Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Desktop / 4 / 4.3

.5.doc
Скачиваний:
8
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
856.58 Кб
Скачать

22

4.3.5 Каскадні схеми з послідовним з’єднанням інверторів

Каскадні БАІН в своїй основі використовують послідовне з’єднання однофазних інверторів напруги для комутації напруги n ізольованих джерел постійного напруги і їх фазна вихідна напруга формується складанням напруги цих джерел.

Основним елементом каскадного БАІН, зазвичай, є мостова однофазна схема АІН, що являє собою симетричний комутатор на чотирьох ключах з ізольованим джерелом постійної напруги U в діагоналі постійного струму. Кожна фаза містить n послідовно з’єднаних АІН (рис.4.109,а). Зниження напруги окремих джерел в √3 разів досягається при з’єднанні фаз БАІН за схемою «зірка» (рис.4.109,б) оскільки формується фазна напруга на навантаженні. У якості джерела постійного струму звичайно використовується некерований трифазний мостовий випрямляч з конденсатором на виході, що отримує живлення від окремої вторинної обмотки трифазного трансформатору (на рис.4.109 показано для інвертору UZn). Трансформатор використовується у якості багатофазного джерела змінного струму (див. п.2.3, п.2.4) .

Такий варіант побудови БАІН при однаковій напрузі джерел слід віднести до симетричних (рис.4.109,а). В кожному з АІН (наприклад, UZ1) завжди відкриті та проводять струм два ключі. При цьому мають місце наступні значення вихідної напруги:

- замкнуті ключі К1, К2 або К3, К4 (в залежності від напряму струму) - вихідна - напруга UВИХ = 0;

- замкнуті ключі К1, К4 UВИХ = + U;

- замкнуті ключі К2, К3 UВИХ = - U.

О скільки при послідовному з’єднанні напруги окремих АІН складаються, отримуємо значення вихідної напруги фази БАІН UВИХ={0;±U;±2U;…±nU}, а загальну кількість рівнів у кривій фазної напруги (включаючи нульовий)

N=(2n +1).

Кількість ключів на фазу БАІН к=4n. Схема фази каскадного інвертора на IGBT транзисторах подана на рис.4.110.

Принцип формування вихідної напруги фази БАІН, що містить три АІН, демонструє рис.4.111. Відзначимо, що для керування ключами використано принцип однополярної модуляції (п.3.2.1.3) і напруга кожного АІН має три рівні +U, 0, -U.

На рис.4.111 також показані комбінації ключів, що замикаються. При цьому зміна вихідної напруги окремого АІН досягається при перемиканні лише одного ключа.

У схемі каскадного БАІН, як і у інших типів інверторів можливо амплітудне регулювання вихідної напруги. Воно можливо як за рахунок змінювання кількості рівнів вихідної напруги, так і за рахунок змінювання тривалості кожного рівня при незмінній загальній кількості рівнів (звичайно у певних межах).

Амплітуда першої гармоніки вихідної напруги АІН

,

д е α – відносна до π тривалість напівхвилі напруги АІН.

При різній тривалості α перші гармоніки напруги АІН1- АІН3 (рис.4.111) також різні, в той час, як вихідний струм для всіх інверторів однаковий. Це визначає, що активні потужності які передаються АІН в навантаження те ж різні. Таким чином, різним буде і завантаження джерел АІН. Це обумовлює неефективність використання багатофазних схем випрямлення для придушення гармонік вхідного струму.

Отже при використанні багатофазних схем випрямлення доцільним є використання алгоритмів, що забезпечують однакове завантаження інверторів. З іншого боку, напруга ключів АІН при послідовному їх з’єднанні в n разів менша. Це, зазвичай, в певній мірі знімає обмеження за частотою перемикання ключів. Хоча втрати енергії у силових колах бажано мати мінімальними і частота перемикань повинна бути мінімально можливою.

Виходячи з цього, для каскадних АІН доцільним є використання методів з ШІМ: це вибіркове формування з заданим гармонійним складом при обмеженій кількості імпульсів напруги в поєднанні зі зсувом напруги АІН за основною гармонікою (п.4.3.2.2); багаторівнева ШІМ зі зсувом модулюючої напруги за фазою.

