Веретенникова2

УДК 621.314
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД КОНДЕНСАТОРОВ В СХЕМЕ ГИБРИДНОГО
МНОГОУРОВНЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
Веретенникова Т.Е., студент; Шавёлкин А.А., доц., к.т.н.
(Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина)
В схеме несимметричного гибридного
многоуровневого преобразователя
частоты на базе схемы трехуровневого автономного инвертора напряжения (АИН) с
двумя дополнительными однофазными АИН в выходной фазе при соотношении
напряжений базового и дополнительных инверторов 6:3:1 АИН с минимальным
напряжением может быть выполнен без источника постоянного тока. Здесь возникает
важный момент – обеспечение предварительного заряда конденсатора дополнительного
АИН (ДАИН).
Анализ показывает, что вопрос достаточно просто решается в комплексе с
зарядом конденсаторов всех АИН при использовании на входе базового АИН
управляемого выпрямителя или при введении в его входную цепь зарядных резисторов
R3, которые по окончании заряда шунтируются контактором. Конденсаторы
дополнительных АИН заряжаются через нагрузку без использования дополнительного
оборудования, но в схему добавляется контактор для отключения выпрямителей
ДАИН3 на период заряда. При этом важно обеспечить выравнивание напряжений на
них по фазам, напряжения и токи в фазах нагрузки при этом должны быть
минимальными, исключая возможность создание даже минимального значения
вращающего момента двигателя. Такая возможность достигается при формировании на
фазах двигателя переменного напряжения при фиксированной частоте. Причем оба
ДАИН работают в режиме выпрямления, их напряжения вычитаются из напряжения
базового АИН, т.е. к нагрузке прикладывается разница напряжений конденсаторов
БАИН и ДАИН. Базовый АИН работает в режиме 6ти-тактного коммутатора при
длительности проводящего состояния ключей половина периода, его напряжение u1
принимает два значения +U и –U. Напряжения ДАИН по отношению к u1 изменяется в
противофазе, что соответствует передаче энергии в звено постоянного тока.
Если пренебречь сопротивлениями схемы ДАИН и нагрузки, то конденсаторы в
фазе соединяются последовательно (рис.1,а). И здесь возникает проблема: при
одинаковом токе заряда конденсаторов и различной их емкости (С1>С3) скорость
заряда будет различной, различны и конечные значения напряжения на них. Причем
длительность заряда С1 существенно
большею.
RЗ
RЗ
Анализ показывает, что проблема
С3 С1
С6
С6
заряда может быть решена в три этапа
(рис.3): вначале на интервале (0, t1)
СЭ
С6
С6
заряжаются конденсаторы С6 и С1
базового и ДАИН1 (ДАИН3 при этом
работает в режиме u3=0) с зарядом С1
а)
б)
до напряжения U С10; затем на
Рис.1. Эквивалентные схемы цепей
интервале (t1, t2) осуществляется
заряда
одновременный
заряд
всех
конденсаторов до полного заряда С1 и С3, завершается процесс дозарядом
конденсаторов базового АИН Второй этап завершается по достижении uС1=U после
чего базовый АИН переводится в нулевое состояние, когда выходы соединены с одним
полюсом источника.
Закон изменения напряжения на входе БАИН uС определятся эквивалентной
емкостью цепи, приведенной к входу БАИН (рис.1,б). Каждому этапу заряда
соответствует своя эквивалентная емкость. Поскольку БАИН работает в режиме 6титактного коммутатора всегда две фазы включены параллельно и последовательно с
третьей (рис.1,а).
Этап 1. Эквивалентная емкость фазы СФ1  С1  33711 мкФ, для параллельных
ветвей СФ11=2СФ1, эквивалентная емкость выходной цепи БАИН СЭ1 
2(СФ1 ) 2 2
 С1 .
3СФ1
3
С
2
С1  6  23155 мкФ.
3
2
СС
33711  5108
 4436 мкФ,
Этап 2. Эквивалентная емкость фазы СФ 2  1 3 
С1  С3 33711  5108
для параллельных ветвей СФ21=2СФ1, эквивалентная емкость выходной цепи
2(СФ 2 ) 2 2
 СФ 2 .
БАИН СЭ 2 
3СФ 2
3
С
2
2
1362
 3638 мкФ.
Результирующая емкость С Р 2  СФ 2  6  4436 
3
2
3
2
С
Этап 3. Результирующая емкость С Р 3  6 .
2
Результирующая емкость С Р1 

