Матричный преобразователь частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Матричный преобразователь частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки

А.И. Андриянов, П.И. Глазун

Разработана модифицированная топология двухкаскадного матричного преобразователя частоты с искусственной нейтралью. Представлена схема силовой части, а также результаты проверки принятых технических решений и алгоритмов управления с использованием компьютерной модели в MatLab. Выявлены основные закономерности изменения качества потребляемого преобразователем тока в зависимости от характера нагрузки.

Ключевые слова: матричный преобразователь, непосредственный преобразователь частоты, четырехпроводная схема включения, искусственная нейтраль.

Значительная часть территории России, имеющая малую плотность населения, не присоединена к централизованным электроэнергетическим системам. Население этих территорий получает электроэнергию от автономных дизель-генераторных установок небольшой мощности, ветроэнергетических установок, малых ГЭС и других возобновляемых источников энергии [1]. Для преобразования частоты выходного трехфазного напряжения генератора к промышленной частоте 50 Гц применяют различные частотные преобразователи. На сегодняшний день наиболее оптимальным является использование матричных преобразователей - из-за отсутствия в них крупногабаритного конденсатора звена постоянного тока, занимающего от 30 до 50% объема инвертора [2], что делает его более эффективным по сравнению с преобразователями со звеном постоянного тока. Особенностью преобразователей частоты, работающих в составе таких установок, является необходимость подключения к ним однофазной нагрузки, что требует наличия нейтрального провода на выходе преобразователя.

На данный момент существует топология матричного преобразователя частоты [3], которая обеспечивает нейтраль на выходе. К недостаткам такой топологии следует отнести в первую очередь большое количество транзисторов. Кроме того, учитывая специфику задачи, можно отметить, что преобразователь в [3] является четырехквадрантным, т.е. обеспечивает рекуперацию энергии, что в составе дизель-генераторных установок, обеспечивающих питанием обычные жилые дома, явно избыточно.

Основной целью данной работы является разработка модифицированной топологии, содержащей меньшее количество силовых ключей и полностью удовлетворяющей требованиям к преобразователям в составе дизель-генераторных установок.

Разработка топологии силовой части. Матричные преобразователи частоты по виду топологии силовой части можно разделить на два класса. К первому классу относятся преобразователи, в которых коммутация входных и выходных фаз осуществляется с помощью одного звена на ключах переменного тока, - это приводит к усложнению системы управления и удорожанию всего устройства в целом. Ко второму классу относятся двухкаскадные преобразователи, в которых явно присутствуют звенья выпрямления и инвертирования [4; 5]. Такие преобразователи чаще всего требуют для построения силовой части меньшего количества транзисторов, чем преобразователи, относящиеся к первому классу.

На сегодняшний день наиболее оптимальной схемой активного выпрямителя является так называемый мост Вина и его разновидности [4; 5]. Так как предлагаемый вариант топологии матричного преобразователя будет использоваться совместно с дизель-генераторными установками, то наиболее рационально использование в его составе модифицированного моста Вина. Для возможности подключения к матричному преобразователю однофазной нагрузки в качестве инвертирующего звена применяется мостовой инвертор с четырьмя стойками, обеспечивающий искусственную нейтраль. Предлагаемый вариант силовой части требует модификации существующего алгоритма управления матричным преобразователем.

Предложенная топология приведена на рис. 1. Она относится к классу двухкаскадных преобразователей и отличается от существующей топологии [3] тем, что имеет на входе управляемый выпрямитель, содержащий три силовых транзистора. Таким образом, предлагаемый вариант силовой части матричного преобразователя с искусственной нейтралью требует 11 транзисторов, тогда как преобразователь в [3] требует 20 ключей.

Разработка алгоритма управления силовой частью преобразователя. Воспользовавшись общим подходом к анализу матричных преобразователей [6; 7], рассмотрим отдельно инвертор и выпрямитель. Четырехпроводной инвертор может сформировать на выходе 16 базовых векторов напряжения, каждому из которых соответствует своя комбинация ключей. Кроме того, существует два нулевых вектора, соответствующих комбинациям включенных транзисторов (4, 6, 8, 10) или (5, 7, 9, 11) (рис. 1).

