УДК 621.314

 

 задание режима «реактивной ячейки» в схеме

гибридного многоуровневого преобразователя частоты 

 

Пожидаев А.В., студент; Шавёлкин А.А., доц., к.т.н.

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

 

В схеме гибридного  многоуровневого преобразователя частоты (ГМПЧ) на базе схемы четырехуровневого автономного инвертора напряжения (ЧАИН) с дополнительным однофазным инвертором АИН в выходной фазе дополнительный инвертор может быть выполнен без источника постоянного тока – в режиме «реактивной ячейки» [1]. При этом соотношение уровня напряжения базового ЧАИН и АИН составляет 3:1. Режим работы «реактивной ячейки» предполагает исключение активной мощности передаваемой АИН, при этом напряжение конденсатора АИН используется только для формирования формы выходного напряжения фазы ГМПЧ.

Цель работы. Исследовать возможности реализации режима реактивной ячейки применительно схемы ГМПЧ на базе ЧАИН.

Исключение активной мощности передаваемой АИН достигается при условии равенства первой гармоники выходного напряжения U_1m(1)=0. Для этого необходимо перераспределить загрузку базового ЧАИН и АИН, что возможно при использовании модуляции напряжения задания 3ей- и 9ой- гармониками (по отношению к частоте основной гармоники с амплитудой А) с амплитудами А₃ и А₉ [1]. На практике обеспечить строгое выполнение  условия U_1m(1)=0 невозможно. В [5] предложено для стабилизации напряжения конденсатора РЯ использовать релейный принцип регулирования. При этом расчет производится из условия  U_1m(1)=±(0.03-0.05), т.е. каждому значению А приводится в соответствие две комбинации А₃₊, А₉₊ и А_3-, А_9-. Таким образом, обеспечивается возможность уменьшать (при U_1m(1)>0 конденсатор разряжается) или увеличивать напряжение на конденсаторе (при U_1m(1)<0 конденсатор заряжается). Чтобы сузить область решений принято фиксированное значение А₃=0.15А. Это позволяет достигнуть наибольшего возможного значения А_МАХ (эффект перемодуляции) без ухудшения гармонического состава напряжения МПЧ. При наличии нескольких решений выбор осуществляется из условия минимального THD. На основании расчета получены зависимости  А₉₊=f(A) и А_9-=f(A) приведенные на рис.1.

Третья и девятая гармоники являются общим для всех фаз корректирующим параметром при обеспечении условия Р₁=0 (U_m(1)=0). Использование релейного регулятора, работающего по отклонению мгновенного значения напряжения конденсатора u_C от заданного значения U,  накладывает некоторые особенности. При ограниченной емкости конденсатора АИН напряжение на нем u_C имеет высокочастотные пульсации, причем пульсации напряжения на конденсаторах в фазах  МПЧ сдвинуты во времени. Поэтому в момент переключения релейного регулятора различными будут значения u_C (различные начальные условия) для АИН в фазах МПЧ. Второй фактор состоит в том, что на такте Т работы релейного регулятора гармоники тока конденсаторов в фазах  будут вносить разное влияние на конечное за такт значение напряжения u_C. Рассмотрим это влияние для основной гармоники, оказывающей наибольшее влияние.

Исходя из равенства активных мощностей на входе и выходе ДАИН:

                             (1)

где  θ=ωt (ω – угловая частота основной гармоники), φ – угол сдвига фаз между основными гармониками выходного напряжения U_m(1) и тока I_m (полагаем, что ток синусоидальный). Тогда ток конденсатора:

                             (2)

Для других фаз вторая гармоника токов конденсатора i₂ имеет фазу  и . Значение Т в общем случае Т=2πk+θ₁. С учетом того, что среднее значение  i₂ на интервале 2πk равно 0, для средних значений токов за  такт получены выражения:

,

,

.

Рассмотрен случай, когда начало такта Т совпадает с моментом изменения полярности тока  i₂₁ с отрицательной на положительную полярность и достигается максимальное среднее значение токов (при θ₁=π/2):

, ,.

Таким образом, высшие гармоники тока конденсаторов в фазах оказывают разное влияние на величину приращения напряжения  u_C за такт работы, что, в конце концов, приведет к «уходу» от заданного значения напряжений конденсаторов в фазах, где их напряжения не контролируются.

Формирование напряжений в фазах МПЧ осуществляется в соответствии с напряжением задания и независимо. Поэтому реализация системы стабилизации напряжений  АИН предполагает использование трех релейных регуляторов и введение корректирующего параметра А_9j с их выходов для каждого из трех каналов формирования задающего напряжения. Задание значений A₉₊ и A_9- осуществляется в табличной форме в функции А.