1. Принципы реализации активного выпрямителя тока (АВТ)
На данный момент к полупроводниковым преобразователям частоты (ПЧ) предъявляются достаточно жесткие требования по качеству входного тока потребляемого из сети переменного тока [ 1 ]. Относительно ПЧ на базе автономного инвертора напряжения эти требования могут быть удовлетворены при использовании активного выпрямителя напряжения, который обеспечивает формирование практически синусоидального тока с использованием ШИМ. При использовании в схеме ПЧ автономного инвертора тока (АИТ) возникает та же проблема с формированием входного тока. Ее решение возможно при использовании активного выпрямителя тока (АВТ) [2 ].
Цель работы.
1.1 Алгоритм работы АВТ
Схема АВТ включает в себя согласующий трансформатор (при необходимости), трехфазный мост на IGВT с сглаживающим дросселем в звене постоянного тока и входной LC – фильтр.
Для формирования входного тока АВТ используются три релейных регулятора для каждой из входящих фаз АВТ. Задается отклонение δ входного тока фазы АВТ напряжения іф относительно заданного значения iзад . Так для положительной полуволны, если iф < ізад + δ , то формируется сигнал Р = 1 на включение ключа обеспечивающего протекание во входной фазе АВТ тока положительной полярности, в противном случае Р = 0 . Для негативной полуволны аналогичным образом формируется сигнал N на включение ключа обеспечивающего протекание во входной фазе АВС тока отрицательной полярности.
Алгоритм работы АВТ предусматривает отпирание двух ключей в разных плечах моста (нагрузка подключается к источнику).
Когда нагрузка отключается от источника, открываются оба ключа в одном из плечей моста для замыкания тока выходной цепи. Работа схемы осуществляется в соответствии с сигналами тактового генератора, который формирует две последовательности (прямая – n и инверсная – m ) с частотой модуляции ƒм = 1 / Tм . Продолжительность тактового импульса (такта работы) соответствует половине периода модуляции и определяет зону работы релейной регулятора. Период выходного напряжения разбивается на шесть интервалов работы. На каждом из интервалов токи двух фаз имеют одинаковую полярность (например, a и c ), ток третьей фазы (например, в ) имеет противоположную полярность. Тогда на такте n открываются ключи в фазах a и в , на такте m открываются ключи в фазах c и в . При этом ключ фазы в открытый в течение всего интервала работы, при замыкании ключей в фазах а и с отпирается второй ключ фазы в , чем достигается замыкания тока нагрузки.
Основные показатели работы усилителей
... усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование – усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относят к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. ...
1.2 Моделирование схемы АВТ
Моделирование схемы АВТ осуществлялось с использованием программного пакета MATLAB. Структурная схема модели приведена на рис.1. Модель включает в себя трёхфазный мост на IGBT с системой управления SU , входную цепь (Input link) .
Выходную цепь образуют сглаживающий дроссель Ld , активная нагрузка и источник ЭДС (Ed) . Входная цепь включает в себя трехфазный источник переменного тока и входной сглаживающий LC фильтр. Задаются амплитуда входного тока Im , заданное отклонение δ (delta).
Рассматривались два режима работы АВТ: выпрямительный с передачей энергии в цепь выпрямленного тока (нагрузка активная и Ed = 0 ) и инверторный при обратном направлении передачи энергии (Ed > 0 ).
Изменение фазы входного тока АВТ осуществляется по входу G (Regim = 1 при φ= 0 и Regim = — 1 при φ = π) .
Осциллограммы напряжения фазы сети uA , тока фазы сети iФА , тока фазы АВТ в входной фильтр і¹ФА , выпрямленного тока іd приведены на рис.2. При этом коэффициент гармоник входного тока iФA с учетом гармоник до 37-й составил 5.26%.
В высоковольтных ПЧ в схеме АВТ используется последовательное соединение ключей. В работе предложено использовать последовательное соединение нескольких АВТ при питании их от изолированных вторичных обмоток входного трансформатора. Это исключает вопрос выравнивания напряжений ключей и позволяет решить вопрос по-улучшению гармонического состава тока на входе трансформатора без увеличения частоты переключения ключей АВС.
2. Автономный инвертор тока в режиме источника синусоидального напряжения
Регулируемый электропривод является неотъемлемым элементом системы энергосбережения. В значительной степени это касается электропривода переменного тока большой мощности, где используются высоковольтные асинхронные двигатели. При этом на первый план выходят вопросы качества преобразования энергии и к преобразователю частоты (ПЧ) предъявляются повышенные требования [ 1 ]. Для высоковольтного электропривода переменного тока «классическим» решением стало использование каскадных многоуровневых преобразователей частоты (МПЧ) типа «Perfect Harmony», схема которых достаточно сложна и при напряжении 6 кВ содержит 6 однофазных автономных инверторов напряжения на выходную фазу. Входные цепи содержат 18 выпрямителей с емкостными фильтрами, которые получают питание от трансформатора с 18 комплектами вторичных обмоток.
