Казачковський_аппч2

кож є сумою активної складової Ua (направленої вздовж вектора струму), та реактивної Up , паралельної цьому вектору. Вектор спаду напруги в реакторі

внаслідок відсутності в ньому активної складової завжди направлений перпендикулярно вектору струму (з випередженням). Кут між струмом та ЕРС мережі позначимо як E , струмом та напругою АВ – як U , між напругою та ЕРС – .

Рівняння балансу активних потужностей за відсутності втрат в АВ

P 3EI cos E 3UI cos U U d Id ,

або

P 3EI a 3U a I U d I d .

Активна енергія, споживана або рекуперована до мережі, визначається навантаженням та режимом роботи двигуна, який живиться від АІН. Для забезпечення балансу енергії в ланці постійного струму (тобто, стабільності її напруги), необхідно, щоб діюче значення активної складової фазного струму відповідала рівню випрямленого струму:

Рис. 5.19. Векторні діаграми активного випрямляча (випрямний режим )

На рис. 5.19,а зображена векторна діаграма АВ у режимі випрямляча, коли струм синфазний з ЕРС мережі. До мережі надходить лише активна потужність, хоча АВ генерує реактивну потужність, необхідну для компенсації спаду напруги в реакторі (струм випереджає напругу, а реактивна складова напруги U p U L ). Нагадаємо (п. 3.5), що умовою споживання активної енергії з

ланки змінного струму є відставання напруги від ЕРС. Щоб мережа отримала реактивну потужність, необхідно, щоб струм випереджав ЕРС (рис. 5.19,б). Це забезпечується шляхом зростання напруги АВ (тобто, збільшення його коефіцієнту модуляції). Навпаки, зменшення напруги призводить до відставання струму від ЕРС та споживання випрямлячем реактивної енергії з мережі (він стає

211

індуктивним споживачем). Для збільшення активної потужності, переданої через АВ, необхідно також збільшувати його напругу.

Для переведення АВ до інверторного режиму необхідно змінити знак активної складової струму (векторні діаграми рис. 5.20). У цьому режимі також можлива робота зі споживанням реактивної енергії з мережі (рис. 5.20,а), її генерацією (рис. 5.20,в) або з рекуперацією лише активної енергії (рис. 5.20,б).

Можливий також режим, коли АВ не передає активної енергії в жодному з напрямів. Вектор струму в цьому випадку повинен бути перпендикулярним до ЕРС, тобто бути суто реактивним. Залежно від знаку реактивного струму можна надати активному випрямлячеві властивостей індуктивного (рис. 5.21,б) або ємнісного (рис. 5.21,а) споживача. У цьому режимі АВ може виконувати роль компенсатора реактивної потужності, генеруючи до мережі реактивну енергію, необхідну для роботи індуктивних споживачів (наприклад, асинхронних двигунів). Навантаженням такого перетворювача може бути лише конденсатор. За допомогою подібного перетворювача може також бути реалізований паралельний активний фільтр (активний кондиціонер гармонік), увімкнений до мережі паралельно нелінійному навантаженню. Він здатний компенсувати вищі гармоніки струму навантаження, генеруючи такі самі гармоніки, але з протилежним знаком.

Рис. 5.20. Векторні діаграми активного випрямляча (інверторний режим )

п. 5.2). Проте в цьому випадку непотрібні трансформатори з кількома вторин-

212

ними обмотками (достатньо набагато дешевших реакторів), а поліпшення форми струму досягається завдяки зсуву опорних напруг у системах керування мостів (як у складеного АІН у п. 3.11). Доцільною сферою застосування АВ є електроприводи підйомних механізмів та електротранспорту потужністю від кількох десятків кВт з інтенсивними гальмівними режимами.

Приклад 5.3. Енергетичні параметри активного випрямляча

Дволанковий ПЧ підключений до мережі змінного струму з лінійною напругою Eл =380 В через активний випрямляч (рис. 5.18) із синусоїдальною

ШІМ. Максимально можливий коефіцієнт модуляції АВ max =0,98. Інвертор

споживає від АВ потужність P =75 кВт. Індуктивність комутаційного реактора L =0,01 мГн. Розрахувати мінімально необхідну напругу ланки постійного струму, якщо одночасно з живленням інвертора АВ має передати до мережі реактивну (ємнісну) потужність QE =30 кВАр. Втратами в АВ та реакторі знехту-

вати.

