Перетворювач частоти з семиуровневой інвертором [40], [64] і доданими випрямлячем зображений на рис. 13.1.

Рис. 13.1 Схема перетворення частоти з доданими випрямлячем і 7-рівневим транзисторним АІН

Розглянуті перетворювачі відрізняються високою якістю електроенергії на вході і на виході, а також тим, що на порівняно низьковольтних приладах можна створити високовольтні пристрої, наприклад з вихідним напругою 6 кВ.

У схемі рис. 13.1 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. Джерело забезпечений регулятором чинного напруги. На вхід регулятора надходять сигнали по миттєвим значенням напруг фаз, на виході регулятора формується амплітуда фазних ЕРС мережі.

Тим мережею живлення і напівпровідниковим перетворювачем включений трансформатор, який має одну первинну обмотку і шість вторинних обмоток. Трифазні системи ЕРС вторинних обмоток утворюють 3 пари, в кожній з яких трифазні системи взаємно зміщені по фазі на 30 ел. град, для забезпечення 12-імпульсні режиму роботи діодних випрямних мостів. Зазначені пари трифазних систем також взаємно зрушені по фазі для підвищення пульсності схеми випрямлення. 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). Крайні діодні мости і крайні вторинні обмотки трансформатора утворюють 12 – імпульсні схему випрямлення. Середні діодні мости і середні вторинні обмотки трансформатора також утворюють дві 12-імпульсні схеми випрямлення. В цілому схема випрямляча наближається до 36-імпульсні, але повною мірою не є такою, оскільки струмові навантаження середніх і крайніх діодних мостів різні. При цьому в токах мережі 11, 13, 23, 25 і ряд інших вищих гармонійних складових 12-імпульсних схем взаємно компенсуються не повністю.

Конденсатори мають ємності Ci – Сб, активні опору rci – гс6, Струми ici – ic6, Напря-вання urci – urc6.

Ланцюги захисту від перенапруги містять резистори rz, В них протікають струми izi – iz6. Стани транзисторів в ланцюгах захисту описується функціями kzm (kzm= L, якщо транзистор відкритий, і kzm= 0, якщо транзистор закритий).

Інвертор має випрямлені струми idn – idi7-В инвертор і в навантаженні imm – Струми в плечах моста (номер фази n = 1, 2, 3, номер транзистора m = 1, 2, .. 12), ildni – i ^ io ~ ~ струми в діодах інвертора, підключених до точок з’єднання один з одним конденсаторів, un – Напруги фаз інвертора та навантаження, in – Струми фаз інвертора та навантаження, гн, 1н – Активні опори й індуктивності фаз навантаження. У инвертор стан транзисторів описується функціями kmm (Номер фази п = 1, 2, 3, номер транзистора ш = 1, 2, .. 12).

У схемі рис. 13.1 перетворювач частоти містить систему управління СУ. У систему управління надходять сигнали по напруженням конденсаторів urci-urc6 і струмів навантаження in. На виході системи управління формуються імпульси управління ІУ транзисторами.

Математичний опис схеми рис. 13.1 здійснюється при поділі її на взаємопов’язані підсхеми. З цією метою вихідна схема розділяється на частини 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 з урахуванням відповідних взаємних зрушень обмоток по фазі.

Інше перетворення вихідної схеми грунтується на заміні конденсаторів залежними джерелами напруги:

де номер конденсатора m = 1, 2, .. 6.

При перетворенні вихідної схеми джерело напруги ігсз переноситься в галузь 2 конденсатора і в інші гілки, з’єднані в загальному вузлі 2 і 3 конденсаторів, у тому числі в ланцюзі захисту від перенапруг і в ланцюзі випрямлених струмів діодних мостів і інвертора. Джерело ігс4 переноситься в гілку 5 конденсатора і в інші гілки, з’єднані в загальному вузлі 4 і 5 конденсаторів, у тому числі в ланцюзі захисту і в ланцюзі випрямлених струмів. Далі з гілки другого конденсатора джерело іГС2+ Ігсз переноситься в гілку 1 конденсатора і в інші гілки, з’єднані в загальному вузлі 1 і 2 конденсаторів, а джерело іГС4 + іГС5 з гілки 5 конденсатора переноситься в гілку 6 конденсатора і в інші гілки, з’єднані в загальному вузлі 5 і 6 конденсаторів. Після цього з гілки 1 конденсатора джерело ігс1 + іГС2+ Ігсз переноситься в галузі, які з’єднуються один з одним в позитивному полюсі ланцюга випрямленого струму, а джерело urc4+urc5+urc6 переноситься в галузі схеми, які з’єднуються один з одним в негативному полюсі.

У результаті зазначених перетворень схеми рис. 13.1 виділяються підсхеми, зображені на рис. 13.2, 13.3, 13.4 і 13.5. Підсхеми взаємопов’язані залежними елементами, в даному випадку залежними джерелами напруги та струму.

Рис. 13.2 підсхеми трансформатора і випрямлячів

Рис. 13.3 Подсхема транзисторного інвертора

Рис. 13.4 підсхеми ланцюгів захисту від перенапруг

Рис. 13.5 підсхеми з конденсаторами

В подсхеме з трифазним джерелом живлення рис. 13.2 напруги фаз первинної обмотки трансформатора usn і ЕРС фаз etn визначаються наступним чином:

де номер фази n = 1, 2, 3.

ЕРС фаз вторинних обмоток трансформатора enm (П = 1, 2, 3, т = 1, 2, .. 6) визначаються відповідно до векторної діаграмою, зображеною на рис. 13.6.

Рис. 13.6 Векторна діаграма ЕРС трансформатора

ЕРС фаз 1 вторинної обмотки трансформатора:

ЕРС фаз другий вторинної обмотки трансформатора:

При використанні ЕРС, визначених виразами (13.3) – (13.8), обчислюються похідні струмів фаз в підсхема з діодними мостовими випрямлячами рис. 13.2. При цьому використовується математичний опис діодних мостових подсхем, наведене в § 6.

ЕРС фаз шостий вторинної обмотки трансформатора:

ЕРС фаз п’ятий вторинної обмотки трансформатора:

ЕРС фаз четвертої вторинної обмотки трансформатора:

ЕРС фаз третього вторинної обмотки трансформатора:

Після визначення похідних струмів і струмів в підсхема з діодними мостами визначаються похідні струмів і струми в фазах живлячої мережі. При цьому доцільно визначити наступні коефіцієнти:

Похідні струмів мережі:

Токи фаз мережі:

Токи в підсхема із захисними резисторами рис. 13.3:

де kzm – функція стану захисного транзистора (0 або 1).

Опис підсхеми інвертора рис. 13.4 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 виразів (13.13):

де т = 1, 2, .. 12.

Вхідні струми інвертора:

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

Токи в плечах транзисторного моста:

Токи в фазах навантаження:

У напружених фаз навантаження (13.14) містяться гармонійні складові нульової послідовності. Щоб спростити вирази для визначення струмів навантаження, складові нульової послідовності з напруг фаз можна видалити:

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

Токи в конденсаторах:

Регулятор чинного напруги живильної мережі описується виразами (3.15) і

(3.16).

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

Роботу системи формування імпульсів управління семиуровневой інвертора можна пояснити за допомогою рис. 13.7, на якому зображені шість пилкоподібних опорних напруги і1 – Uon6, напруга управління однієї фази інвертора іУь а також функції стану транзисторів однієї фази kin – 1 <