Якщо в трифазного ланцюга навантаження АІН є трифазна система ЕРС, то засобами управління може бути забезпечений сталий режим роботи, при якому електроенергія передається з ланцюга змінного напруги в ланцюг постійної напруги. При цьому транзисторний або тиристорний мостовий перетворювач перекладається з інверторного режиму роботи в випрямний режим. В цьому випадку в ланцюзі випрямленої напруги повинен існувати не джерело, а споживач електроенергії. Перетворювачі розглянутого типу називають активними випрямлячами [15]. Одна з можливих схем з транзисторним дворівневим активним випрямлячем зображена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Схема з дворівневим транзисторним активним випрямлячем

У розглянутій схемі трифазний джерело живлення містить трифазну систему ЕРС esn (П – номер фази) та індуктивності ls. Це джерело має фазні напруги usn і фаз-ні струми isn. Лінійні напруги джерела usi2, uS23 і uS34. Між трифазним джерелом і транзисторним мостом включений трифазний дросель з індуктивностями фаз 1др і активними опорами фаз гдр. В транзисторному мостовому перетворювачі (випрямлячі) uvn – Фазні напруги (п = 1, 2, 3), ivn – Струми в плечах (п = 1, 2, … 6 – номер плеча моста), ігс – Випрямлена напруга (напруга конденсаторного фільтра), idv – Випрямлений струм. У ланцюзі випрямленої напруги с, rc, ic – Ємність, активний опір і струм конденсаторного фільтра, rz і iz – Активний опір і струм ланцюга захисту від перенапруг, гн, 1н, Ен, iH – Активний опір, індуктивність, ЕРС і струм навантаження.

У схемі рис. 3.1. система управління випрямляча (СУ) контролює лінійні напруги і фазні струми трифазного джерела живлення, а також випрямлена напруга перетворювача і формує імпульси управління транзисторами. При цьому в системі управління можуть вирішуватися такі завдання:

стабілізація випрямленої напруги на заданому рівні шляхом впливу на амплітуду заданих фазних струмів мережі;

формування фазних струмів мережі, близьких за формою до синусоїді шляхом впливу на напруги управління;

підтримання заданого коефіцієнта потужності мережі (індуктивного, ємнісного або рівного 1) шляхом впливу на напруги управління;

передача енергії з мережі змінної напруги в ланцюг постійного напруження і в протилежному напрямку.

Слід зазначити, що мінімальний рівень випрямленої напруги в розглянутій схемі дорівнює тому напруження, яке може створити діодний випрямляч. Співвідношення фазної напруги моста і випрямленої напруги в цьому випадку визначається формулою (1.18). При управлінні транзисторами випрямлена напруга не можна зменшити, але можна збільшити. Верхня межа випрямленої напруги теоретично не обмежена. Практично найбільш доцільно забезпечувати роботу випрямляча поблизу кордону переходу від синусоїдальної ТТТІМ до перемодуляціі при співвідношенні фазного і випрямленої напруги, близькому к (1.17). У цьому випадку управління струмами фаз мережі здійснюється безперервно (з заданою дискретністю) і може бути забезпечено вирішення перерахованих завдань.

Як видно зі схеми рис. 3.1, в системі є також пропорційно-інтегральний регулятор чинного напруги мережі Us. Він введений в систему, оскільки при виконанні розрахунків задається зазвичай не ЕРС мережі, а напруга. Цей регулятор контролює миттєві значення напруг мережі, визначає чинне напруга, фільтрує його і впливає на амплітуду ЕРС мережі, забезпечуючи вихід системи на заданий режим роботи, в якому напруга мережі одно заданому значенню. Такий підхід дозволяє враховувати внутрішні опору електромережі і здійснювати розрахунок спотворень напруги мережі, обумовлених роботою перетворювача.

Стани транзисторів випрямляча, як і в схемі з АІН, описуються функціями kvn, Де п – номер фази. У ланцюзі захисту від перенапруг стан транзистора описується функцією kz.

де п = 1, 2, 3.

Миттєві значення струмів itn в 6 транзисторах і струмів idn в 6 зворотних діодах визначаються умовами (1.6).

Випрямлений струм транзисторного інвертора:

Токи в плечах транзисторного моста:

де х – фаза системи ЕРС, Esm – Амплітуда фазних ЕРС мережі, п = 1, 2, 3 (номер фази).

