Використання в перетворювачах частоти чотирьохрівневий автономних інверторів [73] дозволяє ще більше підвищити напругу в ланці випрямленого струму і в навантаженні і збільшити одиничну потужність систем, в порівнянні з трирівневої схемами. Підвищується також якість напруги та струму на виході перетворювача.

Одна з можливих схем перетворення частоти з чотирьохрівневим транзисторним інвертором напруги представлена ​​на рис. 11.1.

Рис. 11.1 Схема перетворення частоти з доданими випрямлячем і 4-рівневим транзисторним АІН

В чотирьохрівневий інверторах використовуються три послідовно включених транзистора в кожному плечі трифазного моста, зашунтувати зворотними діодами. Випрямлена напруга розподіляється між послідовно включеними транзисторами за допомогою трьох конденсаторних батарей, з’єднаних послідовно і підключених до ланцюга випрямленої напруги. При цьому точки з’єднання один з одним конденсаторних батарей з’єднуються також через діоди з точками з’єднання один з одним транзисторів у плечах інвертора.

Якщо рекуперація енергії в живильну мережу не потрібно, то для перетворення напруги мережі в випрямлена напруга можуть бути використані багатообмоточні трансформатор і випрямляч з послідовним з’єднанням трьох діодних мостів. Одне з призначень діодних мостів – забезпечення рівномірного розподілу напруги між конденсаторами інвертора, включеними послідовно.

Трансформатор в розглянутому випадку може бути виконаний четирехобмоточним, як зазначено на рис. 11.1. Одна з вторинних обмоток трансформатора з’єднується в зірку, інша – в трикутник, внаслідок чого трифазні системи ЕРС цих обмоток взаємно зміщені по фазі на 30 ел. град. Ці дві обмотки підключені до крайніх доданими мостам випрямляча, працюють з однаковою навантаженням і утворюють 12-імпульсні схему випрямлення. В токах фаз, споживаних з мережі цими обмотками, відсутні 5, 7, 17, 19 і ряд інших вищих гармонійних складових, але є 1, 11, 13, 23, 25 та інші складові.

Навантаження середньої вторинної обмотки трансформатора та середнього діодного випрямного моста відрізняється від навантаження крайніх вторинних обмоток і крайніх мостів. При цьому в токах, споживаних середньої обмоткою з мережі, містяться 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 та інші гармонійні складові. Вищі гармонійні складові порядку 11, 13, 23, 25 та інші частково можуть бути скомпенсовані складовими того ж порядку зазначеного 12-імпульсні випрямляча, якщо схему з’єднання цієї обмотки виконати із зсувом трифазної системи ЕРС по фазі на 15 ел. град, щодо ЕРС крайніх обмоток. Однак зазначена компенсація не повна, і в токах мережі, хоча і зменшені, але містяться вищі гармонійні складові порядку 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 і т. д.

У схемі рис. 11.1 трифазний джерело живлення містить трифазну систему ЕРС esn (П – номер фази) та індуктивності ls. Трифазний джерело має фазні напруги usn і фазні струми isn. Трифазний джерело забезпечений регулятором чинного напруги. На вхід регулятора надходять сигнали по миттєвим значенням напруг фаз, на виході регулятора формується амплітуда фазних ЕРС мережі. У трансформаторі враховуються коефіцієнт трансформації Ктр, А також індуктивності розсіювання первинної обмотки 1н і вторинних обмоток lt2. У діодних випрямних мостах враховуються «паразитні» індуктивності ланцюгів випрямленого струму Id (в схемі не зображено). Випрямлені струми діодних мостів idm (M – номер моста). Напруження конденсаторних фільтрів в ланцюзі випрямлених струмів – urci, іГС2 і ігсз. У ланцюзі випрямлених струмів Сь гсь icb з2, rc2, ic2, З3, rc3, ic3 – Ємності, активні опори і струми конденсаторних фільтрів, rzb rz2, rz3, izb iz2, iz3 – Активні опори і струми ланцюгів захисту від перенапруг, idii, idi2, idB, idi4 – випрямлені струми інвертора. У инвертор і в навантаженні imm – Струми в плечах інвертора (п – номер фази, m – номер плеча моста), i, dni. i,З|П2 – iidn3, iidn4 – струми в діодах інвертора, підключених до точок з’єднання один з одним конденсаторів, un – Напруги фаз інвертора та навантаження, / “- струми фаз інвертора та навантаження, гн, 1н – Активні опори й індуктивності фаз навантаження.

