Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Desktop / 4 / 4.3.3.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
1.51 Mб
Скачать

А

Таблиця 4.15

До розрахунку напруги у фазах трирівневого баін

Вивід джерела, до якого підключена фаза навантаження

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

а

U

0

0

-U

0

0

0

U

-U

0

-U

U

в

0

0

U

0

0

-U

-U

U

0

U

-U

0

с

0

-U

0

0

U

0

-U

0

-U

U

0

U

Фазна напруга

Uа

2U

3

U

3

-U

3

-2U

3

-U

3

U

3

2U

3

U

3

-U

3

-2U

3

-U

3

U

3

Uв

-U

3

U

3

2U

3

U

3

-U

3

-2U

3

-U

3

U

3

2U

3

U

3

-U

3

-2U

3

Uc

-U

3

-2U

3

-U

3

U

3

2U

3

U

3

-U

3

-2U

3

-U

3

U

3

2U

3

U

3

мплітудне регулювання вихідної напруги.

Розглянемо амплітудне регулювання вихідної напруги з формуванням просторового вектору напруги (див.п.4.3.2.1). Алгоритм перемикання ключів при цьому для трирівневого трифазного БАІН визначається табл.4.14 і табл.4.15. При цьому можна отримати два рівня вихідної напруги, що ілюструють рис.4.62 і рис.4.63.

Діаграми напруги і струму у фазі навантаження, а також струми у елементах схеми приведені на рис.4.92 для другого рівня просторового вектору.

Для спрощення аналізу завантаження елементів схеми за струмом вважаємо, що вихідний струм фази БАІН| (іФА) синусоїдальний. Струм іФА через тиристор ключа К1А при його вмиканні протікає на інтервалі (0 ,(π-φ-15º)) - для зручності відлік ведемо відносновідносноструму іФА . Середнє значення струму тиристора VTК1А

,

де IHm - амплітуда першої гармоніки струму навантаження IHm=IФm(1).

Середнє значення струму діода VDК1А при тривалості (φ -15)

.

Середнє значення струму тиристора ключа к2а (vtк2а)

.

Струм фіксуючого діода визначається різницею струмів тиристорів ключів К1 і К2 IVD1CP=IVТK2CP - IVТK1CP.

Виходячи з симетрії роботи схеми для позитивної і негативної напівхвиль струму: IVDK2CP=IVDK3CP=IVDK4CP=IVDK1CP, IVТK2CP=IVТK3CP, IVТK4CP=IVТK1CP.

Струмтік|, що споживається за позитивним полюсом джерела іdP, є сумою струмів ключів всіх фаз К1А, К1В, К1С, які визначаються вихідними струмами фаз БАІН і мають однакове значення при зсуві на 1/3 періоду вихідної частоти (2π/3). Середнє значення струму ключа К1А

IК1CP=IVТK1CP - IVDK1CP.

Відповідно, середнє значення іdP

.

Три пульсації за період іdP (аналогічно іdN) свідчать про наявність третьої гармоніки. Амплітуду пульсацій третьої гармоніки IdPm(3) визначимо по синусній і косинусній складовим у розкладанні Фур'є струму іdP:

.

Аналогічний результат одержуємо і для струму, що споживається від негативного полюса джерела іdN.

З потрійною частотою змінюється і струм іd0, що споживається від середнього виводу джерела. Розрахунок його третьої гармоніки здійснюється аналогічно:

.

Таким чином, амплітуда третьої гармоніки струму іd0(3) у два рази більше амплітуди іdP(3) і іdN(3). Тобто третя гармоніка струму іdP(3) рівна сумі третіх гармонік іdP(3) і іdN(3), при цьому іdP(3) замикається через верхній конденсатор (рис.4.89), про що свідчать різні знаки синусної і косинусної складових струмів, а іdN(3) через нижній конденсатор.

