Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.314

Формирование входного тока гибридного многоуровневого преобразователя частоты на базе четырехуровневого инвертора напряжения

Ревко Е.В.

Шавёлкин А.А.

г. Донецк

В настоящее время предъявляются жесткие требования к гармоническому составу тока, потребляемого преобразователями из сети переменного тока. Это, в первую очередь, касается мощных потребителей, к которым относятся высоковольтные многоуровневые преобразователи частоты (МПЧ). Вопрос обычно решается использованием составных многофазных схем выпрямления [1]. Однако это решение эффективно только при симметричной загрузке выпрямителей. Перспективным решением МПЧ являются гибридные МПЧ (ГМПЧ) на базе схемы многоуровневого автономного инвертора напряжения (МАИН). При четырех уровнях напряжения на входе МАИН звено постоянного тока включает три источника постоянного тока (ИПТ), нагрузка которых различна. Здесь возникает важный момент - обеспечение качества входного тока ГМПЧ.

Цель работы. Исследовать возможность обеспечения качества входного тока ГМПЧ на базе четырехуровневого АИН (ЧАИН).

При наличии трех ИПТ в звене постоянного тока их нагрузка существенно различается, причем ИПТ(1,3) для крайних уровней напряжения загружены одинаково, но их загрузка существенно отличатся от загрузки ИПТ(2) среднего уровня. На рис.1 приведены зависимости средних значений токов потребляемых от ИПТ в функции относительной амплитуды А выходного напряжения ГМПЧ.

Рис.3. Загрузка источников по току

Рассмотрим возможность реализации трех вариантов построения звена постоянного тока с позиции обеспечения качества тока МПЧ, потребляемого из сети переменного тока. При использовании трех ИПТ возможны: стандартный вариант с использованием 18ти-фазной схемы выпрямления [1] и вариант предложенный в [2], когда для крайних ИПТ (1,3) используют 12ти- фазную схему выпрямления, а средний ИПТ(2) питается от комплекта обмоток со сдвигом напряжений 15є относительно других выпрямителей. 18ти-фазная схема включает в себя 3 выпрямителя, которые питаются от трех комплектов обмоток трансформатора [1] со сдвигом напряжений 20є. Третий вариант несколько избыточный - с использованием 24х-фазной схемы выпрямления [1]. ток преобразователь частота напряжение

Для расчета используем методику, приведенную в [1] применительно трехфазного мостового выпрямителя (ТМВ) с использованием базисных значений тока. Так для среднего значения выходного тока ТМВ:

,

где Id - среднее значение тока на выходе выпрямителя, Х включает в себя сопротивление сети переменного тока и трансформатора, E1m - амплитуда фазной ЭДС сети переменного тока.

Все значения приведены в функции относительного значения выходного напряжения выпрямителя, которое определяется загрузкой выпрямителя (при холостом ходе ud=1):

,

где n - коэффициент трансформации трансформатора.

Полагаем, что ИПТ идентичные и Х одинаковы. При максимальном значении выходного напряжения (относительное значение амплитуды первой гармоники А=5.3) загрузка ИПТ1,3 І*d13 составляет 0.874І*d2. Относительное значение гармоник снижается при уменьшении ud, что предполагает увеличение индуктивных сопротивлений Х во входных цепях выпрямителей.

Примем значение ud для ИПТ13 ud13=0.93, чему соответствует І*d13=0.039. тогда в соответствии со значением І*d2 получаем ud1=0.926 и значения гармоник входного тока І*(1), І1(k) для ИПТ13 и ИПТ2 (табл.1). Относительное значение k гармоники .

Гармонический состав тока ТМВ

Таблица1

Входной ток МПЧ в соответствии с методикой [1] при использовании 18ти-фазной схемы выпрямления можно представить как:

,

где: ,

.

Первая гармоника І*(1) определяется первым слагаемым (3) и составляет 0.0986.

При одинаковой загрузке ИПТ1 и ИПТ3 получаем для k=5, 7, 11, 13:

.