Повна потужність, спожита АВ із мережі

5.5. Нерегульований діодно-транзисторний вхідний перетворювач

Значно спростити систему керування реверсивним вхідним перетворювачем (рис. 5.18) в режимі рекуперації (інвертування) можна, якщо відмовитися від ШІМ. Інвертування можливе, коли напруга ланки постійного струму більша

за амплітуду лінійної ЕРС мережі (Ud 2Eл ), унаслідок чого на колекторах

213

транзисторів VT1…VT6 завжди присутній позитивний потенціал відносно емітерів. У випрямному режимі напруга на конденсаторі Ud 2Eл , транзистори

протягом більшої частини періоду не здатні відкритися, працюють переважно діоди.

Принцип дії такого перетворювача пояснює рис. 5.22. Транзистори отримують імпульси керування тривалістю 120 тоді, коли напруга відповідної фази мережі найбільша за модулем (як на рис. 5.22). Унаслідок цього завжди відкрито лише два транзистори (один з колекторної, інший – з емітерної групи), а струм протікає переважно двома фазами мережі. Фазні напруги на вході (у точці підключення реакторів до перетворювача) дорівнюють половині напруги ланки постійного струму ( ua на рис. 5.22). До трьох фаз мережі перетворювач

короткочасно підключений лише на початку нової комутації. Так, наприклад, після перемикання з VT1 на VT3 ЕРС самоіндукції реактора фази А відкриває діод протилежної групи (VD2), фаза підключається до протилежної клеми ланки постійного струму, і доки струм фази А під впливом напруги протилежного знаку знижується до нуля, ланка постійного струму підключена до фази А через VD2, до В через VT3 та до С через VT6). Напруги на вході перетворювача на цьому інтервалі дорівнюють ua uc Ud 3 , ub 2Ud 3 .

Таким чином, зворотні діоди відіграють звичну роль скидання електромагнітної енергії, накопиченої в індуктивних елементах, та запобігання перенапруг на керованих ключах. Оскільки імпульси керування транзисторами мають фіксовані тривалість та фазовий зсув, перетворювач є нерегульованим, зворотні зв’язки за струмом і напругою не використовуються, а форма та амплітуда фазного струму і інтенсивність процесу рекуперації залежать лише від різниці між напругою Ud та амплітудою лінійної ЕРС мережі. Як видно з рис. 5.22, фазний

струм у режимі інвертування протифазний фазній ЕРС мережі.

У режимі холостого ходу, коли струм у ланці постійного струму відсутній, фазний струм має ємнісний характер.

На відміну від активного випрямляча, такий перетворювач нездатний забезпечити синусоїдальну форму фазного струму, регулювати cos та якісно стабілізувати напругу ланки постійного струму. Проте він має просту систему керування, запобігає перенапружень у ланці постійного струму та здійснює рекуперацію з cos 1. Залежність амплітуд гармонік фазного струму (% від амплітуди першої гармоніки) від їх номера для інверторного та випрямного режимів наведена на рис. 5.23 [41]. Залежності отримані за умови використання реа-

кторів з відносною напругою КЗ uk 4% та відношенням RSC SКЗ 50 ( SКЗ –

SПЧ

потужність КЗ мережі у точці підключення ПЧ, SПЧ – повна потужність ПЧ,

кВА).

Слід зазначити, що характер процесів у режимі інвертування подібний до таких у трифазному АІН з тривалістю керуючих імпульсів 1200 (див. рис. 3.13), який має таку саму силову схему. Тому розглянутий перетворювач можна вважати перетворювачем з амплітудною модуляцією, веденим мережею.

214

215

Увімкнення на виході ПЧ т.зв. “синусних” фільтрів. У ПЧ з амплітудною модуляцією вони ефективні лише за незмінної вихідної частоти і тому використовуються рідко. У разі широтно-імпульсної модуляції вони здатні суттєво поліпшити форму струму, однак ускладнюють керування двигуном та погіршують масогабаритні показники ПЧ, оскільки мають бути розраховані на повну його потужність. Їх використання виправдане лише за наявності дуже жорстких вимог до форми струму та рівня шуму, генерованого двигуном.

Застосування багаторівневих (п. 3.10) та складених (п. 3.11) схем інверторів.