В подсхеме з мережевими ЕРС і транзисторним мостом фазні напруги транзисторного моста uvn визначаються виразами (1.3) при uvn=un.

Фазні струми мережі визначаються в результаті інтегрування наступних рівнянь:

Фазні ЕРС мережі визначаються наступними виразами:

При математичному моделюванні розглянутої системи на кожному кроці розрахунку At визначається напруга на ємності із, Після чого ємність та активний опір конденсатора замінюються залежним джерелом напруги ігс відповідно до виразами (1.1). Так-леї джерело ігс переноситься в інші гілки схеми – в гілку навантаження, в ланцюг захисту від перенапруг і в ланцюг випрямленого струму інвертора. З ланцюга випрямленого струму інвертора це джерело переноситься в плечі транзисторного моста. В результаті з силової схеми установки виділяються підсхеми, зображені на рис. 3.2, які мають взаємні зв’язки через залежні джерела напруги Urc і струму ic.

Рис. 3.2 Поділ схеми з трифазним дворівневим випрямлячем на взаємопов’язані підсхеми

Передбачається, що транзисторний перетворювач працює в режимі синусоїдальної широтно-імпульсної модуляції. При цьому імпульси управління транзисторами випрямляча формуються аналогічно імпульсам АІН в результаті порівняння пилоподібного опорного напруги управління іоп з трифазною системою напруг управління uyb uy2, Іу3, Як описано в попередньому розділі.

Ток в ланцюзі захисту від перенапруг визначається виразом (1.9). Ток конденсаторної батареї:

Ток навантаження визначається шляхом інтегрування диференціального рівняння:

Формування напруг управління випрямляча здійснюється в системі управління регуляторами напруги та струму.

Частота напруги мережі cos визначається по зміні фази трифазної системи напруг ті в наступному алгоритмі обчислень:

де Xi – кутове положення трифазної системи напруг мережі на початку циклу роботи системи управління, ті – Кутове положення системи напруг мережі в кінці циклу роботи системи управління, зіі – Миттєве значення кутової частоти напруги мережі, cos – Відфільтрована кутова частота напруги мережі.

де Izm;ix – Ліміт амплітуди струму мережі, Кш – Коефіцієнт у зворотному зв’язку по інтегралу відхилення напруги від заданого значення, Кио – Коефіцієнт у зворотному зв’язку по відхиленню напруги від заданого значення, Aty – Час циклу роботи системи управління.

Для регулювання інших змінних визначаються фаза ті і модуль Usm вектора трифазної системи напруг мережі:

При регулюванні випрямленої напруги здійснюється порівняння фактичного випрямленої напруги ігс із заданою величиною Uz, І за допомогою пропорциональноинтегрального регулятора формується задана амплітуда фазного струму мережі Izm відповідно до виразами:

Якщо система управління повинна підтримувати заданий кут зсуву фш струму мережі щодо напруги, то миттєві значення трифазної системи заданих струмів мережі визначаються виразами:

Струмові складові трифазної системи напруг управління uym формуються пропорційними регуляторами фазних струмів:

Напруження управління фаз випрямляча формуються як суми струмових складових і складових uyen, Що компенсують ЕРС мережі (визначені нижче):

У виразах (3.12) складові uyen визначаються в результаті аналізу трифазної системи напруг управління uyn і фільтрації обчисленої амплітуди цих напруг Uym:

де Тиу – Постійна часу фільтру амплітуди напруг управління, іух – Проекція напруг управління на вісь абсцис, Uymax – Не відфільтрована амплітуда напружень управління, ту – Фаза трифазної системи напруг управління.

З урахуванням (3.13) складові напружень управління, компенсуючі ЕРС мережі, визначаються виразами:

Чинне лінійна напруга мережі Us визначається в процесі роботи моделі за алгоритмом, аналогічним (2.6):

де Аі і Ві – Проміжні змінні, Ті – Постійна часу апериодического фільтра чинного напруги.

При регулюванні чинного лінійної напруги мережі здійснюється порівняння фактичного напруги Us із заданою величиною Usz і за допомогою пропорциональноинтегрального регулятора формується задана амплітуда фазних ЕРС мережі Esm:

де Usz – Задане чинне напруга мережі, KS1 – Коефіцієнт у зворотному зв’язку по інтегралу відхилення напруги від заданого значення, Kso – Коефіцієнт у зворотному зв’язку по відхиленню напруги від заданого значення.