Наявність змінних складових (найбільша з них третя гармоніка) в струмі конденсаторів зумовлює пульсації напруги на конденсаторах. Третя гармоніка струму конденсатора iC=IdPm(3)sin3ωt. Відповідне значення напруги пульсацій на конденсаторі відносно відносно постійної складової U

,

де UПm – амплітуда пульсацій. Значення ємності C вибирається виходячи з необхідного коефіцієнта пульсацій КП=UПm/U (звичайно в межах (2.5-5)%):

.

Слід зазначити важливу особливість схеми. Струми в конденсаторах відносно відносно середнього виводу мають протилежний напрямок – змінюються в протифазі. Відповідно в протифазі будуть пульсації напруги на конденсаторах. Тобто в спільній напрузі джерела Ud, яка є сумою напруги конденсаторів, змінні складові з частотами кратними вихідний частоті БАІН відсутні (взаємно компенсуються).

При синусоїдальній багаторівневій ШІМ керування кожною фазою БАІН (рис.4.89) здійснюється незалежно від інших, як і в схемі напівмостового БАІН. При цьому напруги завдання иЗАДА, иЗАДВ, иЗАДС зсунуті на третину періоду вихідної частоти (ω) і утворюють симетричну трифазну напругу.

Напруги иА0, иВ0, иС0 на виводах (А,В,С) плеч мосту відносно середнього виводу (рис.4.89) складаються з основної (першої) гармоніки та вищих гармонік. Перші гармоніки повторюють закон змінювання иЗАД і також зсунуті на третину періоду вихідної частоти. Лінійна напруга при цьому

.

Звідки визначимо амплітуду і діюче значення лінійної та фазної напруги:

, .

, .

Навантаження елементів схеми трифазного мостового БАІН за струмом. Керування фазами БАІН здійснюється незалежно, проте формування напруги у фазах за відсутністю нульового дроту взаємопов’язане, що обумовлює її багатосходинкову форму. Максимальному значенню вихідної фазної напруги відповідає 9 рівнів (иФА на рис.4.93). Природно, що кількість рівнів із зниженням амплітуди напруги зменшується.

З рис.4.93можна побачити, що при майже синусоїдальному струмі фази навантаженняіФАструм у елементах схеми має імпульсний характер. Цей струм можна визначити безперервною функцією, значення якої на кожному такті модуляції (ТМ) дорівнює середньому значенню струму, що визначається відносною тривалістю вмикання тиристора

.

З урахуванням того, що перша гармоніка вихідної фазної напруги повторює сигнал завдання і, відповідно, закон змінювання γ випереджає струм на кут φ, для коефіцієнта заповнення маємо вираз: . Відтоді

. ( 4.73)

Струм тиристору ключа К1А фази А при його вмиканні протікає на інтервалі (0, (π – φ)), при змінюванні полярності сигналу завдання (першої гармоніки иФА) струм навантаження замикається через інші ключі. Відлік кутів виконуємо відносно струму фази А (на рис.4.93 відповідні точки позначені 0, π, 2π....).

Середнє та діюче значення струму тиристора К1А за період:

.

Середнє та діюче значення струму діоду К1А за період:

.

Неважко побачити, що значення струму тиристора і зворотного діоду ключа суттєвим чином залежить від значення cosφ навантаження – із зменшенням його струм тиристора зменшується, а діоду зростає. Тому при розрахунку необхідно враховувати можливий діапазон змінювання cosφ.

Навантаження діодів К1А і К2А однакове, тобто

ІVDК1CP=ІVDК2CP.

Струм тиристора ключа К2А (рис.4.93) визначається напівхвилею струму навантаження за виключенням інтервалів, коли тиристор вимкнуто і струм навантаження прямує через діоди К3А і К4А. Вважаємо, що навантаження ключів у фазі А, що формують позитивну і негативну напівхвилі струму навантаження однакове

ІVDК1CP=ІVDК2CPVDК3CP=ІVDК4CP=ІVDКCP.