На рис. 2 а показаны 14 базовых векторов, используемых для формирования вектора выходного напряжения. Для формирования вектора выходного напряжения, имеющего конкретный угол и длину, необходимо использовать три соседних базовых вектора, которые образуют тетраэдр и являются его ребрами. Всего имеется 12 тетраэдров, образующих многогранник (рис. 2 а). Проекция одного тетраэдра на плоскость бв представляет собой равносторонний треугольник (рис. 2 б). Проекции тетраэдров разбивают плоскость бв на шесть секторов.

Коэффициенты заполнения, определяющие длительности формирования базовых векторов выходного напряжения инвертора, можно найти по выражению [7]

,(1)

где D = [d₁ d₂ d₃] - вектор коэффициентов заполнения инвертора; U_ОП = [U_б U_в U_z]^T - матрица проекций вектора выходного напряжения на оси координат в системе бвz; U_Б - матрица проекций базовых векторов, используемых на тактовом интервале, на оси координат в системе бвz, имеющая вид

.(2)

Здесь U_бi - проекция на ось б i-го базового вектора напряжения; U_вi _ проекция i-го базового вектора напряжения на ось в; U_zi - проекция i-го базового вектора на ось z. Поскольку на тактовом интервале для формирования вектора выходного напряжения используется три ненулевых базовых вектора, то можно заметить, что i = 1, 2, 3. Кроме того, используется и один из двух нулевых базовых векторов.

Выражение (1), приведенное в [7], не оптимально для использования в программах управляющих микроконтроллеров, поскольку требует значительных вычислительных ресурсов. Для увеличения скорости вычисления коэффициентов заполнения при реализации управляющих алгоритмов матрица (2) может быть представлена в виде

,

матричный преобразователь частота

где µ_i - коэффициент передачи инвертора; и_i - угол поворота вектора выходного напряжения; К₁₁, К₁₂, К₂₁, К₂₂, К₃₁, К₃₂ - коэффициенты, вычисляемые по выражениям:

;(3)

;(4)

;(5)

;(6)

;(7)

.(8)

Стоит заметить, что коэффициенты, определяемые выражениями (3-8), рассчитываются только один раз при создании программы для управляющего микроконтроллера, тогда как сам микроконтроллер ведет расчет только по выражению (2) с использованием заранее полученных коэффициентов - это существенно снижает требования к его ресурсам.

Три ключа выпрямителя позволяют формировать шесть векторов тока, как это показано на рис. 3. Номера на рис. 3 соответствуют номерам открытых ключей выпрямительного звена VT1-VT3 на рис. 1.

Коэффициенты заполнения для выпрямителя v₁ и v₂ могут быть найдены по следующим выражениям [6]:

;

,

где и_r - угол поворота вектора входного тока.

Для обеспечения согласованной работы выпрямителя и инвертора, требуемой для матричного преобразователя частоты, вычисляются шесть коэффициентов заполнения, которые учитывают все возможные комбинации векторов входного тока и векторов выходного напряжения на тактовом интервале: ; ; ; ; ; .

На рис. 4 приведено распределение на тактовом интервале участков формирования заданных векторов входного тока и выходного напряжения на примере первого сектора на рис. 3 и первого сектора на рис. 2 б.

На интервале, определяемом г_0, формируются нулевые векторы входного тока и выходного напряжения. Для формирования нулевых векторов должны быть разомкнуты ключи выпрямителя и замкнуты ключи верхней или нижней стоек инвертора.

Имитационное моделирование матричного преобразователя. При создании компьютерной модели преобразователя особое внимание нужно уделить проверке правильности разработанного алгоритма управления. Была разработана имитационная модель непосредственного матричного преобразователя частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки в среде MatLab Simulink, использующая в своем составе программный блок Simulink, имитирующий работу контроллера (рис. 5). На основании предложенного алгоритма управления была создана управляющая программа на встроенном языке высокого уровня MatLab. Блок SwM на рис. 5 содержит как силовую часть преобразователя, так и управляющий блок, реализующий разработанный алгоритм управления.

