УДК 621.314

 

 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)

Источник: Вестник кафедры "Электротехника". По итогам научной деятельности студентов. Тематический выпуск. - Донецк, ДонНТУ 2008 г.

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.

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 i_H 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 u_ЗАД=Аsinθ+А₃sin3θ 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 (А_МАХ=10).

 

Таблица 1

Интервал А	А3  (U1m(1)=0)	U1m(1)=0.05±0.02	U1m(1)= - 0.05±0.02
(1.5 - 1.8)		А3+= А3+0.02	А3-= А3 - 0.07
(1.8 - 2.4)		k+= k - 0.1	k-=f(A)+0.3
(2.4 - 3.54)		А3+= А3 - 0.08	А3-= А3+0.08
(3.54 – 4.7)	А3=1.094А – 5.1	A3+=1.09×A - 5.07	A3-=1.09×A - 5.2
(4.7 – 6.54)	А3=А – 6.5	A3+=A - 6.5	A3-=A - 6.4
(6.54 – 7.7)	А3=А – 7.68	A3+=A - 7.64	A3-=A - 7.79
(7.7 – 10)	А3=А – 9.49	A3+=A - 9.51	A3-=A - 9.455

 

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

При практически синусоидальном выходном токе i_Н=i₍₁₎ и обеспечении режима, когда первая гармоника выходного напряжения ДАИН и₍₁₎ =0, а и_d=U_d  пульсации i_d  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 К_П=U_Пm/U:

.                              

Значение емкости зависит от частоты выходного напряжения, ее минимальное значение исходя из соотношения U/f=const составит ω_МАХ(А_МИН/А_МАХ).

У ДАИН2 (U_d=3) вторая гармоника входного тока обусловлена первыми гармониками напряжения и тока, ее амплитуда . Ее максимальное значение определим для области пониженных частот, где U_m(1)=A

Произведем расчет для асинхронного двигателя (АД) с данными U_НОМ=6кВ, Р_НОМ=875кВт, I_НОМ=100А, параметры схемы замещения Z_K=6.3Ом, Х_K=6.05Ом (L_K=19.27mГн), R_K=1.71Ом.

Максимальное значение U*_m(3)=0.767 имеет место при А=1.7. Принимаем К_П=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 ω=ω_МАХ(1.7/10)=53.38рад/с. Полагаем, что нагрузка по току неизменная, тогда: . При этом для ДАИН1:

Для ДАИН2 U_d=3 и:

.

 С учетом этого при U_d=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.

Ток, потребляемый по положительному полюсу источника і_dP,  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 (2π/3). Длительность проводящего состояния  ключей определяется для каждой из фаз условием (в относительных единицах): Asinθ+A₃sin3θ=4.5. При этом значение угла θ₁ и относительная длительность α=(π-θ₁)/π  изменяется в широком диапазоне значений.

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

.

Максимальное значение составляет  I*_dpm(3)=0.6 и имеет место при А_МИН=3.54. Тогда I_dpm(3) =0.6I_m(1). Минимальное значение частоты исходя из соотношения U/f=const  составит ω=ω_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.

 

 

АНОТАЦІЯ

Веретеннікова Т.Є., Шавьолкін О.О.,Уланов Р.В. Мінімізація схеми несиметричного багаторівневого перетворювача частоти. Робота присвячена розгляду можливостей мінімізації схеми каскадного багаторівневого перетворювача частоти за рахунок виключення 4 джерел постійного струму. Це досягається заміною трьох однофазних інверторів з найбільшою напругою трирівневим інвертором і використанням трьох інверторів з мінімальною напругою без джерела живлення.