Предварительный заряд конденсаторов в схеме гибридного многоуровневого преобразователя частоты

 

 Веретенникова Т.Е., студент; 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 схеме несимметричного гибридного  многоуровневого преобразователя частоты на базе схемы трехуровневого автономного инвертора напряжения (АИН) с двумя дополнительными однофазными АИН в выходной фазе при соотношении напряжений базового и дополнительных  инверторов 6:3:1 АИН с минимальным напряжением может быть выполнен без источника постоянного тока. Здесь возникает важный момент – обеспечение предварительного заряда конденсатора дополнительного АИН (ДАИН).

 Анализ показывает, что вопрос достаточно просто решается в комплексе с зарядом конденсаторов всех АИН при использовании на входе базового АИН управляемого выпрямителя или при введении в его входную цепь зарядных резисторов R₃, которые по окончании заряда шунтируются контактором. Конденсаторы дополнительных АИН заряжаются через нагрузку без использования дополнительного оборудования, но в схему добавляется контактор для отключения выпрямителей ДАИН3 на период заряда. При этом важно обеспечить выравнивание напряжений на них по фазам, напряжения и токи в фазах нагрузки при этом должны быть минимальными, исключая возможность создание даже минимального значения вращающего момента двигателя. Такая возможность достигается при формировании на фазах двигателя переменного напряжения при фиксированной частоте. Причем оба ДАИН работают в режиме выпрямления, их напряжения вычитаются из напряжения базового АИН, т.е. к нагрузке прикладывается разница напряжений конденсаторов БАИН и  ДАИН. Базовый АИН работает в режиме 6ти-тактного коммутатора при длительности проводящего состояния ключей половина периода, его напряжение u₁ принимает два значения  +U  и –U. Напряжения ДАИН по отношению к u₁ изменяется в противофазе, что соответствует передаче энергии в звено постоянного тока.

Если пренебречь сопротивлениями схемы ДАИН и нагрузки, то конденсаторы в фазе соединяются последовательно (рис.1,а). И здесь возникает проблема: при одинаковом токе заряда конденсаторов и различной их емкости (С₁>С₃) скорость заряда будет различной, различны и конечные значения напряжения на них. Причем длительность заряда С₁ существенно большею.

Анализ показывает, что проблема заряда может быть решена в три этапа (рис.3): вначале на интервале (0, t₁) заряжаются конденсаторы С₆ и С₁ базового и ДАИН1 (ДАИН3 при этом работает в режиме u₃=0) с зарядом С₁ до напряжения U _С10; затем на интервале (t₁, t₂) осуществляется одновременный заряд всех конденсаторов до полного заряда С₁ и С₃, завершается процесс дозарядом конденсаторов базового АИН  Второй этап завершается по достижении u_С1=U после чего базовый АИН переводится в нулевое состояние, когда выходы соединены с одним  полюсом источника.

Закон изменения напряжения на входе БАИН u_С  определятся эквивалентной емкостью цепи, приведенной к входу БАИН (рис.1,б). Каждому этапу заряда соответствует своя эквивалентная емкость. Поскольку БАИН работает в режиме 6ти-тактного коммутатора всегда две фазы включены параллельно и последовательно с третьей (рис.1,а).

Этап 1. Эквивалентная емкость фазы  мкФ, для параллельных ветвей С_Ф11=2С_Ф1, эквивалентная емкость выходной цепи БАИН . Результирующая емкость мкФ.

Этап 2. Эквивалентная емкость фазы мкФ, для параллельных ветвей С_Ф21=2С_Ф1, эквивалентная емкость выходной цепи БАИН.

 Результирующая емкость мкФ.

Этап 3. Результирующая емкость .

Напряжение на входе БАИН , где: τ=R_ЗС_Р – постоянная времени заряда. Напряжение на конденсаторе С₆ соответственно в два раза меньше.

Осциллограммы напряжений на конденсаторах ДАИН1 (этап 1) в двух выходных фазах u_CA  и u_CВ, а также напряжения u_Ф и тока i_Ф фазы нагрузки приведены на рис.2. С учетом характера нагрузки (неподвижный АД характеризуется практически одним реактивным сопротивлением Z_K=6.3Ом, Х_K=6.05Ом) ток нагрузки практически синусоидален и отстает от напряжения на угол φ близкий к 90˚. Данные двигателя 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.

Действующее значение тока:  (k=0.45 - коэффициент преобразования напряжения 6-ти тактного АИН). Форма напряжения также несколько сглаженная.

При известном токе, если совместить начало отсчета 0¹ с моментом переходом тока через ноль, приращение напряжения на конденсаторах ДАИН за половину периода – интервал (–φ, (π-φ)):

.

За период приращение .

Из рис.2 нетрудно заметить, что напряжения конденсаторов ДАИН в разных фазах изменяются по идентичным законам и близки по значению.

Скорость изменения напряжения на конденсаторе С₆ . Перейдем к конечным приращениям  за i - тый  период T выходного тока , где .

Приравняем значения приращений=. Отсюда закон изменения амплитуды выходного тока. Максимальное значение его амплитуды:

 .                                                     (1)

Емкость С₃ в 6.6 раза меньше С₁, а конечные напряжения на них составляют U_C1=U и U_C3=3U. При одинаковом токе заряда за время второго этапа напряжение приращение u_C1 составит u_C1=3U/6.6=0.45U. Соответственно напряжение u_C1 к концу первого этапа u_C10 =0.55U и, если пренебречь напряжением нагрузки:

После преобразования получаем  или . Отсюда:

  .                                                               (2)

В соответствии с (2) можно задаться t₁ и сопротивлением зарядного резистора.

Исходя из того, что В не должно превышать 10-20% от амплитуды номинального тока двигателя можно в соответствии с (1) рассчитать частоту выходного напряжения. Аналогичным образом можно рассчитать  и другие параметры процесса заряда. Следует отметить, что расчет дает приближенные значения, поэтому начало третьего этапа фиксируется по достижению u_C1=U. Значение напряжения u_C3 не является критичным и устанавливается при подключении ДАИН3 к выпрямителю.

Осциллограмма процесса предварительного заряда по  результатам моделирования приведена на рис.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АНОТАЦІЯ

Веретеннікова Т.Є., Шавьолкін О.О. Попереднє заряджання конденсаторів у схемі гібридного багаторівневого перетворювача частоти. Відносно схеми несимметричного гібридного перетворювача частоти з різними напругами інверторів у вихідних фазах розглянуто принцип реалізації попереднього заряду конденсаторів у колі постійного струму інверторів з мінімальною напругою, що не мають джерела живлення.