Трирівневий інвертор, описаний в попередньому розділі, може бути переведений в випрямний режим роботи, якщо в колі змінного напруги є трифазний джерело ЕРС, а в ланцюзі постійної напруги є споживач електроенергії. Одна з можливих схем з трирівневим активним випрямлячем представлена ​​на рис. 5.1.

Рис. 5.1 Схема з трифазним трирівневим активним транзисторним випрямлячем

У схемі рис. 5.1 трифазний джерело живлення містить трифазну систему ЕРС esn (П – номер фази) та індуктивності ls. Трифазний джерело має фазні напруги usn і фазні то-ки 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 НДР. В транзисторному мостовому перетворювачі (випрямлячі) струми в плечах i |aim (П – номер фази, m – номер транзистора в фазі), uvn – Фазні напруги випрямного моста, ijni і ijn2 ~ ~ струми в діодах, підключених до загальної точки конденсаторів, ігсЬ іГС2 – Напруги конденсаторних фільтрів (випрямлені напруги), idvi, idv2, idv3 – випрямлені струми позитивного, нульового і негативного полюсів моста. У ланцюзі випрямленої напруги враховані Ci, С2, гз, icl, ic2 – Ємності, активні опори і струми конденсаторних фільтрів, rz, izl, iz2 – Активні опори і струми ланцюгів захисту від перенапруг, гн, 1н, Ен, iH – Активний опір, індуктивність, ЕРС і струм навантаження.

Транзисторні ключі і зворотні діоди описуються, як зазначено в попередньому розділі з урахуванням (4.1).

При моделюванні розглянутої схеми здійснюється заміна конденсаторів залежними джерелами напруги urci і іГС2 відповідно до формулами (4.2). Далі ці джерела переносяться в інші гілки схеми рис. 5.1. При цьому виділяються підсхеми, зображені на рис. 5.2, які мають взаємні зв’язки через залежні джерела напруги urci і іГС2 і струму id і ic2.

Рис. 5.2 Поділ схеми з трирівневим транзисторним випрямлячем на взаємопов’язані підсхеми

Фаза і миттєві значення фазних ЕРС мережі esn визначаються виразами (3.1). Фазні ЕРС інвертора un визначаються виразами (4.3) і (4.4).

Для визначення фазних струмів мережі isn використовуються рівняння (3.2).

Токи в плечах транзисторного моста:

Токи в транзисторах itnm і зворотних діодах idnm визначаються виразами, аналогічними (4.7).

Токи ijni і ijn2 в діодах, підключених до точки з’єднання один з одним конденсаторів, визначаються виразами, аналогічними (4.8).

Опорні напруги uoni і і2 описуються виразами (4.13).

Перемикання транзисторів здійснюються відповідно до умов, аналогічними

Токи в ланцюгах захисту від перенапруг визначаються виразами (4.11). Токи в конденсаторах:

Ток навантаження визначається з диференціального рівняння:

Вихідні струми транзисторного випрямляча в позитивному і негативному полюсах ланцюга випрямленої напруги:

(4.14).

Як і в схемі з дворівневим транзисторним випрямлячем, система управління трирівневого випрямляча забезпечує вирішення наступних завдань:

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

формування синусоїдальних фазних струмів мережі;

підтримання заданого коефіцієнта потужності мережі, наприклад, рівного 1;

передача енергії з мережі в навантаження і в протилежному напрямку.

Як видно їх схеми рис. 5.1, система містить також пропорційно-інтегральний регулятор чинного напруги мережі Us, Функції якого описані в § 3.

Робота системи регулювання трирівневого випрямляча описується виразами

– (3.17) з деякими відмінностями. Одна з відмінностей обумовлено тим, що при вказаному регулюванні випрямлена напруга нерівномірно розподіляється між послідовно включеними конденсаторами (ця особливість виявлена ​​при виконанні розрахунків при використанні математичних моделей). Для рівномірного розподілу випрямленої напруги здійснюється регулювання транзисторів в ланцюгах захисту від перенапруг. При цьому використовуються наступні умови:

де AUd – задана похибка в розподілі напружень між конденсаторами, kzi і kz2 – Функції стану захисних транзисторів.

