Автономный инвертор тока в режиме источника синусоидального напряжения

Авторы: В. В. Писанюк, А. А. Шавелкин
Источник: Електротехнічні і електромеханічні системи: Матеріали XVII Всеукраїнської студентської науково-технічної конференції, м. Севастополь, 18-20 квітня 2012 р. – Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2012.

Представлены принципы реализации автономного инвертора тока в режиме источника синусоидального напряжения. Рассмотрено формирование напряжения в выходных фазах инвертора при использовании релейных регуляторов. Предложен алгоритм управления ключами инвертора тока, представлены результаты моделирования на активно-индуктивную нагрузку.

Автономный инвертор тока, высоковольтный преобразователь частоты, источник тока, источник напряжения, запираемые по цепи управления ключи, релейный регулятор, коэффициент гармоник, широтно-импульсная модуляция.

Регулируемый электропривод является неотъемлемым элементом системы энергосбережения. В значительной степени это касается электропривода переменного тока большой мощности, где используются высоковольтные асинхронные двигатели. При этом на первый план выходят вопросы качества преобразования энергии и к преобразователю частоты (ПЧ) предъявляются повышенные требования [1]. Для высоковольтного электропривода переменного тока классическим решением стало использование каскадных многоуровневых преобразователей частоты (МПЧ) типа Perfect Harmony, схема которых достаточно сложна и при напряжении 6 кВ содержит 6 однофазных автономных инверторов напряжения на выходную фазу. Входные цепи содержат 18 выпрямителей с емкостными фильтрами, которые получают питание от трансформатора с 18 комплектами вторичных обмоток.

Более простое и перспективное решение в плане получения выходного синусоидального напряжения возможно на базе автономного инвертора тока (АИТ) с выходным емкостным фильтром при использовании ШИМ [1-4]. Тем более что форма напряжения близкая к синусоидальной обеспечивается во всем диапазоне регулирования выходной частоты. Известны решения высоковольтных ПЧ (ВПЧ) на базе АИТ [1], которые достаточно успешно конкурируют с МПЧ, например, Power Flex 7000 (фирма Rockwell Аutomation).

Структура силовых цепей ПЧ на базе АИТ в сочетании с активным выпрямителем тока существенно проще, чем у МПЧ. Схема АИТ выполнена на запираемых по цепи управления тиристорах с большими потерями на переключение. Это ограничивает возможности формирования выходного тока АИТ. Для снижения количества переключений используется избирательная ШИМ [1] с подавлением высших гармоник (5-й, 7-й, 11- й) при семи импульсах в полуволне выходного тока АИТ. При этом по данным [1] коэффициент гармоник (THD) выходного тока АИТ завышен и составляет порядка 5%. Несколько лучшие показатели для выходного тока и напряжения АИТ получены в [3, 4] при использовании релейного регулятора для формирования тока нагрузки.

Известные решения применительно АИТ [1-4] ориентированы на формирование тока. Вместе с тем, вопрос использования АИТ в качестве источника синусоидального напряжения на данный момент времени изучен недостаточно. Проблема упрощения силовых цепей ВПЧ при соответствии показателей качества выходного напряжения и входного тока стандартам [5] на данное время остается актуальной. Ее решение будет способствовать расширению областей применения ВПЧ. Вместе с тем, перспективным является использование ПЧ на базе АИТ и в низковольтном электроприводе, где они вполне смогут конкурировать с классическим решением на базе двухуровневого инвертора с активным выпрямителем напряжения.

Цель работы. Разработать принципы использования АИТ в режиме источника синусоидального напряжения.

При этом следует решить следующие задачи:

исследовать возможность использования релейного принципа регулирования при формировании выходного напряжения АИТ, разработать соответствующую систему управления АИТ;

разработать математическую модель и выполнить исследования предложенного решения.

