Преобразователь частоты с трехуровневым инвертором напряжения

Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и трехуровневым инвертором напряжения

частотный преобразователь Веспер

В наше время преобразователи частоты с использованием трехуровневого инвертора позволяет повысить напряжение системы. Если не требуется рекуперация электроэнергии в питающую сеть, то целесообразно применение 12-пульсного диодного выпрямителя с последовательным соединением трехфазных мостов. Если средняя точка соединения друг с другом диодных мостов не соединяется с точкой соединения друг с другом конденсаторов инвертора, то выпрямленное напряжение диодного выпрямителя имеет сравнительно небольшие пульсации, и применение дросселя, сглаживающего выпрямленный ток, не требуется. При этом для подключения 12-пульсного выпрямителя к питающей сети необходимо использовать трехобмоточный трансформатор.

Схема преобразователя частоты с 12-пульсным диодным выпрямителем и трехуровневым транзисторным инвертором, питающая сеть представлена трехфазным источником напряжения, который содержит фазные ЭДС esn (n = 1, 2, 3) и фазные индуктивности ls. Трехфазный источник имеет фазные напряжения usn и фазные токи isn. В схеме изображен также пропорционально¬интегральный регулятор действующего напряжения сети. На вход этого регулятора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений сети. На выходе регулятора формируется амплитуда фазных ЭДС сети Esm.

К питающей сети подключен трансформатор, имеющий две вторичные обмотки. Одна из этих обмоток соединена в звезду, другая — в треугольник. Напряжения одной вторичной обмотки сдвинуты по фазе относительно напряжений другой обмотки на 30 эл. град. Первичная обмотка трансформатора имеет индуктивности рассеяния lt1, вторичные обмотки имеют индуктивности рассеяния lt2. Коэффициент трансформации трансформатора равен Ктр. Первичная обмотка имеет фазные ЭДС etn, вторичные обмотки имеют фазные ЭДС e1n и e2n и фазные токи i1n и i2n (n = 1, 2, 3).

Токи и напряжения питающей сети преобразуются диодным выпрямителем в выпрямленный ток id и в выпрямленное напряжение ud.

К цепи выпрямленного напряжения подключены последовательно соединенные конденсаторы, имеющие емкости с1 и с2 и активные сопротивления rc. В конденсаторах протекают токи ic1 и ic2. Емкости имеют напряжения uc1 и uc2, напряжения на конденсаторах равны urc1 и urc2.

К цепи выпрямленного напряжения подключены также защитные резисторы rz через транзисторы kz1 и kz2. В цепях защиты протекают токи iz1 и iz2.

Транзисторный инвертор преобразует выпрямленные токи idi1, idi2, idi3 в фазные токи нагрузки in (n = 1, 2, 3), а напряжения конденсаторов urc1 и urc2 — в напряжения фаз нагрузки un. В плечах транзисторного моста протекают токи iinm (номер фазы n = 1, 2, 3; m = 1, 2, 3, 4). Токи в диодах инвертора, подключенных к средней точке конденсаторов, ikn1 и ikn2 (n = 1, 2, 3).

Нагрузка активно-индуктивная. В ней учитываются индуктивности 1н и активные сопротивления фаз. Также на вход системы управления в частотный преобразователь Hyundai поступают сигналы по токам в фазах нагрузки in и по напряжениям конденсаторов urc1 и urc2. На выходе регулятора формируются импульсы управления транзисторами. Система управления обеспечивает поддержание заданного действующего тока нагрузки, а также ограничение напряжений конденсаторов.

Математическое описание силовой части схемы осуществляется при разделении ее на взаимосвязанные подсхемы. Для выполнения этой процедуры осуществляется замена конденсаторов зависимыми источниками напряжения urc1 и urc2

Затем зависимые источники напряжения переносятся в другие ветви схемы. При этом источник urc1 переносится в те ветви, которые соединяются друг с другом в положительном полюсе цепи выпрямленного напряжения, а источник urc2 переносится в те ветви, которые соединяются в отрицательном полюсе.

Дальнейшее разделение системы на взаимосвязанные части осуществляется по магнитному потоку взаимной индукции между обмотками трансформатора.

