УДК 621.314
КАЧЕСТВО ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ КАСКАДНЫХ МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
Ханин А.В., студент.
Донецкий национальный технический университет, г.Донецк, Украина
Источник Вісник кафедри «Електротехніка» за підсумками наукової діяльності студентів. - Донецьк, ДонНТУ, 2011 стр. 47-50
На сегодняшний день наблюдается тенденция интенсивного внедрения силовой полупроводниковой техники в устройства передачи электроэнергии по ЛЭП, а также в высоковольтных электроприводах переменного тока. В первом случае мы получаем так называемые гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) на базе полупроводниковых преобразователей (ПП). Во втором – потребитель получает частотный электропривод (ЧЭП), позволяющий оптимизировать технологический процесс и режимы работы электрооборудования [1].
Общим вопросом для указанных случаев является построение рациональных схем ПП для среднего и высокого уровня напряжений, обладающих более высокими показателями качества выходного напряжения. Наилучшие показатели имеют так называемые каскадные многоуровневые преобразователи частоты (КМПЧ), используемые без дополнительных фильтров. При напряжении 6 кВ КМПЧ типа «Perfect Harmony» или «TМdrive – MV» имеют 6 однофазных автономных инверторов напряжения (АИН) с изолированными источниками постоянного тока (ИПТ) на фазу. Выходное напряжение фазы КМПЧ имеет N=13 уровней. Основной недостаток таких КМПЧ – высокая сложность силовых и информационных цепей преобразователя и, как следствие, высокая стоимость.
Принцип асимметрии при использовании в фазе КМПЧ АИН с разными уровнями напряжения кратными минимальному напряжению ИПТ, позволяют упростить силовую схему преобразователя частоты (ПЧ) при сохранении или увеличении количества уровней в выходном напряжении фазы КМПЧ.
Цель работы. Исследование и сравнение качества выходного напряжения КМПЧ типа «Perfect Harmony» и несимметричного КМПЧ (НКМПЧ) с кратностью напряжений АИН 1:3:6.
В качестве показателя качества используется коэффициент несинусоидальности кривой напряжения (коэффициент гармоник – THD):
где U(i), U(1) – действующие значения i-й и первой гармоник выходного напряжения соответственно [2].
Исследования преобразователей будем проводить с помощью пакета Matlab и его приложения Simulnk. В качестве нагрузки была взята R-L нагрузка.
На рис.1 изображена математическая модель одной фазы упрощенного (без схем выпрямления) преобразователя частоты с 6-ю однофазными АИН на фазу. Схема достаточно сложная, для формирования управляющих импульсов в схеме использована так называемая мультиплексорная ШИМ [3].
На рис.2 изображена математическая модель одной фазы упрощенного НКМПЧ. Силовая часть схемы существенно упростилась. Управление ключами преобразователя осуществляется амплитудным способом, отличающимся простотой реализации и малым числом переключения ключей инверторов за период выходного напряжения (и как следствие малыми коммутационными потерями в полупроводниковых элементах).
Такие сложные многоуровневые схемы преобразователей используют преимущественно для высоковольтного оборудования, поэтому исследования будем проводить для уровня выходного фазного напряжения – 6 кВ. Результаты моделирования приведены на рис.3, 4.
Рисунок 1 – Математическая модель одной фазы КМПЧ с шестью АИН на фазу
Рисунок 2 – Математическая модель одной фазы НКМПЧ с тремя АИН на фазу
Рисунок 3 – Выходное напряжение одной фазы КМПЧ
Рисунок 4 – Выходное напряжение одной фазы НКМПЧ
Проведем аналогичные действия для разных значений частоты и амплитуды выходного напряжения преобразователей. При этом будем регистрировать значение коэффициента гармоник в кривой фазного напряжения на нагрузке, результаты экспериментов сведены в табл.1.
Таблица 1 – Результаты исследования
|
Частота выходного напряжения, Гц |
Действующее значение выходного напряжения, В |
Коэффициент гармоник THD, о.е. |
|
|
НКМПЧ с кратностью напряжений АИН – 1:3:6 |
КМПЧ с шестью АИН на фазу |
||
|
10 |
1200 |
0.1425 |
0.9677 |
|
20 |
2400 |
0.0680 |
0.2664 |
|
30 |
3200 |
0.0438 |
0.2370 |
|
40 |
4800 |
0.0385 |
0.1975 |
|
50 |
6000 |
0.0230 |
0.1508 |
|
60 |
6000 |
0.0228 |
0.1465 |
Как видим, на всем диапазоне изменения частоты значение THD в схеме с НКМПЧ почти в шесть раз меньше чем в схеме с КМПЧ. При этом достигается значительное упрощение силовой схемы ПЧ (вместо 24 полностью управляемых ключей в одной фазе в случае КМПЧ получаем 12 ключей в фазе НКМПЧ), уменьшается частота коммутаций ключей АИН. Однако использование НКМПЧ имеет ряд особенностей, а именно, необходимо исключать циркуляцию энергии между разными АИН одной фазы [3]. Также асимметрия напряжений АИН обуславливает использование полупроводниковых ключей на разный класс номинального напряжения, что несколько усложняет и удорожает ремонт и обслуживание схем ПЧ.
Перечень ссылок
1. Колпаков А., Карташев Е. Алгоритмы управления многоуровневыми преобразователями/ А. Колпаков // Науч.-прикл. журнал «Силовая электроника», 2009. – Ч.2. – С.57-65
2. Шавёлкин А.А. Каскадные многоуровневые преобразователи частоты с улучшенными энергетическими характеристиками/ А.А.Шавёлкин // Наук.-приклад. журнал «Технічна електродинаміка» Тем. випуск. Силова електротехніка і енергоефективність.-Київ, 2010. – Ч.1. – С.65-70
3. Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О.О. Шавьолкін, О.М.Наливайко. – Краматорськ, ДДМА, 2008. - 326с