В процесі розрахунку електромагнітних процесів в часі амплітуда ЕРС мережі, визначена виразами (3.16), використовується в формулах (3.1) для визначення миттєвих значень фазних ЕРС мережі.

При використанні розглянутого алгоритму управління можливі кидки струму в момент підключення перетворювача до мережі. Їх можна виключити, якщо встановити початкову амплітуду напруги управління по такою формулою:

За наведеним математичному опису схеми перетворення рис. 3.1 розроблена програма розрахунку на ЕОМ електромагнітних процесів у системі з трифазним дворівневим випрямлячем (програма 03, представлена на CD).

Як приклад виконано розрахунок електромагнітних процесів в розглянутій схемі при наступних параметрах: тривалість розраховується інтервалу часу 3 с, початок запису результатів розрахунку в файл 2,975 с, крок розрахунку At = l мкс, крок запису результатів у файл 10 мкс, ен= 900 В, 1н= 10мГн, гн= 0,8 Ом, с = 2000 мкФ, гз= 0,01 Ом, ls= 0,5 мГн, rs= 0,001 Ом, US= 400B, f = 50 Гц. ldr= 3,5 мГн, rdr= 0,05 Ом, £, “= 4000 Гц. фш=0, UZ= 1000B, Кш= 3, Кио= 0,5, К “= – 0,007, Тш= 0,02 с, Ті= 0,05 с, Тиу= 0,003 с, Aty= 100 мкс.

На рис. 3.3 представлений результат розрахунку у вигляді діаграми миттєвих значень напруг і струмів. Діаграма відповідає сталому режиму роботи, який виник після підключення перетворювача до мережі в результаті загасання перехідного процесу. Позначення змінних прийняті такими ж, як у схемі рис. 3.1.

Рис. 3.3 Напруги і струми трифазного дворівневого випрямляча при роботі в режимі синусоїдальної ШІМ

У табл. 3.1 представлені результати аналізу аналізованого режиму роботи.

Таблиця 3.1 Результати аналізу струмів і напруг рис. 3.3

Напруга 1 фази мережі, В

230.721

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.1376

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

228.526

171.3215

3900

12.271

-167.9387

4100

11.556

0.2199

7950

10.950

-122.9470

8050

11.443

-39.6786

11800

5.560

121.5445

11900

5.493

26.4136

12100

5.764

-166.5376

12200

5.772

97.1726

Ток 1 фази мережі, А

181.604

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

181.497

177.8641

Струм в конденсаторі, А

97.572

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

3850

36.023

100.4324

4150

37.398

89.0104

8000

47.648

-80.7778

11850

24.140

-116.4264

12150

25.338

-38.6609

Випрямлений струм випрямляча, А

119.186

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

3850

36.289

101.2806

4150

36.339

90.9725

7700

3.558

5.9806

7950

5.385

93.4168

8000

47.532

-79.3434

11800

3.777

83.3751

11850

23.885

-112.3304

12100

4.067

124.5340

12150

25.817

-36.7920

Напруга управління 1 фази, о.е.

0.630

Максимальне значення

0.920

Мінімальне значення

-0.898

Випрямлена напруга, В

995.676

Максимальне значення

1014.787

Мінімальне значення

973.508

Струм навантаження, А

118.746

З таблиці 3.1 видно, що в розглянутому режимі роботи схеми рис. 3.1 фаза основний гармонійної складової струму мережі відрізняється від фази основної гармонійної складової напруги на 6,5 ел. град. Ця похибка розрахунку обумовлена ​​в основному похибкою роботи системи управління, в якій для регулювання фазних струмів мережі використовуються пропорційні регулятори. Похибка може бути зменшена шляхом збільшення коефіцієнта Кю в формулах (3.11) або завданням певного значення кута фш в формулах (3.10).

Як зазначено вище, у розглянутій схемі перетворення доцільно забезпечувати роботу випрямляча в режимі синусоїдальної ШІМ, щоб зберігалася можливість регулювання миттєвих значень фазних струмів для підтримки їх синусоїдальної форми та вирішення інших завдань. При цьому на співвідношення чинного напруги мережі та випрямленої напруги істотно впливає індуктивність трифазного дроселя на вході випрямляча, а також заданий кут зсуву струму мережі щодо напруги.

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