Преобразователь постоянного напряжения
... преобразователя являются: выпрямитель, инвертор и силовой трансформатор. Исходные данные ДАНО: Напряжение питания – U 1 = 5B10%(пост. тока) Напряжение выходное – U н = 15B1%(пост. тока) ... устойчивость к перегрузкам и т.п. Повышение частоты работы преобразователей с 50Гц до нескольких десятков килогерц ... /2 = 1,37/2 = 0,969А, I б нас – ток базы, необходимый для насыщения транзистора (А), I б нас = Iк ...
Более простое и перспективное решение в плане получения выходного синусоидального напряжения возможно на базе автономного инвертора тока (АИТ) с выходным емкостным фильтром при использовании ШИМ [ 1 – 4 ]. Тем более что форма напряжения близкая к синусоидальной обеспечивается во всем диапазоне регулирования выходной частоты. Известны решения высоковольтных ПЧ (ВПЧ) на базе АИТ [1 ], которые достаточно успешно конкурируют с МПЧ, например, Power Flex 7000 (фирма «Rockwell Аutomation»).
Структура силовых цепей ПЧ на базе АИТ в сочетании с активным выпрямителем тока существенно проще, чем у МПЧ. Схема АИТ выполнена на запираемых по цепи управления тиристорах с большими потерями на переключение. Это ограничивает возможности формирования выходного тока АИТ. Для снижения количества переключений используется избирательная ШИМ [ 1 ] с подавлением высших гармоник (5-й, 7-й, 11-й) при семи импульсах в полуволне выходного тока АИТ. При этом по данным [1 ] коэффициент гармоник (THD) выходного тока АИТ завышен и составляет порядка 5%. Несколько лучшие показатели для выходного тока и напряжения АИТ получены в [3 , 4 ] при использовании релейного регулятора для формирования тока нагрузки.
Известные решения применительно АИТ [ 1 – 4 ] ориентированы на формирование тока. Вместе с тем, вопрос использования АИТ в качестве источника синусоидального напряжения на данный момент времени изучен недостаточно. Проблема упрощения силовых цепей ВПЧ при соответствии показателей качества выходного напряжения и входного тока стандартам [5 ] на данное время остается актуальной. Ее решение будет способствовать расширению областей применения ВПЧ. Вместе с тем, перспективным является использование ПЧ на базе АИТ и в низковольтном электроприводе, где они вполне смогут конкурировать с «классическим» решением на базе двухуровневого инвертора с активным выпрямителем напряжения.
Цель работы., При этом следует решить следующие задачи:
2.1 Принцип управления АИТ в режиме источника синусоидального выходного напряжения
Схема трехфазного мостового автономного инвертора тока (АИТ) на запираемых по цепи управления ключах (рис.3) содержит выходной емкостной фильтр высших гармоник, который также обеспечивает коммутацию тока нагрузки при запирании ключей АИТ. Независимо от используемого алгоритма АИТ формирует на выходе ток іи импульсной формы, который является суммой токов конденсатора іс и нагрузки iн (iи=iс+iн) . Форма выходного напряжения АИТ при этом близкая к синусоидальной. При пульсирующем выходном токе АИТ емкостной фильтр существенно меняет его режим работы, что усложняет задачу получения синусоидального тока нагрузки.
Предложен принцип управления АИТ в режиме источника синусоидального выходного напряжения. При этом используются три релейных регулятора напряжения для каждой из выходных фаз АИТ, для которых задается допустимое отклонение δ выходного фазного напряжения Uф относительно заданного значения Uзад = U1m sin ωt .
Преобразователи напряжение-ток
... при моделировании относительное отклонение от линейности можно представить как: преобразователь ток напряжение , (8а) где SМАКС максимальное значение крутизны на участке U0. Из (8) следует, что ... может быть записано следующее уравнение: (1) Оценивать качество преобразования входного напряжения в выходной ток (ток коллектора IK транзистора) наиболее просто, находя крутизну прямого преобразования S: ...
Так для положительной полуволны Uф , если Uф < Uзад + δ , то формируется сигнал P = 1 на включение ключа, обеспечивающего протекание в выходной фазе АИТ тока положительной полярности, в противном случае P = 0 . Для отрицательной полуволны uФ аналогичным образом формируется сигнал N на включение ключа, обеспечивающего протекание в выходной фазе АИТ тока отрицательной полярности.