Тоді середнє значення струму тиристора ключа К2А за період вихідної частоти АІН

.

Представимо струм iVTK2 як різницю струму навантаження iH =IHmsinωt і iVD. На інтервалі (π-φ, π) значення . Діюче значення

Струм фіксуючого діоду VD1 визначається різницею струмів тиристорів ключів К2А і К1А, тобто його середнє значення

ІVD1СР=IVTK2СР - IVTK1СР.

Напівхвиля струму навантаження складається з струму i1VT і фіксуючого діода iVD1, які взаємно доповнюють друг друга. С урахуванням цього діюче значення струму діода: (I1H=IHm/2 – діюче значення напівхвилі струму навантаження). Діюче значення струму i1VT

Таким чином, отримуємо

Струм іdP, що споживається БАІН за позитивним полюсом джерела є сума струмів ключів К1 усіх фаз БАІН, які визначаються вихідними струмами фаз БАІН і мають однакове значення при зсуві на третину періоду вихідної частоти. Інтервал повторювання процесів формування іdP становить 2π/3. При цьому у формуванні струму іdP приймають участь струми ключів двох фаз. Так на інтервалі від (π/3 –φ) до (π –φ) це будуть струми фаз А і В. Їх значення згідно (4.73) з урахуванням зсуву за фазою становлять:

,.

Середнє значення струму іdP

.

Постійна складова струму, що споживається від джерела може бути визначена з умови балансу потужності

, (4.74)

де Ud – загальна напруга джерела постійного струму (Ud=2U), UФ, ІФ – діючі значення напруги і струму фази навантаження (UФ=μU/√2 і ІФННm/√2). Згідно (4.74) отримуємо

.

Отримані вище значення струму Іd повністю співпадають.

За період у кривій іdP маємо 3 пульсації, що свідчить про наявність третьої гармоніки. Це підтверджує і крива (рис.4.93) усередненого значення іdPСР, що отримана з використанням фільтру. Амплітуду пульсацій третьої гармоніки визначимо через синусну і косинусну складові у розкладанні Фур’є:

. (4.75)

При цьому змінні складові струму іdP замикаються через верхній конденсатор (рис.4.89) до середнього виводу джерела, відповідно, змінні складові струму іdN замикаються через нижній конденсатор до середнього виводу джерела.

Пульсації струму, що споживається від середнього виводу джерела (рис.4.93) мають подвоєну амплітуду відносно значення (4.75). Наявність змінних складових струму конденсаторів, найбільша з яких є третьою гармонікою відносно частоти вихідного струму, обумовлює відповідні пульсації напруги на конденсаторах. Струм конденсатору від третьої гармоніки

.

Відповідне значення напруги пульсації на конденсаторі відносно постійної складової U

,

де UПm – амплітуда пульсації.

Слід відзначити, що ці пульсації є додатковими до пульсацій напруги випрямляча на вході БАІН, що обумовлені пульсаціями випрямленого струму (Idm(6) – амплітуда 6-ї гармоніки випрямленого струму, що визначається згідно п.2.2.3.2). Значення ємності C обирається виходячи з необхідного коефіцієнта пульсацій КП=UПm/U (звичайно у межах (2.5-5)%)

,

де ω1 – кутова частота напруги мережі змінного струму.

Струми у конденсаторах відносно середнього виводу мають протилежний напрямок – змінюються у протифазі. Відповідно у протифазі будуть пульсації напруги на конденсаторах. Тобто у загальній напрузі джерела Ud, що складається з напруги конденсаторів, змінні складові з частотами кратними вихідній частоті БАІН будуть відсутні (взаємно компенсуються). Таким чином, при використанні на вході БАІН 12-и фазної схеми випрямлення з послідовним з’єднанням двох трифазних мостів середній вивід випрямлячів доцільно відокремити від середнього виводу конденсаторів. У цьому разі отримуємо 12-и пульсну схему випрямлення. Це дозволяє виключити виникнення у вхідному струмі випрямлячів, що споживається від мережі змінного струму складових, які обумовлені гармоніками з частотами кратними частоті вихідної напруги БАІН. При цьому слід забезпечити вирівнювання напруги на конденсаторах, як мінімум, ємності конденсаторів повинні бути однаковими.