На рис. 6 а приведена диаграмма напряжения выходной фазы а при чисто активной нагрузке, а на рис. 6 б - спектральная характеристика этого напряжения. На рис. 6 б и далее величина гармоники по оси ординат откладывается в процентах относительно амплитуды основной гармоники с частотой 50 Гц. На рис. 7 а и б показаны временная диаграмма потребляемого матричным преобразователем тока входной фазы А и его спектральная характеристика соответственно. Как видно из рис. 7 б, в спектральном составе вблизи основной частоты присутствуют кратные ей низкочастотные гармоники с частотами 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 Гц. Это связано с тем, что ток в звене постоянного тока матричного преобразователя частоты вследствие чисто активного сопротивления нагрузки является пульсирующим с низкой частотой, что ухудшает качество потребляемого матричным преобразователем тока. Хотя чисто активная нагрузка встречается достаточно редко, данный спектральный состав может привести к некоторому увеличению размеров входного фильтра, который должен быть рассчитан на наихудший случай. Выявленный недостаток, ввиду сходства алгоритмов управления, будет присутствовать во всех существующих типах матричных преобразователей частоты, что требует дальнейшего совершенствования методов их управления.

На рис. 7 в, г приведены вид и спектральный состав входного тока матричного преобразователя для фазы А при большой индуктивности нагрузки. Как видно из рисунка, при активно-индуктивном характере нагрузки матричного преобразователя частоты качество потребляемого тока существенно улучшается и в его спектре практически отсутствуют низкочастотные гармоники. Это объясняется малыми пульсациями тока, потребляемого инвертором, при выраженном индуктивном характере нагрузки.

На рис. 8 а приведены временные диаграммы входных линейных токов матричного преобразователя частоты при несимметричной нагрузке. Как видно из рисунка, формы тока по фазам имеют существенное отличие. Спектральный состав фазных токов можно увидеть на рис. 8 б.

Как видно из рисунка, рядом с полезной гармоникой тока фазы A появляется кратная ей низкочастотная гармоника, амплитуда которой составляет более 20% от основной.

Таким образом, моделирование показало, что спектр входного тока преобразователя частоты при использовании входного фильтра позволяет сформировать на входе синусоидальный ток высокого качества. Кроме того, качество входного тока и выходного напряжения разработанного преобразователя аналогично качеству данных величин в существующей топологии [3]. Также можно сделать вывод, что разработанный преобразователь полностью удовлетворят требованиям к преобразователям частоты, работающим в составе дизель-генераторных установок.

В результате проведенных исследований:

1. Предложена усовершенствованная топология силовой части матричного преобразователя частоты с четырехпроводной схемой подключения нагрузки, требующая меньшее количество транзисторов, чем существующие топологии.

2. Разработан алгоритм управления, обеспечивающий работу предложенного преобразователя.

3. Создана компьютерная модель силовой части преобразователя с системой управления в среде имитационного моделирования технических систем MatLab Simulink, полностью подтверждающая работоспособность предложенных технических решений.

4. Выявлены основные закономерности изменения качества потребляемого преобразователем тока при изменении характера нагрузки, что может быть использовано при дальнейшей модернизации алгоритмов управления различными типами матричных преобразователей с целью улучшения качества входного тока.

Список литературы

1. Хватов, О.С. Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.М. Тарасов // Вестн. Иван. гос. энергет. ун-та. - 2010. - Вып. 2. - С. 53-56.

2. Климов, В.П. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока / В.П. Климов // Силовая электроника. - 2008. - Вып. 4. - C. 58-61.

3. Fan, Y. Novel Four-leg MatrixConverter / Y. Fan, W. Patrick // IEEE Industrial Electronics. IECON 2006 - 32nd Annual Conference on. - 2006. - P. 2694-2699.

4. Kolar, J.W. Novel three-phase AC - DC - AC sparse matrix converter / J.W. Kolar, M. Baumann, F. Schafmeister, H. Ert // Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition. - 2002. - Vol. 2. - P. 777-791.

5. Wei, L. Matrix converter topologies with reduced number of switches / L. Wei, T.A. Lipo, H. Chan // Proceedings of Power Electronic Specialists Conference.VPEC'02. - 2002. - P. 125-130.

6. Huber, L. Space Vector Modulated Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter with Input Power Factor Correction / L. Huber, D. Brorojevic // IEEE Trans. Ind. Applicat. - 1995. - Vol. 31. - Issue 6. - P. 1234-1246.

7. Shen, D. Fixed-frequency space-vector-modulation control for three-phase four-leg active power filters / D. Shen, P.W. Lehn // Electric Power Applications, IEE Proceedings. - 2002. - Vol. 149. - Issue 4. - P. 268-274.

Размещено на Allbest.ru