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

Desktop / 4 / 4.3

.9.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
270.85 Кб
Скачать

53

4.3.9 Схеми з «реактивною коміркою» та послідовним силовим

активним фільтром

Спрощення силових кіл БАІН при збереженні і навіть покращенні гармонійного складу вихідної напруги можна досягнути при використанні у схемі послідовних силових активних фільтрів (АФ) або «реактивних комірок» (РК). В їх якості використовується однофазний мостовий АІН, що вмикається у вихідних фазах БАІН. Його ключі розраховані на струм навантаження, а напруга може бути зменшена в три рази. Мета використання АФ і РК однакова, проте функціонування і ефективність дії різні.

Силовий активний фільтр відпрацьовує різницю між заданою напругою навантаження і напругою, що формується у навантаженні базовою схемою БАІН. В якості останньої можна використати розрахункове значення напруги.

«Реактивна комірка» не має джерела живлення і приймає таку ж участь у формуванні вихідної напруги, як і базова схема БАІН тільки без передавання активної потужності у навантаження. При цьому вона забезпечує додаткові рівні у напрузі фази БАІН, за рахунок чого і покращується напруга навантаження. Використання у фазі БАІН АІН1 (з мінімальною напругою) в режимі РК дозволяє виключити із вхідних кіл БАІН три джерела постійного струму (ДПС).

Схема БАІН на базі ТАІН з АФ. Розглянемо використання АФ для трифазної схеми трирівневого АІН. Схема силових кіл така ж, як і у гібридного БАІН (рис.4.130). Кратність напруги джерел ТАІН і АФ становить 3:1.

Напруга завдання для АІН в режимі АФ визначається як напруга помилки (uЗАД – синусоїдальна напруга завдання (без врахування модулюючих гармонік, якщо вони використовуються), uФПР – прогнозоване (розрахункове) значення напруги фази навантаження, що визначається роботою ТАІН). В даному випадку використовується напруга фази навантаження, оскільки відносний крок її зміни дорівнює 1, в той час, як для напруги фази ТАІН цей крок складе 3, відповідно менше напруга помилки, яка відпрацьовується АФ при відносному значенні напруги його ДПС U=1.

Відповідно до імпульсів керування ключами ТАІН, які формуються шляхом порівняння заданої напруги u1ЗАД і модулюючої напруги трикутної форми uТР1 та uТР2 (які симетричні відносно нуля) визначається напруга фази відносно нульової точки БАІН

Напруга фази навантаження (а) .

При цьому значення |u1ЗАД| змінюється в межах від 0 до 2 (див. рис.4.134). Слід зазначити, що результуючі напруги у фазах навантаження, що утворюються трьома АФ фаз БАІН можуть приймати відносні значення 0, 1/3, 2/3, 1, 4/3. Це виключає відпрацьовування u1ЗАД без помилки і обумовлює наявність першої гармоніки вихідної напруги АФ u1(1). При цьому АФ беруть участь в передачі енергії між БАІН і навантаженням. Таким чином, використовування активного фільтру без ДПС неможливо, причому фаза u1(1) і, відповідно, напрям передачі енергії може змінюватися. При цьому ДПС повинне мати двобічну провідність, однак його потужність в порівнянні з ТАІН незначна.

Осцилограми напруги в схемі БАІН з активним фільтром при частоті вихідної напруги 50 Гц приведені на рис.4.134. При цьому частота модуляції для ТАІН становить 1050Гц. Коефіцієнт гармонік для uФПР THD=27% (з урахуванням порядку гармонік до 200 THD200=25.7%), для uФН THD=15% (THD200=11.4%). Таким чином, маємо суттєве покращення гармонійного складу напруги БАІН з АФ. Проте внаслідок неможливості відпрацьовування u1ЗАД без похибки в кривій uФH присутні короткочасні викиди, які достатньо просто відфільтрувати.

Схема БАІН на базі ТАІН з РК, що вмикається у вихідних фазах така ж, як і з АФ. Різниця у відсутності ДПС для АІН, що використовується в якості РК. Використання АІН в режимі РК можливо, якщо його активна потужність, що визначається першою гармонікою напруги (U1(1)) Р1=0. Для цього необхідно забезпечити попереднє заряджання конденсатора РК (без додаткового устаткування може здійснюватися лише через ключі АІН при обмеженому струмі) і стабілізацію напруги конденсатора РК. Для стабілізації напруги слід передбачити можливість коригування напруги на конденсаторі РК (збільшення або зменшення), що досягається, якщо напруга U1(1) може приймати як позитивну, так і негативну полярності.