Изложение основного материала. Схема трехфазного мостового автономного инвертора тока (АИТ) на запираемых по цепи управления ключах (рис.1) содержит выходной емкостной фильтр высших гармоник, который также обеспечивает коммутацию тока нагрузки при запирании ключей АИТ. Независимо от используемого алгоритма АИТ формирует на выходе ток іи импульсной формы, который является суммой токов конденсатора іс и нагрузки iн (iи=iс+iн) Форма выходного напряжения АИТ при этом близкая к синусоидальной. При пульсирующем выходном токе АИТ емкостной фильтр существенно меняет его режим работы, что усложняет задачу получения синусоидального тока нагрузки.

Предложен принцип управления АИТ в режиме источника синусоидального выходного напряжения. При этом используются три релейных регулятора напряжения для каждой из выходных фаз АИТ, для которых задается допустимое отклонение δ выходного фазного напряжения Uф относительно заданного значения Uзад = U1m sin ωt.

Рисунок 1 – Структура силовых цепей АИТ

Так для положительной полуволны Uф, если Uф < Uзад + δ, то формируется сигнал P = 1 на включение ключа, обеспечивающего протекание в выходной фазе АИТ тока положительной полярности, в противном случае P = 0. Для отрицательной полуволны uФ аналогичным образом формируется сигнал N на включение ключа, обеспечивающего протекание в выходной фазе АИТ тока отрицательной полярности.

Формирование импульсов управления ключами АИТ осуществляется в соответствии с первой гармоникой тока iи (рис.2), которая отстает на угол β от напряжения Uф. Выходное напряжение при этом является базовой величиной, относительно которой определяются токи схемы АИТ. При этом необходимо учитывать следующие особенности использования схемы АИТ для коммутации тока источника Id:

нельзя разрывать ток источника – всегда должны проводить ключи в двух или трех плечах моста;

следует исключить к. з. нагрузки, когда замкнуты 3 ключа АИТ подключающие выходы к одному зажиму источника;

при использовании бестоковых пауз (нулевых состояний) для регулирования выходного тока следует замыкать ключи одного плеча для протекания тока источника.

Рисунок 2 – Векторная диаграмма для выходной фазы АИТ

Принцип формирования выходного напряжения АИТ иллюстрирует рис.3, где период выходного напряжения разбит на шесть интервалов (τ1-τ6). На интервале τ1 токи в выходных фазах а и с положительны и формируются при отпирании ключей К1 и К5 соответствующими релейными регуляторами (Ра и Рс). Ток в фазе в при этом отрицательный и протекает через постоянно открытый ключ К4. При запирании ключей К1 и К5 отпирается ключ К3 в фазе в, обеспечивая протекание тока источника через ключи К3 и К4.

Рисунок 3 – Принцип формирования выходного напряжения АИТ

Напряжения управления ключами формируются в соответствии с уравнениями:

Значения переменных, принимающих единичное значение τi = 1 на соответствующих интервалах (τ1-τ6) определяются с учетом угла сдвига фаз β выходного тока АИТ относительно напряжения задания. Значение угла β в векторной системе может быть рассчитано по составляющим тока Isy и Isx. Следует отметить, что данный алгоритм предполагает минимальное количество переключений ключей, поскольку в течение 1/6 периода выходной частоты переключения отсутствуют и соответствующий ключ АИТ открыт постоянно.

Значение тока Id на входе АИТ задается исходя из следующих соображений. Минимальное значение, при котором достигается отработка заданного значения выходного напряжения АИТ определяется первой гармоникой выходного тока Idмин = Iиm(1). Это соответствует коэффициенту модуляции по амплитуде μ = 1 и минимальному количеству переключений ключей АИТ. При этом напряжение на входе АИТ Ud максимальное, его значение можно определить исходя из равенства активной мощности на входе и выходе АИТ (потерями в схеме АИТ пренебрегаем)

Если на входе АИТ в качестве источника тока используется выпрямитель по трехфазной мостовой схеме, максимальное значение Ud = 2.34Uфс (Uфс – фазное напряжение сети переменного тока). Таким образом, реализация преобразователя частоты на базе АИТ возможна при прямом подключении к сети без трансформатора и имеется возможность некоторого увеличения напряжения АИТ, например, при увеличении частоты выходного напряжения свыше 50 Гц.

