А А Шавёлкин - Асимметричный многоуровневый преобразователь частоты - страница 1

Страницы:
1  2  3 

УДК 621.314

А.А. Шавёлкин, канд. техн. наук.

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

АСИММЕТРИЧНЫЙ МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

В настоящее время для высоковольтных электроприводов переменного тока эффективным решени­ем с позиций качества выходного напряжения и входного тока являются многоуровневые преобразовате­ли частоты (МПЧ). Практически стандартом сейчас являются каскадные МПЧ (КМПЧ) типа "Perfect Harmony" или "ТМситуе - MV", которые имеют на фазу шесть однофазных автономных инверторов на­пряжения (АИН) с изолированными источниками постоянного тока (ИПТ). Сложность схемы КМПЧ определяет их высокую стоимость. Поэтому потребитель отдает предпочтение более дешевым решениям на базе трехуровневого АИН с фиксирующими диодами (ACS1000, ACS6000 и Simovert MV), хотя они и значительно уступают по качеству выходного напряжения. Эти решения базируются на высоковольтных ключах класса (5.5-6.5 кВ).

Уменьшить количество АИН на фазу МПЧ при сохранении или увеличении количества уровней в выходном напряжении позволяет принцип асимметрии. При этом в фазе КМПЧ используются АИН с различными кратными минимальному напряжению напряжениями ИПТ [1,3]. Но вопрос реализации асимметричных КМПЧ (АКМПЧ) связан с решением ряда проблем:

- Циркуляция энергии между АИН в фазе с изменением направления передачи энергии ИПТ. Ис­пользование ИПТ с двусторонней передачей энергии приводит к неоправданному усложнению схемы

МПЧ.

- Асимметрия напряжений и загрузки ИПТ обуславливает неэффективность использования со­ставных многофазных схем выпрямления (МСВ) для подавления гармоник входного тока АКМПЧ [2,4].

- Использование высоковольтных ключей с повышенными потерями энергии предполагает мини­мальное количество их переключений.

Проблемным для изготовителей является и вопрос использования полупроводниковых приборов различного класса напряжения, что характерно при использовании кратностей напряжения 1:2:3, 1:2:4 и т.п. [1-3]. В этом плане компромиссным является использование кратности 1:1:4, где используется толь­ко два напряжения и типа ключей. При этом необходимо решить задачу снижения количества переклю­чений высоковольтных ключей и потерь энергии на их переключение.

Цель работы. Разработка принципов реализации АКМПЧ при кратности напряжений инверторов 1:1:4.

При этом необходимо решить следующие задачи:

- исследовать возможности исключения цир­куляции энергии, снижения потерь в ключах и дос­тижения желаемых показателей качества выходного напряжения и входного тока МПЧ;

- разработать методики и выполнить расчет параметров схемы, включая потери энергии в клю­чах;

- разработать модели для исследования пред­ложенных решений.

Основные результаты работы. Структура си­ловых цепей МПЧ приведена на рис.1. Входной трансформатор имеет девять комплектов вторичных обмоток (на рис.1 не показан). Максимальная отно­сительная амплитуда первой гармоники фазного напряжения МПЧ (при шести уровнях в его полу­волне) составляет 4=6-1.15=6.9 (один уровень соот­ветствует напряжению U). При выходном напряже­нии 6 кВ значение U=710 В, 4U=2840 В (при на­пряжении 6/л/3 кВ и соединении обмоток АД в "А", значение и=410В, 4U= 1640В). Одинаковые напря­жения АИН1,2 предполагают идентичный принцип формирования их напряжений [3]. При этом задан­

4 ^

18-иМСВ

_ _ ИПТ3

I  U| |      | \4U

—1-1-1 I-1-1-1 I-1-

ИПТ1

ИПТ2

АИН1

АИН2

12-и МСВ.

н

ИПТ1 I U I

Jl_

ИПТ2

АИН1

12-и МСВ.

І

ИПТ1 I U I

±

АИН1

ИПТ2 U I

АИН3

1

 

АИН2

 

 

 

 

ИПТ3

I U I

АИН3

н-

1

 

АИН2

 

 

 

 

ИПТ3 I U I

АИН3

Рис.1. Структура силовых цепей МПЧ

а

ое напряжение иЗАд=Аііпв формируется как сумма напряжений и3 АИНЗ (включается при иЗАд>2) и ио=(и1+и2)=(изАд_ и3) (рис.2), которое отрабатывается методом ШИМ из напряжений ИПТ1,2. При этом нагрузка на ИПТ1,2 делится поровну. Активная мощность ИПТ определяется 1-й гармоникой выходного

напряжения   соответствую-щего   АИН.   Амплитуда   первой гармоники и3

U3m(l)

4 • 4

cos Q-i

(Qi

: arcsin

2

—), для ио Uom(i) = А - Uзт(і). Зависимость U3m(1)=f(A) приведена на рис.З. Из нее следует,

А

что при 2.2<А<4.7 значение U3m(1)>A, т.е. возникает циркуляция энергии между АИН1,2 и АИНЗ, а ИПТ 1,2 изменяют направление передачи энергии. Таким образом, следует решить две задачи: перерас­пределить загрузку АИН с целью исключения циркуляции энергии между АИН и обеспечить минимум переключений ключей АИНЗ. Минимум переключений АИНЗ достигается при использовании модуля­ции напряжения задания третьей гармоникой (рис. 4), когда полуволна напряжения и3 формируется из одного (А 3<0) или двух импульсов (А 3>0) .