Використання окремих інверторів з амплітудною модуляцією для живлення

потужних двигунів із кількома ( n ) обмотками статора, зсунутими у просторі на кут 60 n (т.зв. розщеплені обмотки). Моменти комутації таких інверторів також зсунуті у часі на кут 60 n . Унаслідок зсуву пульсацій моментів, створених окремими обмотками, сумарні коливання моменту та швидкості двигуна мають меншу амплітуду та в n раз більшу частоту. Інвертори доцільно живити від спільного джерела. На рис. 5.24 зображені просторові осі обмоток статора АД із двома обмотками (а), а також схеми вмикання інверторів струму (б, в) та напруги (г). У схемі рис. 5.24,в два послідовно ввімкнених керованих випрямляча живляться від окремих вторинних обмоток трансформатора (це покращує форму споживаного з мережі струму, див. п. 5.2). Поперемінне ж умикання випрямлячів та інверторів зменшує вдвічі різницю потенціалів між будь-якими точками ланки постійного струму, що підвищує безпеку експлуатації високовольтних ПЧ.

216

Рис. 5.24. ПЧ для живлення АД із розщепленими обмотками статора

Придушення окремих найбільш небезпечних (із найбільшими амплітудами та найменшими частотами) гармонік вихідного струму АІН із ШІР шляхом відповідного розташування інтервалів вимикання ключів .

Якщо АІН із ШІМ реалізований на основі IGBT-транзисторів, темп зміни миттєвої вихідної напруги внаслідок їх високої швидкодії дуже великий (тривалість комутації близько 0,05...0,01 мкс). Унаслідок власної розосередженої індуктивності та ємності кабелю, що з’єднує АІН із двигуном, швидка зміна напруги призводить до виникнення хвильових процесів у кабелі та появи на обмотці статора перенапруг. Якщо довжина кабелю досить велика (близько 7...20 м), амплітуда перенапруг наближається до подвійної (рис. 5.25,а). Щоб зменшити перенапруги в обмотці та збільшити надійність її роботи, використовують три способи, які зменшують темп зміни напруги на статорі:

послідовний Г-подібний LC-фільтр між виходом АІН та кабелем (рис. 5.25,б);

послідовний RL-фільтр (рис. 5.25,в) між АІН та кабелем;

паралельний RC-фільтр біля двигуна (рис. 5.25,г) для зменшення хвильового опору на виході кабелю.

Рис. 5.25. Перенапруги на виході довгого кабелю та засоби для їх зменшення

217

218

Використавши формули (3.3) та (5.1) і перейшовши до лінійних напруг, можна знайти середній струм на вході АІН, потрібний для вибору дроселя та керованого випрямляча

а також найбільшу середню вхідну напругу, що визначає напругу на ключах

де kзU1 1,15 – коефіцієнт запасу, що враховує можливе підвищення напруги живильної мережі на 15%; kзU 2 1,3...1,5 – коефіцієнт запасу на можливі пере-

трансформатора (реактора), що перебуває у контурі випрямленого струму (для однофазної мостової та трифазної нульової схем xa= xт , а для трифазної мостової xa= 2xт); Idгр – найбільший вхідний струм АІН, за якого

припускається виникнення режиму переривистих струмів.

Струм Idгр відповідає найменшому можливому навантаженню двигуна і

визначається за формулою (5.2). Якщо навантажувальна діаграма невідома, до формули (5.2) слід підставити 0,1Iдн замість Iдн . Індуктивність навантаження

при розрахунках можна вважати нульовою.

Конденсатор LC -фільтру обмежує коливання напруги на вході АІН. Його ємність повинна бути такою, щоб частота власних коливань фільтра

219

0 1 LфCф була набагато меншою від частот перемикань ключів випрямляча та інвертора:

0 6 1 ;

0 6 вих min ,

де 1 – колова частота мережі, яка живить випрямляч; вих min – найменша вихі-

дна частота АІН.

Ємність конденсатора при цьому

де – найменша з частот 1 та вих min .

Б) Трифазний АІН з амплітудною модуляцією ( =120 )

На рис. 5.28 зображені вихідна фазна напруга та перша гармоніка вихідного струму АІН із =120 для випадку, коли пауза у фазному струмі відсут-

Зворотній діод у найгіршому для себе випадку відкритий протягом 60 (на інтервалі 6 t 6 ), а його середній струм

220