Активна потужність передається ТАІН і визначається першою гармонікою його вихідної напруги. Це обмежує можливості БАІН за вихідною напругою. Так у даному випадку АМАХ≤3.69 (у аналогічній схемі гібридного БАІН п.4.3.8 АМАХ=4.6). Дещо погіршується і гармонійний склад напруги БАІН.

Як і в аналогічній схемі гібридного БАІН, доцільно використовувати квантування напруги завдання (uЗАД) за рівнем при модуляції 3-ю та 9-ю гармоніками. Алгоритм реалізації такий же. Амплітуди модулюючих гармонік визначаються за умови що напруга U1(1) наближена до нуля.

Для стабілізації напруги РК можна використати релейний принцип регулювання із зворотним зв'язком за напругою конденсатора РК (uC). Релейний регулятор (для кожної фази БАІН) порівнює фактичне значення напруги uC із заданим і при перевищенні порогу ΔU здійснює зміну значень А3 і А9 відповідно до залежностей А(А), А9P(А) і А3N(А), А9N(А). Вони розраховуються за умови U1m(1)=±(0.03-0.05), тобто кожному А відповідають дві комбінації А3 і А9, що дозволяє зменшувати (при U1m(1)>0 конденсатор розряджається) або збільшувати uC (при U1m(1)<0 конденсатор заряджається).

Визначальну роль виконує значення А9, тоді як для А3 можна прийняти умову А3=0.15А («плоска» вершина uЗАД при А9=0), що дозволяє отримати максимальне значення А≤3.7. У ряді випадків є декілька рішень, тоді слід розглянути задачу оптимізації гармонійного складу – підібрати значення А9 з умови мінімуму THD або зваженого коефіцієнта гармонік.

Розглянемо варіант реалізації попереднього заряду конденсаторів РК, що не передбачає додаткового устаткування і змінювання схеми БАІН. При цьому плече ТАІН працює в режимі понижуючого перетворювача постійної напруги з ШІМ. Його напруга UCP(t)=γU3 (γ=аt) при цьому має характер імпульсів з амплітудою U3 (рис.4.135), швидкість зміни струму заряду конденсаторів іЗ обмежує індуктивність навантаження. При лінійному законі зростання напруги на конденсаторах, середнє значення струму іЗ буде постійним і дорівнює (СЕ – еквівалентна ємність конденсаторів). Дві фази (в і с) навантаження з АІН (РК), в яких включені відповідні напрямку струму заряджання конденсаторів ключі, з’єднані між собою паралельно і послідовно з третьою фазою а. При цьому струм заряджання іЗ послідовно включеного конденсатору (фази а) в два рази більше струму конденсаторів, які з’єднані паралельно, швидкість зростання їх напруги вдвічі більше. Прирощення струму іЗ для tИ=γТМ: . Задаючи час заряджання можна обмежити середнє значення струму ІЗСР, розмах коливань струму іЗ обмежується вибором частоти ШІМ fM.

Осцилограми напруги в схемі БАІН на базі ТАІН з РК при частоті вихідної напруги 50 Гц і А=3.45 приведені на рис.4.136. При цьому коефіцієнт гармонік для uФН THD=8.8% (THD200=8.16%).

При порівнянні схем БАІН на базі ТАІН з АФ та РК перевагу слід віддати схемі з РК, оскільки не потребується додаткових ДПС, коефіцієнт гармонік напруги суттєво зменшується. Важливим також є те, що частота перемикань ключів ТАІН суттєво зменшується, так для випадку на рис.4.136 у напівхвилі напруги плеча ТАІН uА0 маємо три імпульси (із зниженням А їх кількість збільшується до 5). Це забезпечує зменшення втрат енергії в ключах ТАІН, що мають більшу н апругу.

Можливості використання АФ в каскадних схемах БАІН.

При використанні багаторівневої ШІМ у каскадних схемах БАІН для забезпечення для uФН THD на рівні 8% згідно п.4.3.2.4 необхідно мати 6 АІН на фазу (А=6). Це з урахуванням їх ДПС значно ускладнює схему БАІН.