Так для пятой гармоники І1(5)=0.79%. Подавление 17ой- и 19ой- гармоник отсутствует. Коэффициент гармоник входного тока THD (учитывались гармоники с порядком до 40) при этом порядка 3.5%, что вполне приемлемо. Однако при снижении А картина ухудшается, так при А=4 значение THD порядка 7%.

Эффективность применения того или иного решения зависит от значения ud или Х, которое определяет относительное значение гармоник входного тока І*(k). Так при увеличении Х в 1.5 раза и соответствующем снижении ud THD составляет порядка 2.8%.

Рассмотрим вариант [2] когда ИПТ1 и ИПТ3 образую 12ти- фазную схему выпрямления, а выпрямитель ИПТ3 имеет на входе напряжение со сдвигом 15є (относительно ИПТ1 и ИПТ3). При этом входной ток:

Для первой гармоники l=0 имеем:.

Для l=1,3 (k=5, 7, 17, 19) І*(k)=І*2(k). Относительное значение k гармоники . Так для 5ой- 7ой- гармоник относительные значения составляют, соответственно, 11% и 3.18%. Для l=2 (k=11, 13) І1(k)=(2І*1(k)І*1(1) - І*2(k)І*1(1))/І*(1). Для 11ой- гармоники І1(11)=2%.

Таким образом, данное решение имеет худшие показатели и неприемлемо.

Рассмотрим вариант с использованием 24х- фазной схемы выпрямления. При этом средний ИПТ выполняется составным из двух последовательно соединенных выпрямителей (2,3), которые образуют 12ти фазную схему выпрямления. Крайние ИПТ (1,4) также образуют 12ти-фазную схему выпрямления. Входные напряжения 12ти- фазных выпрямителей сдвинуты между собой на 15є. Первый и четвертый комплект обмоток имеют схемы соединения «звезда» и «треугольник» с количеством витков w1 и w2=v3w1, при количестве витков первичной обмотки w коэффициент трансформации n=w/w1. Два других комплекта имеют составные схемы («зигзаг») [1]. В общем случае для 24х-фазной схемы входной ток:

Рассмотрим тот же случай для максимальной амплитуды А=5.3, когда нагрузка выпрямителей максимальна (100%), хотя для пар 1,4 и 2,3 различна. Полагаем, что при этом ud14=0.93 (I*d1=0.039). Выпрямители 2, 3 имеют выходное напряжение в два раза меньше. Приведем их к тому же напряжению при половинной загрузке, тогда I*d23=0.039/1.75=0.022, чему соответствует ud23=0.941 (соответствующие значения гармоник приведены в табл.1).

Полное подавление высших гармоник достигается при нечетных l=1,3,5,.. (5я- , 7я-, 17я-, 19- гармоники). Для первой гармоники (l=0) результирующее относительное значение тока (выражение в квадратных скобках) составит I*(1)=0.0962.

При l=2 первое и второе слагаемые (4) изменяются в противофазе - имеем для k гармоники:

.

Таким образом, подавление для этих гармоник частичное, так I1(11)=1.55%. При l=4 (23я- и 25я- гармоники) подавление отсутствует. Коэффициент гармоник входного тока THD (учитывались гармоники с порядком до 40) при этом порядка 3.8% (А=5.3). Важным моментом является то, что со снижением А коэффициент гармоник если и ухудшается, то незначительно, так при А=4 THD=2.7%, при А=2 THD=5.22%.

При расчете рассматривался вариант, когда Х для всех выпрямителей одинаково. Коэффициент гармоник при значениях А близких к максимальному можно уменьшить, если увеличить сопротивление вторичных обмоток выпрямителей 2, 3, так при увеличении Х2 вдвое при А=5.3 THD=2.8%.

Последний вариант обеспечивает наилучшее качество входного тока МПЧ.

Литература

1. Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О.О. Шавьолкін, О.М.Наливайко. - Краматорськ, ДДМА, 2008. - 326с.

2. Пронин М.В. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, Под ред. Крутякова Е.А. //СПб: «Электросила», 2003. - 172 с.

Размещено на Allbest.ru