t
Напряжение на входе БАИН uC  12U (1  e  ) , где: τ=RЗСР – постоянная времени
заряда. Напряжение на конденсаторе С6 соответственно в два раза меньше.
Осциллограммы напряжений на конденсаторах ДАИН1 (этап 1) в двух выходных
фазах uCA
и uCВ, а также
u,
напряжения uФ и тока iФ фазы
ΔUC
i
нагрузки приведены на рис.2. С
uC1В
учетом
характера
нагрузки
uC1А
(неподвижный АД характеризуется
uф
практически одним реактивным
сопротивлением
ZK=6.3Ом,
iф
ХK=6.05Ом)
ток
нагрузки
01
0
практически
синусоидален
и
t
φ
отстает от напряжения на угол φ
близкий к 90˚. Данные двигателя
UНОМ=6кВ,
РНОМ=875кВт,
Рис.2. Осциллограммы напряжений и тока
IНОМ=100А,
параметры
схемы
нагрузки в процессе заряда
замещения ZK=6.3Ом, ХK=6.05Ом
(LK=19.27mГн), RK=1.71Ом.
k (U С 6U С1 )
Действующее значение тока: I H 
(k=0.45 - коэффициент
ZК
преобразования напряжения 6-ти тактного АИН). Форма напряжения также несколько
сглаженная.
При известном токе, если совместить начало отсчета 01 с моментом переходом
тока через ноль, приращение напряжения на конденсаторах ДАИН за половину периода
– интервал (–φ, (π-φ)):
I
I
1 Т /2
U C 
I m sin tdt   Нm cos[cos(   )  cos(  )]  Нm 2 cos  .

CФ 0
CФ
CФ
4 2I Н
cos  .
CФ
Из рис.2 нетрудно заметить, что напряжения конденсаторов ДАИН в разных
фазах изменяются по идентичным законам и близки по значению.
t
duC 6 6U 

e . Перейдем к
Скорость изменения напряжения на конденсаторе С6
dt

конечным приращениям U C за i - тый
период T выходного тока
За период приращение U C 
Ti
U C  T (
duC
T 6U  
1
)i 
e , где t  T  .
dt

f
Ti
Приравняем значения приращений U C 
4 2I Н
T 6U  
e . Отсюда закон
cos  =

CФ

3CФTU  

e  Be  .
2 cos 
Ti
изменения
амплитуды
выходного
тока I Hm
Ti
Максимальное
значение его амплитуды:
1
ULk
3CФULk
f
.
(1)
В

2 R3C P Rk
R3C P Rk
Емкость С3 в 6.6 раза меньше С1, а конечные напряжения на них составляют
UC1=U и UC3=3U. При одинаковом токе заряда за время второго этапа напряжение
приращение uC1 составит uC1=3U/6.6=0.45U. Соответственно напряжение uC1 к концу
первого этапа uC10 =0.55U и, если пренебречь напряжением нагрузки:
3  2fCФ
uC 6  6U (1  e
t
1

)  0.55U
t
1
1
После преобразования получаем e  0.908 или ln( 0.908)  0.0965 . Отсюда:
t1
 0.0965 .
(2)
R3C P1
В соответствии с (2) можно задаться t1 и сопротивлением зарядного резистора.
Исходя из того, что В не должно превышать 10-20% от амплитуды номинального
тока
двигателя
можно
в
6U
u
соответствии с (1) рассчитать
частоту выходного напряжения.
uC6
Аналогичным образом можно
рассчитать и другие параметры
процесса
заряда.
Следует
uC1
U
отметить,
что
расчет
дает
t
0
приближенные
значения,
поэтому
UC10
начало третьего этапа фиксируется
uC3
по достижению uC1=U. Значение
3U
напряжения uC3 не является
t1
t2
0
критичным и устанавливается при
t
iH
подключении
ДАИН3
к
выпрямителю.
0
t
Осциллограмма
процесса
предварительного
заряда
по
Рис.3. Осциллограмма предварительного
заряда конденсаторов
результатам моделирования приведена на рис.3.