Розглянемо можливість зменшення кількості АІН до трьох. При UВИХ=6 кВ необхідно використовувати IGBT класу 3.3 кВ (замість 1.7 кВ при 6 АІН на фазу). Для порівняння приведемо дані по енергії перемикання для існуючих IGBT (виготівники «Semikron» і «АВВ») класів 1.2, 1.7 і 3.3 кВ [5,6] :

- SKM800GA126D, Eon=65mДж, Eoff=95mДж при UCC=600 B и IC=600A;

- SKM800GA176D, Eon=335mДж, Eoff=245mДж при UCC=1200 B и IC=600A;

- 5SNA0800N330100, Eon=1Дж, Eoff=880mДж при UCC=1800 B и IC=800A.

Як бачимо, втрати енергії перемикання із збільшенням напруги зростають в три і більше разів. Таким чином, перехід на IGBT класу 3.3 кВ передбачає зниження частоти модуляції fМ. При зменшенні кількості АІН і зниженні fМ отримати потрібне значення THD для напруги БАІН неможливо.

Розглянемо вирішення питання з використанням АФ на напругу, що втричі менша напруги інших АІН. Таким чином маємо, у фазі БАІН чотири АІН при кратності напруги їх ДПС 3:3:3:1.

При використанні АІН1 з напругою ДПС U як АФ енергія передається в навантаження тільки АІН3 з напругою ДПС 3U. При цьому гранична кількість рівнів у напівхвилі вихідної напруги складе k=9 і гранична відносна амплітуда напруги фази БАІН (щодо значення U) з урахуванням модуляції напруги завдання 3-ю гармонікою АМАХ=1.15k=10.35. При вихідній напрузі 6 кВ амплітуда фазної напруги БАІН кВ. Значення U=UФm(1)/10.35=473В, 3U=1420В.

При використанні для АІН3 БШІМ зсув модулюючої напруги для АІН однієї фази БАІН складає (n – кількість АІН3). Для покращення гармонійного складу напруги при низькій частоті модуляції доцільно використовувати зсув модулюючої напруги для АІН3 різних фаз БАІН який складає . Задана синусоїдальна напруга фази БАІН відпрацьовується трьома АІН3 (для кожного з них напруга завдання однакова ). Напруга завдання для АІН1 фази БАІН визначається як напруга помилки .

При однополярній модуляції напруга однофазного мостового АІН3 (див.п.4.2.2.2) може бути розрахована як (uаN, ubN –напруга на вихідних затисках АІН3 щодо негативного затиску ДПС). Відповідно до імпульсів керування ключами АІН3, які формуються шляхом порівняння заданого u3ЗАД і модулюючої напруги трикутної форми uТР (яка симетрична щодо нуля) визначаються напруги:

Напруги фаз БАІН визначаються як сума напруги АІН3 у фазі . Напруга фази навантаження (а) .

Результати моделювання при fM3=300 Гц і fM1=3000 Гц приведені в табл.4.27 (значенню μ=1 відповідає А=9, U1m(1)a, U1m(1)b, U1m(1)c – відносні амплітуди перших гармонік вихідної напруги АІН1 у фазах БАІН).

Таблиця 4.27

Показники схеми БАІН з активним силовим фільтром

μ

1.15

1.1

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

U1m(1)a,%

2.7

4.36

1.3

7.17

10.3

2.6

3.65

1.5

7.36

3.1

2.5

6.07

U1m(1)b,%

4.8

1.6

0.2

5.16

9.2

2.1

3.82

2.6

6.08

2.86

2.5

5.82

U1m(1)c,%

2.94

2.5

3.2

4.94

8.4

1.3

4.6

2.4

6.03

1.62

2.6

6.16

THD200,%

4.2

4.7

5.5

6.8

7.78

6.6

10.7

13

17

19.8

31.9

36.9

На рис.4.137 приведені осцилограми напруги фази навантаження uФН, uФПР, напруги завдання u1ЗАД и вихідної напруги АІН1 u1 для μ=1.15.

Важливим моментом є те, що дане рішення забезпечує рівномірний спектр гармонік вихідної напруги фази навантаження і при цьому амплітуди вищих гармонік не перевищують 1% (рис.4.138).

Режим роботи АИН1 залежно від значення μ міняється при зміні напряму передачі енергії, що передбачає використання ДПС1 з двобічною провідністю. Якщо U1m(1) обмежити значенням 10%, то при АМАХ=10.35 з урахуванням того, що струми АІН1 і АІН3 однакові, потужність ДПС1 складе 0.1/10.35=0.0097 по відношенню до потужності БАІН (менше 1%). При цьому як ДПС можна використовувати однофазний активний випрямляч (див. п.5.1) на IGBT класу 1.2кВ.

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

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке 4