Формирование импульсов управления ключами АИТ осуществляется в соответствии с первой гармоникой тока iи (рис.4), которая отстает на угол β от напряжения Uф . Выходное напряжение при этом является базовой величиной, относительно которой определяются токи схемы АИТ. При этом необходимо учитывать следующие особенности использования схемы АИТ для коммутации тока источника Id :
Принцип формирования выходного напряжения АИТ иллюстрирует рис.5, где период выходного напряжения разбит на шесть интервалов (τ1 – τ6) . На интервале τ1 токи в выходных фазах а и с положительны и формируются при отпирании ключей К1 и К5 соответствующими релейными регуляторами (Ра и Рс) . Ток в фазе в при этом отрицательный и протекает через постоянно открытый ключ К4 . При запирании ключей К1 и К5 отпирается ключ К3 в фазе в, обеспечивая протекание тока источника через ключи К3 и К4 .
Напряжения управления ключами формируются в соответствии с уравнениями:
Значения переменных, принимающих единичное значение τi = 1 на соответствующих интервалах (τ1 – τ6) определяются с учетом угла сдвига фаз β выходного тока АИТ относительно напряжения задания. Значение угла β в векторной системе может быть рассчитано по составляющим тока Isy и Isx . Следует отметить, что данный алгоритм предполагает минимальное количество переключений ключей, поскольку в течение 1/6 периода выходной частоты переключения отсутствуют и соответствующий ключ АИТ открыт постоянно.
Значение тока Id на входе АИТ задается исходя из следующих соображений. Минимальное значение, при котором достигается отработка заданного значения выходного напряжения АИТ определяется первой гармоникой выходного тока Idмин = Iиm(1) . Это соответствует коэффициенту модуляции по амплитуде μ = 1 и минимальному количеству переключений ключей АИТ. При этом напряжение на входе АИТ Ud максимальное, его значение можно определить исходя из равенства активной мощности на входе и выходе АИТ (потерями в схеме АИТ пренебрегаем)
Стабилизатор напряжения импульсный
... режим работы регулирующего элемента (транзистора) с непрерывного на импульсный [1, 2]. Такие стабилизаторы получили наименование импульсных. , где tи - длительность импульса замкнутого состояния ключа; Т - период коммутации; i(t) - текущее значение тока. Напряжение на ...
Если на входе АИТ в качестве источника тока используется выпрямитель по трехфазной мостовой схеме, максимальное значение Ud = 2.34Uфс (Uфс – фазное напряжение сети переменного тока).
Таким образом, реализация преобразователя частоты на базе АИТ возможна при прямом подключении к сети без трансформатора и имеется возможность некоторого увеличения напряжения АИТ, например, при увеличении частоты выходного напряжения свыше 50 Гц.
При увеличении значения Id > Idмин коэффициент модуляции μ уменьшается при неизменном значении Iиm(1) . Таким образом, система адаптивна по заданию и не требует точного расчета значения тока Id , как это осуществляется в известных системах с работой в режиме источника тока. Это же можно отметить и по отношению к значению угла β – система сохраняет работоспособность, разве что при некотором ухудшении формы напряжения. Вместе с тем, при снижении μ частота переключения ключей fм растет, что приводит к увеличению потерь энергии в них.
Частота переключения ключей АИТ также определяется заданным значением отклонения δ и растет при его уменьшении. И здесь нужен разумный компромисс между достигаемым качеством выходного напряжения (достигается при уменьшении δ ), выбором значения Id и частоты переключения ключей. При снижении амплитуды выходного напряжения напряжение Ud на входе АИТ пропорционально снижается – потери переключения в ключах уменьшаются, и значение отклонения β .
Скорость изменения выходного напряжения АИТ определяется емкостью конденсатора выходного фильтра. Естественным является желание ее уменьшить, но это опять же приводит к увеличению частоты переключения ключей АИТ.
Применительно ВПЧ при использовании высоковольтных ключей частота fм должна быть минимальной, для низковольтных ключей с малыми потерями переключения ограничения по частоте не являются определяющими.
2.2 Моделирование процессов в системе АИТ
Моделирование выполнено при использовании программного пакета MATLAB. Разработана математическая модель, которая включает в себя (рис.6): трехфазный мост на IGBT , идеальный источник тока с входом задания Id , активно-индуктивную нагрузку (Load) , выходной емкостной фильтр (filtr) , систему управления (SU) , а также комплект измерительных приборов (на рис.4 не показан).
Задаются частота (ƒ) и амплитуда выходного напряжения (Um) , заданное отклонение δ (delta) , угол β(faza) .
Анализ и исследование схем преобразователей напряжение-частота
... значения U O П , равно τ=U ОП C/i=U ОП C/ kU ВХ , где k - коэффициент пропорциональности между входным напряжением и выходным током ГТ Рис. 1.1. Схема простейшего преобразователя напряжения ... описание, помогающие представить работу преобразователей напряжение-частота 1. ... значения времени нарастания выходного напряжения интегратора и времени переключения ... использовании транзисторного ключа для разряда ...
