз вторинної обмотки трансформатора, сполученої в трикутник, при перетворенні її в зірку:

ЕРС фаз вторинної обмотки, з’єднаної в зірку:

Подальший поділ системи на взаємопов’язані частини здійснюється по магнітному потоку взаємної індукції між обмотками трансформатора. При цьому ЕРС фаз первинної обмотки трансформатора визначаються наступними виразами:

При подальшому поділі схеми на підсхеми вторинні обмотки трансформатора і діодні мости перетворюються в ланки випрямленого струму з еквівалентними параметрами e3i, С-р. 1еЬ 1Е2, ДоеЬ доЕ2 (Це перетворення описано в § 6).

В результаті виконання зазначених перетворень вихідна схема розпадається на підсхеми рис. 9.2.

Рис. 9.2 Поділ схеми з 12-імпульсні доданими випрямлячем і трирівневим транзисторним інвертором на підсхеми

Всі підсхеми, зображені на рис. 9.2, взаємопов’язані через залежні елементи. Подсхема з еквівалентними параметрами випрямлячів і вторинних обмоток трансформатора описується наступним чином:

Підсхеми із захисними резисторами описуються виразами:

У виразах (9.7) функції kzi і kz2 рівні 1, якщо напруги на відповідних конденсаторах перевищують допустиме значення, і рівні 0, якщо зазначеного перевищення немає.

Токи в конденсаторах:

Математичний опис діодних випрямлячів представлено в § 6. Трирівневий інвертор напруги описаний в § 4. Система управління інвертора описана в § 1. У даній системі міститься також регулятор чинного напруги мережі живлення, який описаний в § 3 (вирази (3.15) і (3.16)).

Програма розрахунку електромагнітних процесів в схемі рис. 9.1. розроблена на основі наведеного математичного опису (програма 09, представлена ​​на CD).

Як приклад виконано розрахунок за вказаною програмою сталого режиму роботи при наступних вихідних даних. Напруга мережі живлення 6 кВ, частота напруги мережі 50 Гц, індуктивність фаз 1 мГн. Навантаження перетворювача частоти має активну потужність 800 кВт, повну потужність 1000 кВА, номінальну частоту 50 Гц, номінальна напруга 2080 В. При цьому в навантаженні активний опір фази 3,46 Ом, індуктивність фази 8,26 мГн. Трансформатор має потужність 1000 кВА, напругу первинної обмотки 6 кВ, коеф

фициент трансформації 5,4. Напруга короткого замикання трансформатора 6,2%. Ємність кожної конденсаторної батареї перетворювача частоти 2000 мкФ. Частота опорних напруг інвертора 2500 Гц. Заданий діючий струм навантаження 277,6 А.

На рис. 9.3 представлений результат розрахунку усталеного процесу у вигляді діаграми миттєвих значень струмів і напруг в розглянутій схемі. У таблиці 9.1 представлений результат аналізу струмів і напруг.

Рис. 9.3 Напруги і струми в схемі з 12-імпульсні доданими випрямлячем і трирівневим

транзисторним інвертором

На рис. 9.3 Utn, ut2i, ut3i – напруги фаз 1 вторинної обмотки трансформатора. Решта змінні згадані вище.

Таблиця 9.1 Результати аналізу струмів і напруг рис. 9.3

Фазна напруга мережі живлення, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

3459.639

0.007692

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

3459.536

-0.3555

Фазний струм живильної мережі, А

78.998

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.07989

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

78.746

-13.013

Фазна напруга вторинної обмотки тр-ра, В

637.307

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

634.373

-3.247

Фазний струм вторинної обмотки тр-ра, А

218.449

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

212.568

-12.9809

250

38.784

114.6782

350

26.549

86.4110

550

14.033

-161.5683

Напруга 1 конденсатора, В

1457.182

Максимальне значення, В

1513.127

Мінімальне значення, В

1389.451

Ток 1 конденсатора, А

114.978

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, 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

Вхідний струм позитивного полюса інвертора, А

273.721

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, 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

Фазна напруга навантаження, В

1236.823

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.2451

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

1199.080

-3.3687

2400

133.228

98.6033

2600

139.712

84.3002

2900

72.608

-117.7257

Струм навантаження, А

277.152

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

277.139

-40.1694

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