У схемі рис. 11.1 перетворювач частоти містить систему управління СУ. У систему управління надходять сигнали по напруженням конденсаторів urci, іГС2 і ігсз і струмів навантаження in. На виході системи управління формуються імпульси управління ІУ транзисторами.

Математичний опис схеми рис. 11.1 здійснюється при поділі її на взаємопов’язані підсхеми. З цією метою конденсатори представляються у вигляді залежних джерел напруги:

де m = 1, 2, 3.

Далі напруга іГС2 розділяється на 2 рівні частини. Одна з цих частин переноситься в гілку 1 конденсатора і в інші гілки, з’єднані в загальному вузлі 1 і 2 конденсаторів. Інша половина напруги іГС2 переноситься в галузь 3 конденсатора і в інші гілки, з’єднані в загальному вузлі 2 і 3 конденсаторів.

Інше перетворення вихідної схеми полягає в поділі трансформатора на частини, взаємопов’язані через залежні джерела напруги та струму (аналогічне перетворення описано в § 9).

У результаті зазначених перетворень схеми рис. 11.1 виділяються підсхеми, зображені на рис. 11.2, 11.3, 11.4 і 11.5. Всі отримані підсхеми взаємопов’язані через залежні джерела напруги та струму.

Рис. 11.2 підсхеми трансформатора і випрямлячів при поділі на частини перетворювача з 4-рівневим АІН

Рис. 11.3 підсхеми ланцюгів захисту від перенапруг при поділі на частини перетворювача з 4-рівневим АІН

Рис. 11.4 Подсхема транзисторного інвертора

Рис. 11.5 підсхеми з конденсаторами

В подсхеме трифазного джерела живлення рис. 11.2 ЕРС фаз первинної обмотки трансформатора визначаються наступними виразами:

ЕРС фаз вторинних обмоток трансформатора визначаються відповідно до векторної діаграмою рис. 11.6.

Рис. 11.6 Векторна діаграма ЕРС трансформатора

ЕРС фаз вторинної обмотки, з’єднаної в зірку:

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

ЕРС фаз середньої вторинної обмотки трансформатора, зміщені на 15 ел. град., при п] освіті її в зірку:

При використанні ЕРС, визначених виразами (11.3) – (11.5), обчислюються похідні струмів фаз в підсхема з діодними мостовими випрямлячами рис. 11.2. При цьому використовується математичний опис діодних мостових подсхем, наведене в § 6.

Після визначення похідних струмів і струмів в підсхема з діодними мостами визначаються похідні струмів і струми в фазах живлячої мережі:

Токи в підсхема із захисними резисторами рис. 11.3:

де m = 1, 2, 3.

Опис підсхеми інвертора рис. 11.4 виконано за умови, що в кожній фазі здійснюється узгоджене управління транзисторами, при якому функції стану транзисторів знаходяться в наступному співвідношенні:

Напруження фаз на виході інвертора з урахуванням (11.8):

У напружених фаз, що визначаються виразами (11.9), в загальному випадку містяться гармонійні складові нульової послідовності. Щоб спростити вирази для визначення струмів навантаження, складові нульової послідовності з напруг фаз можна видалити:

З урахуванням (11.10) струми в фазах навантаження можуть бути визначені з наступних виразів:

При відомих вихідних токах інвертора струми в плечах транзисторного моста визначаються за наступними формулами:

Токи в плечах моста iinm поділяються на струми в транзисторах itnm і зворотних діодах icinm відповідно до умов:

де т = 1, 2, .. 6 і позначає номер транзистора і зворотного діода у фазі моста відповідно до позначеннями схеми рис. 11.1.

Регулятор чинного напруги живильної мережі описується виразами (3.15) і

При відомих вхідних токах інверторного моста (11.15), відомих токах ланцюгів захисту від перенапруг (11.7), а також випрямлених токах діодних мостів (§ 6), визначаються струми в конденсаторах (див. рис. 11.5):

Вхідні струми інвертора:

Токи в діодах, через які точки з’єднання один з одним транзисторів з’єднані з точками з’єднання один з одним конденсаторів, визначаються виразами:

(3.16).