При увеличении значения Id > Idмин коэффициент модуляции μ уменьшается при неизменном значении Iиm(1). Таким образом, система адаптивна по заданию и не требует точного расчета значения тока Id, как это осуществляется в известных системах с работой в режиме источника тока. Это же можно отметить и по отношению к значению угла β – система сохраняет работоспособность, разве что при некотором ухудшении формы напряжения. Вместе с тем, при снижении μ частота переключения ключей fм растет, что приводит к увеличению потерь энергии в них.

Частота переключения ключей АИТ также определяется заданным значением отклонения δ и растет при его уменьшении. И здесь нужен разумный компромисс между достигаемым качеством выходного напряжения (достигается при уменьшении δ), выбором значения Id и частоты переключения ключей. При снижении амплитуды выходного напряжения напряжение Ud на входе АИТ пропорционально снижается – потери переключения в ключах уменьшаются, и значение отклонения β.

Скорость изменения выходного напряжения АИТ определяется емкостью конденсатора выходного фильтра. Естественным является желание ее уменьшить, но это опять же приводит к увеличению частоты переключения ключей АИТ.

Применительно ВПЧ при использовании высоковольтных ключей частота fм должна быть минимальной, для низковольтных ключей с малыми потерями переключения ограничения по частоте не являются определяющими.

Моделирование предложенных решений. Моделирование выполнено при использовании программного пакета MATLAB. Разработана математическая модель, которая включает в себя (рис.6): трехфазный мост на IGBT, идеальный источник тока с входом задания Id, активно-индуктивную нагрузку (Load), выходной емкостной фильтр (filtr), систему управления (SU), а также комплект измерительных приборов (на рис.4 не показан). Задаются частота (ƒ) и амплитуда выходного напряжения (Um), заданное отклонение δ (delta), угол β(faza)

В процессе исследований рассматривалась отработка АИТ выходного напряжения при различных значениях параметров схемы и настройке релейного регулятора напряжения. В табл. 1 приведены показатели работы схемы АИТ при RL – нагрузке с Zн = 10 ОМ, cos π = 0.8, емкости фильтра С = 90 мкФ (47% от значения емкости фильтра необходимой для компенсации реактивной мощности нагрузки при частоте 50 Гц) и различных значениях тока Id на входе при частоте выходного напряжения 50 Гц. При частоте выходного напряжения ƒвых=50 Гц значение угла β = 21.5° (задавалось значение β = π/8=22.5°). Заданное значение Um = 1250 В, δ = 40 В. Значение Idмин = 106 А. Коэффициент гармоник (THD) определялся при учете гармоник с порядком до 40. Для сравнения в [4] достигается коэффициент гармоник тока THDi = 1.56%.

Рисунок 4 – Модель для исследования АИТ

Таблица 1 – Результаты моделирования

Осциллограммы выходного напряжения АИТ (UФ), напряжения задания ключа К1, выходного тока фазы инвертора іи и тока фазы нагрузки ін при ƒвых = 50 Гц приведены на рис.5.

ур

Рисунок 5 – Принцип формирования выходного напряжения АИТ

Выводы

Предложенный принцип управления обеспечивает работу АИТ в режиме источника синусоидального напряжения. При этом гармонический состав выходного напряжения АИТ соответствует стандартам [5] во всем диапазоне регулирования выходного напряжения и частоты.

Литература

Лазарев Г. Преобразователи для частотно-регулируемого электропривода / Г.Лазарев //Силовая Электроника. – 2008. – №8(132). – С.14-23.
Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковым преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер / / – Екатеринабург: УРО РАН. – 2000. – 654 с.
Волков А.В. Асинхронный электропривод на основе автономного инвертора тока с широтно-импульсной модуляцией/А.В.Волков, А.И. Косенко// Техн. електродинаміка. – Київ: ІЕД НАНУ. – 2008. – Тематичний. вип., Ч.1. – С.81–86.
Волков А.В. Исследование энергетических показателей асинхронного электропривода на основе автономного инвертора тока/ А.В.Волков, А.И. Косенко// Електротехнічні та комп’ютерні системи. – К: “Техніка”. – 2011. – №(03) 79. – С. 40 –41.
ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.