З математичного опису схеми перетворення рис. 5.1 розроблена програма розрахунку на ЕОМ електромагнітних процесів (програма 05, приведена на CD).

На рис. 5.3 позначення змінних прийняті такими ж, як у схемі рис. 5.1. У таблиці 5.1 представлені результати аналізу струмів і напруг у розглянутому режимі роботи.

Як приклад по зазначеній програмі виконаний розрахунок електромагнітних процесів при наступних параметрах: тривалість розрахункового інтервалу часу 3 с, початок запису результатів у файл 2,975 с, крок розрахунку At = l мкс, крок запису результатів 10 мкс, ен= 900 В, 1Н= 5 мГн, гн= 0,8 Ом, Ci = C2 = 10000 мкФ, rci=rc2= 0,01 Ом, ls= 0,5 мГн, rs= 0,001 Ом, Us= 400 В, fs= 50 Гц, ldr= 3,5 мГн, rdr= 0,05 Ом, rz= 150 Ом, fon= 4000 Гц, фш=0, UZ= 1000B, Кш= 3, Кио= 0,5, К= -0,007, Тш= 0,02 с, Ті= 0,05 с, Тиу= 0,002 с, Aty=l/fOn = 250 мкс. Результат розрахунку представлений на рис. 5.3 у вигляді діаграми миттєвих значень змінних.

Рис. 5.3 Напруги і струми в схемі з трирівневим транзисторним випрямлячем

Таблиця 5.1 Результати аналізу струмів і напруг рис. 5.3

Напруга 1 фази мережі, В Коефіцієнт спотворення синусоидальности

230.766

0.06652

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

230.255

-98.4629

3800

3.617

105.2085

4200

4.054

89.6288

7950

5.689

162.3990

8050

4.921

45.7501

8250

4.076

41.9786

Ток 1 фази мережі, А

178.952

Коефіцієнт спотворення синусоидальности

0.01827

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

178.922

-95.2267

100

1.500

6.4309

250

2.607

-115.1265

Ток 1 транзистора і обр. діода фази, А

94.420

Максимальне значення

176.987

Мінімальне значення

-258.812

Ток 1 діода фази, А

84.429

Максимальне значення

255.920

Ток 2 транзистора і обр. діода фази, А

126.662

Максимальне значення

255.920

Мінімальне значення

-258.812

Випрямлений струм покладе, полюса, А

117.788

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

150

55.925

-179.8774

4000

51.886

93.5715

7850

21.137

-166.0361

8000

19.350

-72.7916

8150

20.145

3.9136

Струм в 1 захисному резисторі, А

0

Струм у 2 захисному резисторі, А

1.774

Напруга 1 конденсатора, В

490.137

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

150

6.022

94.7862

Напруга 2 конденсатора, В

504.809

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

150

5.368

-80.1243

Ток 1 конденсатора, А

100.381

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

150

56.078

-179.9411

4000

51.886

93.5707

7850

21.137

-166.0362

8000

19.351

-72.7866

8150

20.145

3.9136

Струм навантаження, А

118.665

У табл. 5.1 потужність, що витрачається в захисних резисторах, становить 470 Вт Це невеликі втрати в порівнянні з потужністю навантаження 118 кВт. За рахунок цих втрат забезпечується невелика різниця в напругах послідовно включених конденсаторів.

Необхідно відзначити таку особливість схеми (див. табл. 5.1). В випрямлених токах позитивного і негативного полюсів транзисторного моста значну частку становлять струми потрійний частоти (по відношенню частоті струмів мережі). В конденсаторах діюче значення струмів потрійний частоти перевищує діюче значення складових на частотах ШІМ. в мережі і в навантаженні струми потрійний частоти відсутні.

У схемах з трирівневої перетворювачами випрямлена напруга може регулюватися вище того рівня, який забезпечується перетворенням напруги з допомогою зворотних діодів (4.16). Регулювання випрямленої напруги нижче вказаного рівня неможливо. Найбільш сприятливим є режим роботи, при якому співвідношення фазної напруги моста і випрямленої напруги близько до (4.15).

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