Минимизация схемы несимметричного многоуровневого преобразователя частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минимизация схемы несимметричного многоуровневого преобразователя частоты

Веретенникова Т.Е., студент; Уланов Р.В., асс. ; Шавёлкин А.А., доц., к.т.н. (Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина)

В настоящее время в асинхронном электроприводе большой мощности при напряжении до 6-10кВ используются многоуровневые преобразователи частоты (МПЧ). МПЧ обеспечивают высокое качество выходного напряжения (синусоида аппроксимируется ступенчатой многоуровневой кривой) и входного тока, потребляемого от питающей сети переменного тока. Однако сложность силовых цепей МПЧ обуславливает их высокую стоимость и на данный момент целесообразность их применения ограничивается мощностями свыше 1МВт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В связи с этим прослеживается тенденция к минимизации схем МПЧ с использованием принципов несимметрии [1], применением гибридных схем, причем даже в ущерб унификации силовых цепей. Принцип несимметрии используется для каскадных МПЧ. Это позволяет уменьшить количество однофазных автономных инверторов напряжения (АИН) в фазе МПЧ до трех и даже до двух, при сохранении или улучшении качества выходного напряжения. Рассмотрим возможности минимизации схемы несимметричного МПЧ с тремя однофазными АИН на фазу при соотношении напряжений источников постоянного тока АИН 6:3:1[1].

Схема фазы гибридного несимметричного МПЧ с двумя однофазными АИН на выходах базового трехуровневого АИН (БАИН) приведена на рис.1. Соотношение напряжений в звене постоянного тока АИН 6:3:1. Нулевой вывод источника N образован делителем напряжения (6U и 6U) на конденсаторах С6 и соединен с нулевым выводом БАИН. Второй дополнительный АИН (ДАИН2) подключен к источнику с напряжением 3U. Первый дополнительный АИН (ДАИН1) не имеет источника питания, в звене постоянного тока его только конденсатор С1. При этом ДАИН1 используется только для обмена реактивной мощностью с нагрузкой без потребления активной. Таким образом, в сравнении с вариантом несимметричного каскадного МПЧ [4] при том же количестве ключей инверторного блока количество источников уменьшено с 9 (9 АИН с изолированными источниками постоянного тока) до 5 (БАИН использует 12ти- пульсную схему выпрямления с двумя источниками).

В работе [1] показана целесообразность использования комбинированного управления, когда в зоне малых амплитуд выходного напряжения А используется многоуровневая ШИМ с переходом на амплитудное регулирование с квантованием по уровню при амплитудах А>3.54.

Активная мощность Р1 передаваемая ДАИН1 при практически синусоидальном выходном токе iH определяется первой гармоникой его напряжения u1(1). При этом равенство Р1=0 предполагает условие u1(1)=0. В [1] показано, что данное условие обеспечивается предварительной модуляцией напряжения задания третьей гармоникой uЗАД=Аsin?+А3sin3? и применением модифицированной ШИМ с коэффициентом ослабления К. Т.е. во всем диапазоне регулирования напряжения используется только один параметр А3 или К. Соответствующие зависимости параметров в функции от А приведены в табл.1. Поскольку первая гармоника выходного напряжения МПЧ создается только БАИН, максимально возможная амплитуда напряжения МПЧ уменьшается. Это частично компенсируется предварительной модуляцией 3-ей гармоникой (АМАХ=10).

многоуровневый каскадный преобразователь частота

Таблица 1

Емкость конденсатора С1 должна быть достаточной для поддержания пульсаций напряжения на нем на заданном уровне, например, при коэффициенте пульсаций КП не выше 5%. С этой целью следует выполнить анализ гармонического состава входного тока id ДАИН1.

При практически синусоидальном выходном токе iН=i(1) и обеспечении режима, когда первая гармоника выходного напряжения ДАИН и(1) =0, а иd=Ud пульсации id обусловлены наличием высших гармоник выходного напряжения, наибольшее влияние при этом оказывает 3-я гармоника:

Переменные составляющие (наибольшая из них вторая гармоника) тока конденсаторов обуславливают пульсации напряжения на них. Вторая гармоника тока имеет амплитуду:

При использовании относительных единиц (U=1):

.

Значение емкости для однофазных АИН выбирается исходя из необходимого коэффициента пульсаций КП=UПm/U:

Значение емкости зависит от частоты выходного напряжения, ее минимальное значение исходя из соотношения U/f=const составит ?МАХ(АМИН/АМАХ).

У ДАИН2 (Ud=3) вторая гармоника входного тока обусловлена первыми гармониками напряжения и тока, ее амплитуда

Ее максимальное значение определим для области пониженных частот, где Um(1)=A

Произведем расчет для асинхронного двигателя (АД) с данными UНОМ=6кВ, РНОМ=875кВт, IНОМ=100А, параметры схемы замещения ZK=6.3Ом, ХK=6.05Ом (LK=19.27mГн), RK=1.71Ом.

Максимальное значение U*m(3)=0.767 имеет место при А=1.7. Принимаем КП=0.05.

Предельное значение амплитуды выходного фазного напряжения соответствует 10U. Тогда значение U=4898/10=489.8В. Минимальное значение частоты исходя из соотношения U/f=const составит ?=?МАХ(1.7/10)=53.38рад/с. Полагаем, что нагрузка по току неизменная, тогда: . При этом для ДАИН1:

Для ДАИН2 Ud=3 и:

.

С учетом этого при Ud=3 емкость С3 для БАИН в (0.384/0.283)3=4.06 раза меньше и составит 5108мкФ.

БАИН с учетом модуляции 3ей гармоникой включается в процесс формирования напряжения при А>3.5 (до этого его напряжение равно 0) при амплитудном регулировании. Это проявляется в ухудшении гармонического состава входного тока АИН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ток, потребляемый по положительному полюсу источника іdP, представляет собой сумму токов верхних ключей всех фаз К1А, К1В, К1С (рис.1), которые определяются выходными токами фаз БАИН и имеют одинаковое значение при сдвиге на 1/3 периода выходной частоты (2?/3). Длительность проводящего состояния ключей определяется для каждой из фаз условием (в относительных единицах): Asin?+A3sin3?=4.5. При этом значение угла ?1 и относительная длительность ?=(?-?1)/? изменяется в широком диапазоне значений.

Три пульсации за период іdP (аналогично для отрицательного полюса іdN) свидетельствуют о наличии третьей гармоники. Амплитуду пульсаций третьей гармоники IdPm(3) определим по синусной и косинусной составляющей в разложении Фурье тока іdP:

.

Максимальное значение составляет I*dpm(3)=0.6 и имеет место при АМИН=3.54. Тогда Idpm(3) =0.6Im(1). Минимальное значение частоты исходя из соотношения U/f=const составит ?=?МАХ(3.54/10)=111.2рад/с.

Значение емкости C6 на входе БАИН

=1734мкФ

и в 12 раз меньше, чем у ДАИН1. Поскольку ДАИН1 не имеет источника схема МПЧ должна предусматривать предварительный заряд конденсатора и стабилизацию напряжения на нем.

Перечень ссылок

1. Шавёлкин А.А., Уланов Р.В. Принципы реализации несимметричных каскадных многоуровневых преобразователей частоты. Наукові праці ДонНТУ. Серія: “Електротехніка та енергетика”, випуск 128: Донецьк: ДонНТУ, 2007, с.80-84.

Размещено на Allbest.ur