Система управління інвертора містить регулятор чинного струму навантаження і систему формування імпульсів управління транзисторами.

Роботу системи формування імпульсів управління чотирирівневого транзисторного інвертора можна пояснити за допомогою рис. 11.7.

Рис. 11.7 Формування імпульсів управління транзисторами однієї фази чотирирівневого інвертора

На рис. 11.7 зображено три пилкоподібних опорних напруги іопь і2, іопз, напруга управління однієї фази інвертора uyi, а також функції стану транзисторів однієї фази kin – kii6-де п – номер фази.

де fon – Частота опорних напруг в Гц, топ – Проміжна змінна, At – крок розрахунку в с.

Регулювання заданого чинного струму навантаження і визначення напружень управління чотирирівневого АІН здійснюється відповідно до виразами (1.12) – (1.15).

При зазначеному визначенні опорних напруг і напруг управління стану ключів моста визначаються виразами:

Максимальне і мінімальне значення опорних напруг +1 і -1. Миттєві значення опорних напруг формуються за наступним алгоритмом:

Відповідно до зазначеного математичним описом схеми з перетворювачем частоти з чотирьохрівневим інвертором рис. 11.1 розроблена програма розрахунку електромагнітних процесів (програма 11, представлена на CD).

Як приклад по програмі 11 виконаний розрахунок при наступних вихідних даних. Тривалість розраховується інтервалу часу 2,03 с, початок виведення інформації у файл 2 с, крок інтегрування 1 мкс, напруга мережі живлення 6 кВ, частота напруги мережі 50 Гц, індуктивність мережі 1 мГн, потужність трансформатора 1000 кВА, напругу короткого замикання трансформатора 6,2%, коефіцієнт трансформації 8, «паразитна» індуктивність в ланці випрямленого струму 2 мкГн, ємність кожної з трьох конденсаторних батарей 5000 мкФ, індуктивність навантаження 8,26 мГн, активний опір навантаження 3,46 Ом, частота напруги навантаження 50 Гц, частота опорних напруг інвертора 2500 Гц, заданий діючий струм навантаження 277,6 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 800 кВт. Результати розрахунку представлені на рис. 11.8 і 11.9 у вигляді діаграм миттєвих значень струмів і напруг перетворювача. У таблицях 11.1 і 11.2 представлені результати аналізу струмів і напруг в заданих сталих режимах роботи.

Рис. 11.8 Напруги і струми мережі, трансформатора і випрямлячів в схемі перетворення з чотирьохрівневим інвертором

Таблиця 11.1 Результати аналізу струмів і напруг рис. 11.8

Фазна напруга мережі живлення, В

3459.333

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.006756

Частоти гармонік, Гц 50

Діючі значення ‘3459 .254

Фази, гр.

0.04823

Фазний струм живильної мережі, А

79.245

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.09069

Частоти гармонік, Гц 50

Діючі значення 78.918

Фази, гр. -13.6450

Напруга 1 вторинної обмотки тр-ра, В Напруга 2 вторинної обмотки тр-ра, В Напруга 3 вторинної обмотки тр-ра, В

429.829

428.953

430.082

Ток 1 вторинної обмотки трансформатора, А Ток 2 вторинної обмотки трансформатора, А Ток 3 вторинної обмотки трансформатора, А

206.911

238.355

207.414

Напруга 1 конденсатора, В Напруга 2 конденсатора, В Напруга 3 конденсатора, В

983.627

979.448

984.013

Рис. 11.9 Напруги і струм інвертора та навантаження в схемі перетворення з чотирьохрівневим інвертором

Таблиця 11.2 Результати аналізу струмів і напруг рис. 11.9

Випрямлений струм інвертора ian, А Випрямлений ток інвертора i ^, А Випрямлений ток інвертора i ^, А Випрямлений ток інвертора i ^, А

257.843

41.174

40.962

258.054

Ток 1 конденсатора, А Ток 2 конденсатора, А Ток 3 конденсатора, А

142.408

69.748

151.327

Фазна напруга навантаження, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

1203.691

0.1831

Частоти гармонік, Гц 50

Діючі значення ‘1183 .330

Фази, гр. -3.3977

Фазний струм навантаження, А

276.804

Частоти гармонік, Гц 50

Діючі значення ‘276 .788

Фази, гр. -39.6741

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