З’єднання середнього виводу випрямлячів з середнім виводом конденсаторів виключає балансування напруги на конденсаторах і, як показують дослідження, не призводить до суттєвого погіршення струму, що споживається з мережі.

Як і у дворівневого інвертора максимальне значення основної гармоніки вихідної напруги обмежено значеннями:

  • для лінійної напруги UЛ(1) =2·0.612U=1.224·U;

  • для фазної напруги UФ(1) =0.707·U

Для кращого використання напруги джерела постійного струму можна застосовувати ті ж методи, що і для дворівневого інвертора – перемодуляція третьою гармонікою (див. п.4.2.2.3).

Приклад 4.7. Розрахувати параметри схеми трифазного трирівневого БАІН (рис.4.89) з синусоїдальною багаторівневою ШІМ, що використовується для живлення двигуна змінного струму зРНОМ=1 МВт,UНОМ=6 кВ, ηНОМ=0.94, cosφНОМ=0.93 при номінальній частоті 50 Гц. Схема з’єднань обмотки статору “зірка”. Напруга мережі 6 кВ.

Розв’язання.

Виходячи з того, що максимальна вихідна напруга UЛ(1)=1.224U визначимо напругу у колі постійного струму: Ud=UНОМ/1.224=6000/1.224=4902 В. Ця напруга складається з напруги двох послідовно з’єднаних випрямлячів, вихідна напруга яких U=Ud/2=2451 В.

Номінальний струм двигуна

=110.1 А.

Вважаємо, що вихідний струм фази БАІН синусоїдальний, амплітуда фазного струму ІФm(1)=√2ІФ(1)=155.7 А.

Струм Іd , що споживається від джерела постійного струму при номінальному навантаженні і μ=1

=3·155.7·0.93/4=108.6 А.

Напруга ключа і фіксуючого діоду дорівнює U. Звичайно, з урахуванням можливих перенапруг при комутації ключів схеми, ключі обирають за напругою за подвійним запасом, що становить Ud.

Звичайно частота модуляції ключів БАІН не перевищує 600-1000 Гц тому в якості ключів можна використати транзистори IGBT або тиристори IGCT. IGBT обираються за максимальним значенням (амплітудою) струму ІФm(1). Тиристори і діоди за середнім значенням струму.

Середнє значення струму тиристора ключа К1

=155.7[(π - 0.377)0.93+0.368]/4π=36.42 A.

Середнє значення струму діоду ключа К1

= 155.7(0.377·0.93 – 0.368)/4π= -0.215 А.

Знак мінус відповідає полярності струму на рис.4.93. Природно, що при обиранні діоду знак не враховується. В залежності від завантаження і в процесі регулювання швидкості коефіцієнт потужності двигуна змінюється. Тому при розрахунку струму діоду слід орієнтуватися на найгірший випадок, коли cosφ мінімальний. Так для значення cosφ=0.7 струм діода становить IVDK1CP=1.95 А.

Середнє значення струму тиристора ключа К2:

=155.7/π – 0.215=49.35 А.

Середнє значення струму діоду ключа К2: IVDK2CP=IVDK1CP. Значення струму зворотних діодів в порівнянні зі струмом тиристорів мале – зворотні діоди за струмом не завантажені.

Середнє значення струму фіксуючих діодів VD1 и VD2

ІVD1СР=IVTK2СР - IVTK1СР=49.35 - 36.42=12.93 А.

Амплітуда третьої гармоніки струму, що замикається крізь конденсатори на вході БАІН

=33.5 А.