В процессе исследований рассматривалась отработка АИТ выходного напряжения при различных значениях параметров схемы и настройке релейного регулятора напряжения. В табл. 1 приведены показатели работы схемы АИТ при RL – нагрузке с Zн = 10 ОМ , cos π = 0.8 , емкости фильтра С = 90 мкФ (47% от значения емкости фильтра необходимой для компенсации реактивной мощности нагрузки при частоте 50 Гц) и различных значениях тока Id на входе при частоте выходного напряжения 50 Гц. При частоте выходного напряжения ƒвых=50 Гц значение угла β = 21.5° (задавалось значение β = π/8=22.5° ).
Заданное значение Um = 1250 В , δ = 40 В . Значение Idмин = 106 А . Коэффициент гармоник (THD) определялся при учете гармоник с порядком до 40. Для сравнения в [4 ] достигается коэффициент гармоник тока THDi = 1.56%.
Рисунок 6 – Модель для исследования АИТ
Таблица 1 – Результаты моделирования
Осциллограммы выходного напряжения АИТ (UФ) , напряжения задания ключа К1 , выходного тока фазы инвертора іи и тока фазы нагрузки ін при ƒвых = 50 Гц приведены на рис.7.
Рисунок 7 – Принцип формирования выходного напряжения АИТ
Предложенный принцип управления обеспечивает работу АИТ в режиме источника синусоидального напряжения. При этом гармонический состав выходного напряжения АИТ соответствует стандартам [] во всем диапазоне регулирования выходного напряжения и частоты.
Выводы
Рассмотрены принципы реализации активного выпрямителя тока с использованием релейных регуляторов входного тока. Представлена модель и результаты моделирования схемы активного выпрямителя тока в программном пакете MATLAB.
Рассмотрены принципы реализации автономного инвертирования тока в режиме источника синусоидального напряжения с использованием принципов релейной регулирования. Представлены схема модели и результаты моделирования схемы инвертора в программном пакете MATLAB.
Предметом дальнейших исследований является разработка структуры системы автоматического регулирования применительно асинхронного электропривода.
Важное замечание
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена.
Окончательное завершение: декабрь 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Виды преобразователи напряжения в электроприводе
... на: Выпрямители Инверторы Преобразователи частоты и числа фаз Преобразователи напряжения Выпрямитель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический ...
Список источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/elektroprivod-peremennogo-toka/
- IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. –USA.; IEEE Standard, Jun. 1992. 519с.
- Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковым преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер / / – Екатеринабург: УРО РАН. – 2000. – 654 с.
- Лазарев Г. Преобразователи для частотно-регулируемого электропривода / Г.Лазарев //Силовая Электроника. – 2008. – №8(132).
– С.14 –23.
- Волков А.В. Асинхронный электропривод на основе автономного инвертора тока с широтно-импульсной модуляцией/А.В.Волков, А.И. Косенко// Техн. електродинаміка. – Київ: ІЕД НАНУ. – 2008. – Тематичний. вип., Ч.1. – С.81–86.
- Волков А.В. Исследование энергетических показателей асинхронного электропривода на основе автономного инвертора тока/ А.В.Волков, А.И. Косенко// Електротехнічні та комп’ютерні системи. – К: “Техніка”. – 2011. – №(03) 79. – С. 40 –41.
- ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
- Шавьолкін О.О. Перетворювальна техніка: навчальний посібник/ О.О. Шавьолкін, О.М. Наливайко; за загальною ред. канд. техн. наук, доц. О.О. Шавьолкіна. – Краматорськ: ДДМА, 2008. – 328с.
- Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебное пособие/ Г.Г. Соколовский под общей ред. Г.Г. Соколовского – Москва: Академия – 2006. – 265 с.
- Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями: учебное пособие/ А.А. Усольцев под общей ред. А.А. Усольцева – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО – 2006. – 94 с.
- Пивняк Г.Г., Волков А.В. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2006. – 470 с.
- S.K. Mondal, J.O.P Pinto, B.K. Bose, “A Neural-Network-Based Space Vector PWM Controller for a Three-Level Voltage-Fed Inverter Induction Motor Drive”, IEEE Trans. on I.A., Vol. 38, no. 3, May/June 2002, pp.660 –669.
- S.K. Mondal, B.K. Bose, V. Oleschuk and J.O.P Pinto,“Space Vector Pulse Width Modulation of Three-Level Inverter Extending Operation Into Overmodulation Region”, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, no. 2, March 2003, pp.604–611.
- Zhou K., Wang D., Relationship Between Space-Vector Modulation and Three Phase Carrier-Based PWM: A Comprehensive Analysis, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 1, February 2002, page 186–196.
