4.3.6.2 Каскадні схеми з вихідним підсумовуючим трансформатором

Розглянуті вище рішення можна використовувати при безпосередньому підключенні АД, або при наявності проміжного підвищуючого трансформатору (наприклад у схемі двотрансформаторного ПЧ п.6). Наличие промежуточного повышающего трансформатора характерно и для энергетических установок, например, ветроэнергетической установки с низковольтными генераторами. Стабилизация и регулирование напряжения осуществляется в звене постоянного тока с последующим преобразованием в переменный ток посредством МПЧ на входе повышающего трансформатора.

Использование каскадного МПЧ с параллельным включением трехуровневых инверторов напряжения обусловлено необходимостью обеспечить функционирование системы при отключении одного из инверторов. Кроме того, мощность делится между ТАИН, что позволяет избежать параллельного соединения ключей ТАИН при одновременном улучшении качества выходного напряжения.

Рассмотрим вариант каскадного МПЧ с суммирующим выходным трансформатором, схема силовых цепей которого приведена на рис.2.37. Особенность данного решения в том, что предполагается одновременная (параллельная) работа нескольких (n) инверторов на общий трансформатор при использовании n независимых комплектов первичных обмоток.

Д ля анализа принципа реализации МПЧ используем схему замещения рис.2.38 с общим намагничивающим контуром Z₀. МДС идентичных обмоток, размещенных на одном стержне трансформатора, суммируются .

ЭДС е_а создается совместным действием фазных напряжений всех инверторов. Представим фазы ТАИН как источники ЭДС е_аi=u_ai. Напряжение в намагничивающем контуре в соответствии с методом узловых напряжений:

, (2.35)

где - проводимость фазы первичной обмотки, - проводимость намагничивающего контура, - проводимость выходной цепи.

Приводим параметры обмоток к первичной обмотке, тогда для выходной обмотки Х¹₂=n²Х₂ (n=U₁/U₂). Исходим из данных опыта КЗ, когда короткое замыкание имеет место для всех первичных обмоток. Тогда , эквивалентное сопротивление первичных обмоток Z_1Э=Z₁/n. Принимаем, что Z_1Э=Z¹₂=Z_k/2 тогда сопротивление первичной обмотки Z₁=nZ¹₂. С учетом этого γ₂=nγ. Если пренебречь γ₀, получаем:

. (2.36)

Рассмотрим трансформатор с u_k=10%, при этом для номинальной нагрузки составит примерно 9. Тогда при n=2 получаем: (для первой гармоники U₀₍₁₎₌0.95U₍₁₎). В режиме холостого хода: .

Из (2.36) следует, что напряжение в намагничивающем контуре и, соответственно, на выходе трансформатора определяется суммой выходных фазных напряжений ТАИН, как и в каскадных МПЧ с последовательным соединением инверторов. При использовании синусоидальной ШИМ с достаточно высокой частотой f_m модулирующего напряжения спектр выходного напряжения ТАИН содержит основную (первую - f) и высшие гармоники в полосе частот с центрами кратными частоте модуляции m_f=f_М/f, 2m_f, 3m_f, и т.д. Использование суммирующего трансформатора предполагает максимальное ослабление в выходном токе ТАИН постоянной и низкочасттных составляющих, что может быть достигнуто при полной симметрии положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения фаз ТАИН и использованием высокой f_М.

Для улучшения гармонического состава u₀ при одинаковом напряжении задания разных ТАИН целесообразно использовать для них сдвиг модулирующих напряжений по фазе на угол . При двух ТАИН . Высшие гармоники напряжений ТАИН в полосе частот с центрами, кратность которых нечетная, изменяются в противофазе, и будут отсутствовать в выходном напряжении трансформатора. В то же время, остальные гармоники суммируются, но их относительное значение остается неизменным. Таким образом, THD снижается практически вдвое, а эквивалентная частота модуляции удваивается. Количество уровней в результирующем напряжении u₀ при этом N=17.

Ток в первичной обмотке трансформатора: .

Гармоники тока: .

Таким образом, ток первичной обмотки содержит основную и высшие гармоники в полосе частот с центрами, кратность частот которых нечетная (в u₀ они отсутствуют). Высшие гармоники тока первичных обмоток изменяются в противофазе, и в выходном токе будут отсутствовать. Ток, обусловленный действием этих гармоник по аналогии с параллельным соединением АИН, назовем уравнительным. Значение уравнительного тока практически не зависит от нагрузки.

В намагничивающем токе и токе вторичной обмотки высокочастотные составляющие минимальны, и не оказывают существенного влияния на мощность потерь в стали. Вместе с тем, наличие высокочастотных составляющих тока первичных обмоток обуславливает увеличение действующего значения тока и потерь энергии на нагрев обмоток, другой фактор увеличения потерь – вытеснение тока на поверхность проводников высокочастотными составляющими. Амплитуды высокочастотных гармоник тока определяются частотой модуляции f_М и индуктивностью первичной обмотки L₁.

Гармоника тока первичной обмотки с кратностью k (активным сопротивлением обмотки пренебрегаем):

,

где U₍₁₎ - действующее значение первой гармоники, U_(k) – относительное значение гармоники напряжения фазы с кратностью k.

В соответствии с определением опыта КЗ: . При одновременном включении всех обмоток ток одной первичной обмотки . Относительное значение наибольшей гармоники тока:

.

В спектре напряжения фазы ТАИН (рис.4.)при частоте модуляции f_M=2000Гц наибольшими являются гармоники в полосе частот с центром m_f=40 – максимальное значение составляет U₍₃₅₎=U₍₄₅₎=10.5% от первой гармоники U₍₁₎ (в той же полосе частот (рис.4. ) имеем амплитуды гармоник напряжения U₍₃₉₎=U₍₄₁₎=7.5% и U₍₃₃₎=U₍₄₇₎=3.5%). Ограничение значения наибольшей гармоники тока на уровне 10% достигается уже при u_k=6%.

Для ефективного придушення амплітуди зрівнювального струму без підвищення u_k слід підвищувати значення f_M в три і більше разів.

Каскадні схеми з послідовним з’єднанням інверторів за колом

постійного струму при загальному джерелі живлення

У вітроенергетиці для генераторів середньої напруги (3.3-10кВ) з постійними магнітами та випрямлячем доцільно використання n низьковольтних АІН, що за колом постійного струму з’єднані послідовно. Кожний АІН має у колі постійного струму підвищуючий імпульсний перетворювач для стабілізації напруги. Вихідні кола АІН мають реактори і через окремі двохобмоткові або підсумовуючі трансформатори підключено до мережі змінного струму. При цьому використовуються принципи, що розглянуто вище. Це рішення при потужностях у декілька МВт за рахунок підвищення напруги генератора дозволяє значно зменшити струм, що спрощує передавання енергії до перетворювача.