Навантаження за струмом ключів у плечі БАІН дещо відрізняється. Більше навантаження К2 і К3.

Приклад 4.8. Розрахувати втрати енергії в ключах трирівневого АІН з синусоїдальною ШІМ на напругу 6 кВ, якщо при частоті 50 Гц амплітуда вихідного струму IНМ=300 А при cosφ=0.9.

Розв’язання.

При синусоїдальній ШІМ напруга в ланці постійного струму (напруга ключа) U=(UЛ/√3)√2=4898 В. Це передбачає послідовне з'єднання RC IGCT класу 4.5кВ (6 кВ), тоді напруга ключа 2449 В.

Результати розрахунку середніх і діючих значень струмів у ключах інвертору при амплітуді струму IНМ=300 А, cosφ=0.9 приведені в табл.4.16 при μ=1.

Таблиця 4.16

Завантаження ключів за струмом

№ ключа

VT1

VТ2

VDК1

VDК2

VD1

I/Im

0.227

0.316

0.0024

0.0024

0.089

ICP/ Im

0.405

0.499

0.0106

0.0106

0.283

Середнє і діюче значення струму тиристора ключа К1 IVTK1CP=0.227ІHm=68.2А, IVTK1=0.405ІHm=121.5 А.

Середнє і діюче значення струму діода К1:

IVDK1CP =0.0024ІHm=0.72А, IVDK1=0.0106ІHm=3.172 А.

Завантаження діодів К1 і К2 однакове, тобто ІVDК1CP=ІVDК2CP.

Середнє і діюче значення струму тиристора ключа К2:

IVTK2CP =0.3156ІHm=94.7А, IVTK2 = 0.499ІHm=149.8 А.

Середнє і діюче значення струму фіксуючого діода VD1:

ІVD1СР= 0.089ІHm=26.58 А, ІVD1= 0.283ІHm=84.9 А.

Слід відзначити, що всі ключі, за винятком VTK2, працюють в режимі ШІМ з частотою модуляції. Тиристор VTK1 перемикається з частотою ШІМ на інтервалі (0, π-φ). Тиристор VTK2 перемикається з частотою ШИМ тільки на інтервалі (π-φ, π), це стосується і діодів VD1К и VD2К. Вмикання VTK2 здійснюється під час переходу струму через нуль. Відповідні середні значення:

Для інтервалу (0, π-φ) =0.302ІHm=90.72 А.

Для інтервалу (π-φ, π) =0.016ІHm=4.8 А.

Використовуємо RC IGCT типа 5SHX08F4510, 4.5 кВ, ITGQM=630 A, U(TO)=1.8 B, RT=2 mОм, UDC=2.8 B, Etot=3.15 Дж (Eon=0.25 Дж, Eoff=2.9 Дж при U=2700 В, I=630 А), U(FO)=2.8 B, RF=4.6 mОм, Err=1.5 Дж.

Втрати провідності для ключа К1:

=1.8·68.2+(121.5)2·0.002=152.3 Вт,

=2.8·0.72+(3.172)2·0.0046=2.06 Вт.

Втрати перемикання для ключа К1:

= 432.9 Вт,

=74.97 Вт.

Втрати провідності для ключа К2:

=1.8·94.7+(149.8)2·0.002=215.34 Вт,

РCONDD2= РCONDD1=2.06 Вт.

Втрати перемикання для ключа К2:

РSWD2= РSWD1=74.97 Вт

Втрати провідності для фіксуючого діода VD1 (диод 5SDF03D4502, 4.5 кB, Ud=2800 B, IFАVM=570 A, U(FО)=1.5 B, Rf=1.8 Oм, Etot=1.5 Дж):

=1.5·26.58+(84.9)2·0.0018=52.84 Вт,

Втрати перемикання:

=484.24 Вт.

Загальні втрати Р=18408.2 Вт. Втрати перемикання РSW складають 72.3%.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке 4