Производные токов и токи в первичной обмотке трансформатора определяются после определения аналогичных параметров во вторичных обмотках:

При дальнейшем разделении схемы на подсхемы вторичные обмотки трансформатора и диодные мосты преобразуются в звенья выпрямленного тока с эквивалентными параметрами. В результате выполнения указанных преобразований исходная схема распадается на подсхемы. Все подсхемы, взаимосвязаны через зависимые элементы.

частотный преобразователь

Подсхемы системы с преобразователем частоты

Подсхемы системы с преобразователем частоты с диодным выпрямителем и двухуровневым транзисторным инвертором

частотный преобразователь Веспер

Подсхемы связаны друг с другом зависимыми источниками напряжения e3, urc, и тока id, ic, а также зависимыми элементами l3 и k3.
Следует отметить, что система управления содержит регулятор действующего тока нагрузки, который воздействует на амплитуду напряжений управления инвертора. Определение действующего тока нагрузки и работа регулятора описываются выражениями.
При использовании указанного математического описания разработана программа расчета электромагнитных процессов в схеме преобразования частоты.

По этой программе выполнен расчет электромагнитных процессов в системе, где трудится преобразователи частоты ТПЧ-250-380 мощностью 250 кВт, разработанным в ФГУП ЦНИИСЭТ. Питание преобразователя осуществляется от трансформатора мощностью 400 кВА, имеющего напряжение вторичной обмотки 380 В, номинальную частоту 50 Гц и напряжение короткого замыкания 5,8 %. При этом индуктивности рассеяния фаз трансформатора равны 0,0666 мГн.

Нагрузка преобразователя имеет мощность 250 кВт при коэффициенте мощности 0,8. Номинальное напряжение нагрузки 380 В, номинальная частота 50 Гц. При этом активное сопротивление нагрузки 0,3697 Ом, индуктивность 0,8825 мГн. Входной трехфазный дроссель отсутствует, но вместо него учитываются индуктивности кабелей 1 мкГн.

В одной из модификаций преобразователя сглаживающий дроссель имеет индуктивность 0,5 мГн и активное сопротивление 0,01 Ом, емкость конденсаторной батареи 1000 мкФ. Частота ШИМ инвертора 1058 Гц. На рис. 7.3 представлен результат расчета, который выполнен для заданного номинального тока нагрузки 475 А. Заданная частота тока нагрузки принята в расчете равной 52 Гц, то есть несколько выше номинального значения, чтобы проявить в результатах характерную особенность системы — наличие двух 6-пульсных преобразовательных мостов с близкими частотами пульсаций.

Характерной особенностью рассматриваемого процесса являются значительные пульсации выпрямленного тока id и напряжения конденсаторной батареи urc. В связи со сравнительно небольшой разницей в частотах напряжения сети (50 Гц) и нагрузки (52 Гц) в указанных токе и напряжении существуют биения с частотой 6(52-50)=12 Гц.
Токи и напряжения в рассматриваемой схеме в том же режиме работы, рассчитанные при индуктивности сглаживающего дросселя 1 мГн и емкости конденсаторной батареи 2000 мкФ.

Следует отметить, что значительные пульсации выпрямленного напряжения, выявленные в расчетах, отмечались и при испытаниях преобразователя частоты ТПЧ-250-380, при работе его на асинхронный короткозамкнутый двигатель. Осциллограмма токов и напряжений преобразователя частоты в режиме работы, близком к номинальному, представлена на рис. 7.5.

На осциллограмме приведены мгновенные значения напряжения urc, входного тока инвертора idi, линейного выходного напряжения инвертора ил и фазного выходного тока ii. Снята осциллограмма в режиме работы, близком к номинальному режиму преобразователя ТПЧ-250-380: входное действующее напряжение 400 В, входной действующий ток 444 А, выпрямленное напряжение 520 В, выпрямленный ток 550 А, действующее линейное напряжение на выходе 392 В, действующий ток на выходе 474 А, частота выходного тока 50 Гц.

Колебания выпрямленного напряжения преобразователя частоты, обусловленные малой емкостью конденсатора и малой индуктивностью дросселя, приводят к возникновению колебаний в напряжениях и токах инвертора. В преобразователе ТПЧ-250-380 для подавления колебаний был использован следующий алгоритм корректировки управляющих воздействий (аналогичные алгоритмы используются и в некоторых других системах.

Для выявления колебаний входного напряжения инвертора осуществляется его цифровая фильтрация:
где udf — отфильтрованное напряжение конденсатора в цепи постоянного напряжения, urc — факти-ческое напряжение конденсатора, Tud — постоянная времени фильтра напряжения.