Принцип реалізації багаторівневої ШІМ для каскадного БАІН, що має три інвертори на фазу, ілюструє рис.4.112. Модулюючі напруги трикутної форми иТР1, иТР2, иТР3 симетричні відносно нуля і для різних АІН зсунуті за фазою на кут θ=2π/n, що становить ТМ/n (ТМ період напруги иТР ). Задана синусоїдальна напруга иЗАД для максимальної напруги (μ=1) на виході має амплітуду, що дорівнює амплітуді иТР. Вона використовується для плеча А інвертору (п.4.2.4.1) – ключ К1 вмикається якщо иЗАДТР напруга иАN=U, для іншого плеча порівняння здійснюється з напругою -иЗАД, ключ К3 вмикається якщо иЗАДТР напруга иВN=U. Вихідна напруга АІН и1АN –иВN має три рівні і подвійну частоту. Про це свідчить її спектр (рис.4.113,а) при частоті модуляції fM=600Гц і частоті вихідної напруги f=50 Гц. При цьому mf=fM/f=600/50=12. В той же час маємо модуляційні гармоніки в смузі частот с центрами 2mf, 4mf, 6mf….. Вихідні напруги інших АІН змінюються аналогічно із зсувом за фазою. Результуюча напруга фази uФБАІН, що є сумою напруги АІН1- АІН3 має 7 рівнів.

За рахунок зсуву модулюючих напруг імпульси вихідної напруги окремих інверторів також зсунуті між собою. При цьому модуляційні гармоніки напруги в смузі частот с центрами 2mf, 4mf, 8mf,… утворюють симетричні трифазні системи (їх сума дорівнює нулю) і в результуючій напрузі фази uФБАІН відсутні. Про це свідчить спектр на рис.4.113,б, в якому присутні лише гармоніки в смузі частот с центрами 6mf, 12mf, ..., що утворюють нульову послідовність (співпадають за фазами) і складаються. Їх відносне значення залишилося тим же, як і у окремого АІН. Таким чином, еквівалентна частота модуляції для uФБАІН становить mfЕКВ=n·mf , у даному випадку збільшилась у 6 разів.

У трифазній схемі каскадного БАІН при з’єднанні фаз навантаження за схемою «зірка» без нульового дроту гармонійний склад напруги на фазі навантаження покращується. Спектр на рис.4.113,в в порівнянні з спектром на рис.4.113,б проріджений – в ньому відсутні модуляційні гармоніки, частота яких кратна трьом. З використанням синусоїдальної ШІМ багаторівневому інвертору як і дворівневому трифазному АІН (п.4.2.5.1) властиве теж саме обмеження у ви користанні напруги джерела постійного струму (з урахуванням їх кількості).

Так при одному АІН на фазу значення амплітуди фазної напруги UФm(1) (при μ=1) дорівнює U, діюче значення , відповідно діюче значення лінійної напруги . При n АІН на фазу .

Для підвищення вихідної напруги використовується попередня модуляція напруги завдання 3- ю гармонікою, при цьому .

Приклад 4.9. Розрахувати параметри схеми трифазного каскадного БАІН з синусоїдальною багаторівневою ШІМ, що використано для живлення двигуна змінного струму РНОМ=2 МВт, UНОМ=6 кВ, ηНОМ=0.94, cosφ=0.93. Схема з’єднань обмотки статору “зірка”. Напруга мережі 6 кВ.

Розв’язання. Номінальний струм двигуна

=220.1 А.

Фазна напруга двигуна В.

Кожна фаза схеми БАІН складається з n послідовно з’єднаних однофазних АІН, тобто UФ=nU(І) (U(І) - діюче значення першої гармоніки вихідної напруги АІН). Визначимо кількість n АІН, вважаючи, що в якості ключів використано IGBT з класом за напругою 1700 В. Звичайно ключі обираються з подвійним запасом за напругою, тобто значення постійної напруги на вході АІН не перевищує U=1700/2=850 В.

При цьому U(І) становить В. Кількість АІН . Приймаємо n=6 тоді В і, відповідно, напруга на вході АІН U=√2U(І)=577.32=816.5 В.

