10.3.3. Схема каскадных преобразователей
Каскадные преобразователи также обеспечивают многоуровневое формирование выходного напряжения. Они строятся на базе Н-мостовых ячеек, которые представляют однофазный преобразователь. В отличие от рассмотренных выше многоуровневых преобразователей каждая ячейка должна питаться от изолированного источника постоянного напряжения. Поэтому на входе каждой ячейки предусмотрен индивидуальный трехфазный мостовой выпрямитель, который, в свою очередь, питается от отдельной вторичной обмотки многообмоточного трансформатора. Выходы ячеек включаются последовательно, как показано на рис.10. 11.
Рис.10.11. Упрощённая схема каскадного преобразователя на Н-ячейках с многообмоточным трансформатором
Поскольку каждая ячейка обеспечивает три уровня выходного напряжения: Ud, 0 и -Ud, при n последовательно включенных ячейках обеспечивается 3 + 2(n - 1) уровней выходного напряжения преобразователя в целом. При трех ячейках в фазе возможно получение 7 уровней фазного напряжения, а при 5 ячейках --11. Благодаря такой конфигурации суммарный коэффициент гармоник не превышает 3 %.
Пример формирования выходного напряжения одной фазы преобразователя показан на рис.10.12. На случай аварии одной из ячеек в каждой ячейке предусмотрен обходной контактор. При возникновении аварии он закорачивает выход ячейки, исключая ее из последовательной цепи, а исправные ячейки могут продолжать работу.
Это позволяет использовать низковольтные инверторные ячейки. Ячейка выполняется по схеме: неуправляемый трехфазный выпрямитель, емкостной фильтр, однофазный инвертор на IGBT транзисторах. Выходы ячеек соединяются последовательно. В приведенном примере каждая фаза питания электродвигателя содержит три ячейки. По своим характеристикам преобразователи находятся ближе к схеме с последовательным включением электронных ключей.
В настоящее время высоковольтные каскадные преобразователи частоты на Н-мостовых ячейках находят широкое применение в электроприводах переменного тока с частотным регулированием. Так, корпорация Mitsubishi Electric предлагает схему построения высоковольтного преобразователя частоты, которая в настоящее время является наиболее современной.
Рис. 10.12. Формирование выходного напряжения одной фазы преобразователя с тремя ячейками: а-в -выходные напряжения ячеек; г- выходное напряжение преобразователя с многообмоточным трансформатором
Схема состоит из входного трансформатора, многоуровневого инвертора и системы управления. Входной трансформатор служит для преобразования трехфазного входного напряжения 6 кВ в 18-фазное выходное напряжение 578 В, которое после выпрямления питает ячейки инвертирования.
В настоящее время высоковольтные каскадные преобразователи преобразователи частоты на Н-мостовых ячейках находят широкое применение в электроприводах переменного тока с частотным регулированием. Так, корпорация Mitsubishi Electric предлагает схему построения высоковольтного преобразователя частоты , которая в настоящее время является наиболее современной. Схема состоит из входного трансформатора, многоуровневого инвертора и системы управления. Входной трансформатор служит для преобразования трехфазного входного напряжения 6 кВ в 18-фазное выходное напряжение 578 В, которое после выпрямления питает ячейки инвертирования. Основной особенностью данного трансформатора является то, что его вторичные обмотки разделены на три группы по шесть обмоток в каждой. Фазовый сдвиг между соседними обмотками в группе составляет 10°, а между первой и шестой обмотками группы -- 50°. Каждая выходная обмотка трансформатора нагружена на выпрямитель своей ячейки инвертирования. Преобразователи имеют хорошие удельные массогабаритные показатели. Диапазон изменения выходной частоты от 0 до 250-300 Гц, а КПД преобразователей достигает 97,5 %. Система управления позволяет реализовать различные законы регулирования частоты выходного напряжения в широком диапазоне (0,1-100Гц), а также векторное управление.
Вопросы для самоконтроля
Какие общие признаки объединяют силовые электронные преобразователи электроэнергии?
Приведите примеры структурных схем прямого и непрямого выпрямителей.
Перечислите основные электрические параметры следующих преобразователей электроэнергии: выпрямителя, преобразователя постоянного тока в постоянный, инвертора и преобразователя частоты.
Во сколько раз изменится входная полная мощность S преобразователя, который работает с cos φ = 0,7, если коэффициент искажения тока γ увеличится в 3 раза при неизменной активной мощности Р ?
В нагрузку выпрямителя включили последовательно реактор L. Как изменится коэффициент пульсаций тока Кп1 в нагрузке?