Экспериментальная проверка алгоритма подавления колебаний выполнена «Лабораторией преобразовательной техники». Этот алгоритм использован в ряде приводов и источников электроэнергии.

 Частотные преобразователи Powtran

2013727151524558

Преобразователь частоты с диодным выпрямителем

Преобразователь частоты с диодным выпрямителем и двухуровневым инвертором напряжения

a5e0630cbea0508f3d9bdc5810c9041f

Во многих промышленных электроустановках, а также в электроприводах небольшой и средней мощности, в которых не требуется рекуперация энергии, широкое применение находят преобразователи частоты с трехфазными диодными выпрямителям и двухуровневыми инверторами напряжения. Такие преобразователи работают со сравнительно высоким коэффициентом мощности, потребляемой из сети (0,96-0,99). При этом 6-пульсные диодные выпрямители искажают напряжения питающей сети существенно меньше, чем 6-пульсные выпрямители на однооперационных тиристорах.

Питание преобразователя частоты осуществляется от трехфазного источника напряжения, который содержит фазные ЭДС esn (n = 1, 2, 3) и фазные индуктивности ls. Фазы имеют напряжения usn, в фазах протекают токи isn. Поскольку при выполнении расчетов заданным параметром является обычно действующее напряжение сети Us, в схеме изображен также пропорционально-интегральный регулятор действующего напряжения. На вход этого регулятора поступают сигналы по мгновенным значениям напряжений сети. На выходе регулятора формируется амплитуда фазных ЭДС питающей сети.

В рассматриваемой схеме на входе выпрямителя изображены также фазные дроссели с индуктивностью и активным сопротивлением фаз. На выходе выпрямителя изображен сглаживающий дроссель с индуктивностью ld и активным сопротивлением rd.

Фазные дроссели предназначены для ограничения токов короткого замыкания (при пробое диодов) и для уменьшения искажений напряжения питающей сети. При их использовании сглаживающий дроссель во многих случаях может быть исключен. К недостаткам применения фазных дросселей следует отнести то, что падение напряжения на них приводит с снижению выпрямленного напряжения и напряжения нагрузки.

Использование сглаживающего дросселя не приводит с существенному снижению выходного напряжения преобразователя частоты. В то же время сглаживающий дроссель позволяет ограничить пульсации выпрямленного тока диодного выпрямителя и практически исключить проникновение в питающую сеть высокочастотных гармонических составляющих токов и напряжений, обусловленных работой инвертора в режиме ШИМ. По этим причинам чаще используются схемы без фазных дросселей, но со сглаживающими дросселями.

В диодном выпрямителе вентили рассматриваются как идеальные ключевые элементы. Напряжения фаз диодного моста uvn, выпрямленный ток id, выпрямленное напряжение ud.

К цепи выпрямленного напряжения (после сглаживающего дросселя) подключен конденсатор, имеющий емкость c и активное сопротивление rc. В конденсаторе протекает ток ic. Емкость имеет напряжение uc, напряжение на конденсаторе равно urc. К цепи выпрямленного напряжения подключен также защитный резистор rz через транзистор kz. В резисторе протекает ток iz.

Транзисторный инвертор преобразует входной ток idi в фазные токи нагрузки in (n = 1, 2, 3), а напряжение конденсатора urc — в напряжения нагрузки un. В плечах транзисторного моста протекают токи iin (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6). Ключевые элементы в плечах инверторного моста (транзисторы и обратные диоды) описываются функциями kin (n=1, 2, 3), которые принимают значение 1, если плечо открыто, и значение 0, если плечо закрыто.

Нагрузка на частотный преобразователь активно-индуктивная. В ней учитываются индуктивности 1Н и активные сопротивления фаз ГН.

При математическом описании осуществляется замена конденсатора зависимым источником напряжения. Затем осуществляется перенос этого источника в другие ветви схемы: в ветвь выпрямленного тока транзисторного инвертора, в цепь защитного резистора и в ветвь сглаживающего дросселя.

Кроме того, трехфазная обмотка источника питания и диодный выпрямитель преобразуются в звено выпрямленного тока с зависимыми элементами еэ, 1э, k3.

В результате указанных преобразований исходной схемы она распадается на подсхемы.