4

2 0 -2 -4

и

2 0 -2

7

V

AsinO

|_

7

\

/

V

_и3

 

і

\

4

77

 

 

1

\

 

 

_

х

""1

 

 

 

 

\

/

 

 

 

 

7

7

 

 

 

 

и0=и

АД - из

 

 

77

\\

Л

- /,

Г/Г.

71

 

Л

\\

71

 

 

0.005     0.01     0.015     0.02     0.025 0.03

Рис. 2. Принцип формирования напряжения фазы МПЧ

о.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

у

-—

 

 

/

у

г

 

 

 

У

 

 

 

 

У

1

 

 

 

у

 

 

 

 

А

1 2        3        4        5 6

Рис. 3. Зависимость U3m(1)=f(A)

4.5

4 3.5

3 2.5

2 1 .5

1

0.5 0

-0.5

 

из

 

inQ+A3sh

г3в

 

 

\_

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

AsinA

 

 

 

 

 

 

L

h

 

S±iitft\?---

Д

 

 

 

 

 

 

 

г

 

 

 

 

 

 

 

71

у

 

 

 

 

\

 

 

/

 

/

 

 

 

 

 

\

 

/

7

L

 

 

 

 

\

 

 

/ і

І

L_l

a;

 

 

 

X

 

Г

\__у

 

 

 

 

\

4.5

4 3.5

3 2.5

2 1.5

1

0.5 0

и3

As

in9+A3si

n3e

 

 

 

 

 

7

 

1 I

r

Г

 

1

 

 

к 1

A sin A

1

j .

 

 

 

 

 

 

 

vl

4 jiiWrlT/---

 

 

V

L

 

....

f

 

 

 

 

 

\

 

 

~1

 

7

1

\ /

l

 

 

 

 

j

/

 

'

 

I

 

\

у

 

1/

 

 

1

[ ]

 

I

г

 

Л"

 

V

9i

\_1

(h\

 

і і

 

 

_5

 

0.002    0.004    0.006 0.008

0.002   0.004  0.006  0.008 0.01

а) б) Рис. 4. Принцип модуляции третьей гармоникой: А3<0 (а), А3>0 (б)

4 • 4

Значение А3 определяется из условия U3 () =-cos Q1 £ А . При условии U12m(1)=0 соответствую-

щий угол: Q1 = arccosAp . С другой стороны изад1 = AsinQ1 + A3sin(3Q1 )= 2.   Отсюда амплитуда треть-

16

ей гармоники

2 - AsinQ1 sin (3Q1)

(1)

и

0

0.01

A

Для исключения влияния изменения пара­метров, необходимо предусмотреть запас по первой гармонике для АИН1 и АИН2. При усло­вии U12m(1)=0.05 соответствующий

Q             (A -0.05)p К угол Q] = arccos--—. Как показал анализ,

1 16

решение с U12m(1)>0.05 в области значений А=2.31-2.75 можно достичь использованием модуляции 3-й и 9-й гармониками [3]. При этом напряжение зада­нияизад1 = AsinQ + A3sin(3Q) + A9 sin(9Q). Введе­ние 9-й гармоники приводит к деформированию формы иЗАд1 (рис. 5) и появлению дополнитель­ных переключений АИН3. Моменты переключе­ния (Oj) определяются решением уравнения

AsinQ + A3sin(3Q) + A9 sin(9Q) = 2 . (2)

-2

-5L

0.02

__Л_/

\ A__.

 

 

 

1 1

O2

O

 

1 1

 

изад1

 

 

 

j

і

 

 

 

л

 

___

[

1_

 

 

V \

/ V

 

 

-|

 

из

 

 

 

n/2

1—1 |_

 

Рис. 5. Принцип модуляции третьей и девятой гармониками

При отсчете O от 0 до п/2 имеем ряд решений (до 5) для (2) при этом нечетным значениям j соответ­ствуют участки нарастания иЗАд1 (рис. 5), а четным участки убывания. Тогда:

U

3m(1)

16

(cosQ1 - cosQ2 + cosQ3 - cosQ4 + cosQ5).

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

А А Шавёлкин - Асимметричный многоуровневый преобразователь частоты

А А Шавёлкин - Исследование принципов формирования входного тока многоуровневого преобразователя частоты