Постійна складова вхідного струму АІН згідно (4.22) для μ=1

144.7 А.

Напруга на вході АІН (на виході випрямляча з ємнісним фільтром) визначається амплітудою лінійної напруги відповідного комплекту вторинної обмотки трансформатору. Трансформатор має 6 груп вторинних обмоток, кожна з яких складається з трьох комплектів, що утворюють 18-и фазне джерело (п.2.3) і живлять три АІН. Виконаємо розрахунок для комплекту обмоток, що з’єднаний за схемою “трикутник” (інші розраховуються згідно п.2.4). Діюче значення фазної напруги при цьому В. Коефіцієнт трансформації . Завантаження ключів АІН за струмом і ємність конденсатору на вході розраховуються аналогічно прикладу 4.4.

Приклад 4.10. Вибрати ключі і виконати розрахунок втрат потужності в них для каскадного БАІН при шести однофазних мостових АІН на фазу і використанні БШІМ із зсувом модулюючої напруги за фазою. Вихідна напруга БАІН UЛ=6000 В при потужності SНОМ=2.2 МВт і навантаженні – асинхронний двигун з IЛН=212 А (амплітуда IНm=300 А), cosφ=0.9, η=0.9 при цьому потужність АД РНОМ=1784 кВт. Частота модуляції для окремого АІН 600 Гц.

Розв’язання. Амплітуда першої гармоніки вихідної фазної напруги UФm(1)=(UЛ/√3)√2=4898 В. При синусоїдальній ШІМ і використовуванні для кожного АІН у фазі попередньої модуляції напруги завдання третьою гармонікою (μ=1.15) UФm(1)=1.15·6·U=6.9U (U – напруга джерела постійного струму АІН). Звідси напруга постійного струму на вході АІН U=4898/6.9=709.8 В.

Таким чином, слід вибирати IGBT класу напруги 1700 В. З урахуванням того, що Im=300 А в схемі БАІН можуть бути використані IGВT типу SКМ500GA174D (фірма Semikron), UCE=1.7 кВ, IC25º(80º)=600(440) A, UCE(TO)=1.6 B, RCE=3 mОм, Etot=(0.3+0.21)=0.51 Дж (при UСЕ=1200 В, IС=400 А), зворотний діод UТ(ТO)=1.3 B, RТ=1.6 mОм, Err=0.075 Дж.

Використання попередньої модуляції напруги завдання 3- ю гармонікою поряд з підвищенням напруги дозволяє зменшити кількість перемикань ключів АІН і відповідні втрати енергії. Тому більш важкий режим має місце при коефіцієнті модуляції за амплітудою μ≤1. При однополярній синусоїдальній ШІМ середнє і діюче значення струмів транзистора і діода в схемі однофазного АІН (п.4.2.4.2) при μ=1:

=0.272IHm, =0.047IHm,

=0.47IHm, =0.172IHm.

IVTCP=0.272IHm=0.272·300=81.6 А, IVDCP=0.047IHm=14.1 А, IVT=0.47IHm=141 А, IVD=0.172IHm=51.6 А.

Втрати провідності транзистора IGBT, діода і загальні ключа

=190.2 Вт,

=22.61Вт, 212.8 Вт.

Втрати перемикання транзистора IGBT, діода

,

де I, U – стандартні значення струму і напруги, при яких задані значення енергії втрат, КI, KV - коефіцієнти апроксимації, що визначають залежність втрат енергії від фактичних значень струму і напруги (для IGBT КI=1, KV=1.4, для діода КI=KV=0.6). Середнє значення напівхвилі вихідного струму при синусоїдальній формі . З урахуванням цього одержуємо:

=34.96 Вт,

=13.9 Вт,

PSW=48.86 Bт.

Загальні втрати в ключі РО=261.7 Вт.

Загальні втрати в ключах АІН на фазу і втрати в ключах інверторного блоку БАІН РОФ=4·6·261.7=6280.8 Вт, РБАІН=3·6280.8=18842.4 Вт. Втрати перемикання PSWБАІН складають 18.7%.

Соседние файлы в папке 4