Варианты минимизации силовых схем многоуровневых

преобразователей частоты

Мельгуй А.И., студент; Шавёлкин А.А., доц., к.т.н.

(Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина)

В настоящее многоуровневые преобразователи частоты (МПЧ) находят применение в электроприводах среднего напряжения (до 6-10кВ) большой мощности (0.3-10МВт). Наиболее известны каскадные МПЧ фирм ASIRobicon (серия «Perfect Harmony», «New Baby Harmony»)  и   Toshiba Mitsubishi  Electric («TMdrive – MV») выпускаемые в классе напряжений от 2.3 до 7.2кВ. В отечественной практике используются МПЧ на напряжение 6кВ. МПЧ идентичны по характеристикам, в обоих типах используется мультиплексорная ШИМ, обеспечивающая идентичную загрузку Инверторов в фазе. Отличие только в количестве инверторов на фазу 5 и, соответственно, 6 для ТМ. При этом инверторный блок включает в себя 60 и 72 IGBT.

Рассмотрим возможности минимизации силовых схем указанных МПЧ при использовании принципа несимметрии напряжений источников питания постоянного тока. Исходим из условия сохранения характеристик вход – выход МПЧ. При различных напряжениях количество инверторов на фазу можно уменьшить до трех.

Вариант 1. Серия «Perfect Harmony»  с 5 инверторами на фазу. Эквивалентным по количеству уровней выходного напряжения будет выбор соотношения напряжений U₁:U₂:U₃=1:1:3. Такое соотношение, когда два источника одинаковы, позволяет использовать при формировании напряжения мультиплексорную ШИМ в сочетании с квантованием по уровню. Принцип квантования иллюстрирует рис.1. При этом заданное синусоидальное напряжение u_Z формируется как сумма напряжений u₃ (получено из напряжения источника U₃) и напряжения ошибки квантования u₀, которое отрабатывается методом ШИМ из напряжений источников  U₁ и U₂. При этом нагрузка на U₁ и U₂ делится пополам. Нагрузка между источниками распределяется в соответствии со значениями первой гармоники выходного напряжения соответствующих инверторов. Зависимость амплитуды первых гармоник напряжений u₃₍₁₎  и u₀₍₁₎  от амплитуды А  фазного напряжения МПЧ для 2≤А≤5 в относительных единицах (по отношению к U₁) приведена на рис.2. На интервале 0≤А<2 функции формирования выходного напряжения выполняются инверторами с источниками U₁ и U₂  при этом u₀₍₁₎=А. 

Некоторые особенности имеет реализация ШИМ для источников U₁ и U₂. Соответствующие инвертора работают в режиме однополярной ШИМ. Для них используются двухполярные модулирующие напряжения треугольной формы, сдвинутые друг относительно друга на четверть периода. За счет этого эффективная частота коммутации напряжения в 4 раза больше частоты модулирующего напряжения.

Диаграмма выходного напряжения фазы МПЧ приведена на рис.3. Следует отметить наличие кратковременных выбросов  в кривой фазного напряжения в момент переключения источника U₃ при одновременном изменении полярности u₀. Длительность их составляет несколько микросекунд, и никакого влияния они не оказывают, при необходимости их можно исключить посредством незначительного выходного фильтра.

не регулирования выходного напряжения.

Выпрямители источников U₁ и U₂ каждой фазы питаются от комплектов  обмоток, образующих 12ти-фазную систему. Напряжение U₃ получается последовательным соединением трех выпрямителей, которые питаются от комплектов  обмоток, образующих 18ти-фазную систему. Таким образом, даже при  0≤А<2, когда нагружены только два источника обеспечивается  полное подавление 5-ой и 7-ой гармоник тока, потребляемого из сети. Для питания инверторов одного уровня напряжения разных фаз МПЧ используются комплекты обмоток с одинаковыми фазами напряжения. Это обеспечивает полное подавление субгармоник во входном токе МПЧ.

Характерным для несимметричных схем является некоторая перегрузка источника U₃ (в пределах до 16%) при амплитуде выходного напряжения А≥3.2 (рис.2) при одновременной недогрузке U₁ и U₂. При сохранении мощности входного трансформатора это предполагает соответствующий запас по мощности выпрямителей и  комплектов вторичных обмоток, образующих источник U₃ или пропорциональное снижение мощности МПЧ. В тоже время режим работы соответствующего инвертора существенно облегчен – частота переключений равна частоте выходного напряжения (коммутационные – динамические потери в ключах отсутствуют).

 Вариант 2. Серия «TMdrive – MV»  с 6 инверторами на фазу. Эквивалентным по количеству уровней выходного напряжения будет выбор соотношения напряжений U₁:U₂:U₃=1:2:3. При разных напряжениях источников для управления целесообразно использовать квантование по уровню с отработкой ошибки квантования методом ШИМ напряжения источника U₁. Однако при этом в диапазоне 1.11≤А≤2.3 и 4.2≤А≤5.2 направление передачи энергии источника  U₁  изменяется на противоположное, что недопустимо. Как показал анализ, исключить это явление можно корректировкой уровней квантования и закона задания напряжения.  Принцип корректировки иллюстрирует рис.4. Он состоит в том, что в диапазоне 1.11≤А≤2.3 изменяется значение уровня квантования В, определяющего продолжительность подключения источника U₂ – интервал α. на рис.4.

Зависимость B=f(A), рассчитанная из условия равенства нулю первой гармоники напряжения инвертора источника U₁ приведена на рис.5. С достаточной степенью точности эта зависимость может быть аппроксимирована полиномом (на рис.5 зависимости практически слились):

.

Поскольку значение напряжения на первом уровне ≤1 это приводит к появлению ступеньки в кривой напряжения фазы МПЧ (рис.4) и уменьшению его  первой гармоники, что можно компенсировать увеличением задания для инвертора источника U₁ с коэффициентом 1.15 на первом уровне.

В диапазоне 4.2≤А≤5.2 для корректировки достаточно изменить значение соответствующего уровня квантования с 4 на 4.15. Первая гармоника выходного напряжения фазы МПЧ при этом практически не меняется.

Получить напряжения источников указанной кратности можно в данном случае при последовательном соединении двух (12ти-фазная схема выпрямления для источника U₂) и трех выпрямителей (18ти-фазная схема выпрямления для источника U₃). Равноценные источники в фазах МПЧ при этом питаются от комплектов обмоток с одинаковым сдвигом фаз. Фаза субгармоник входного тока при этом определяется выходным током фазы МПЧ. Таким образом, субгармоники в каждой из фаз сети образуют симметричную трехфазную систему и взаимно компенсируются.

Проблема возникает только с источником U₁ поскольку обеспечить одновременного подавления высокочастотных гармоник и субгармоник невозможно. Так,  для подавления субгармоник выпрямители этого уровня напряжения в фазах МПЧ должны питаться от комплектов обмоток с одинаковым сдвигом фаз, но тогда отсутствует подавление высших гармоник. Если для питания выпрямителей этого уровня использовать комплекты обмоток, образующих 18ти- фазную  систему снижается эффективность подавления субгармоник. В силу этого имеет смысл уменьшать их загрузку до минимума, что существенно снижает долю гармоник, вносимых ими в результирующий входной ток. Но в приводит к перегрузке источников других уровней U₂ и U₃.