Полное спектральное моделирование НПЧ

Спектральная модель НПЧ по схеме рис. 1. б состоит из моделей АИТ и АИН, принципы построения которых изложены выше. При моделировании производится адаптация законов управления двух частей НПЧ, обеспечивающая идентичность интервалов протекания тока id. Адаптация заключается, во-первых, в согласовании длительности импульсов тока id (адаптация ширины импульсов), во-вторых, необходимо обеспечить включение ключей АИТ в момент начала протекания тока id во входной цепи АИН (фазовая адаптация). Угол взаимного сдвига может быть найден априорно, он определяется принятым законом управления и коэффициентом модуляции. Например, при реализации варианта В1 управляющие импульсы АИТ задерживаются на постоянный угол = (1 — km) (здесь имеется в виду частота коммутации ключей АИТ).

При выборе вариантов В1 и В2 возможна реализация в АИН как модуляции фронта (или среза) импульсов, так и симметричная модуляция. При реализации симметричной ШИМ в АИН на межкоммутационном интервале АИН формируется два импульса тока i_d (см. рис. 4, в), поэтому частота коммутации ключей АИТ (V1V6) в схеме рис. 1, б будет в два раза выше, чем в ключах АИН (V7V12). В два раза увеличивается и частота коммутации ключей МПЧ рис. 1,а. Преимуществом симметричной ШИМ в АИН является меньшая амплитуда гармоник выходного напряжения, расположенных вблизи частоты коммутации, что особенно проявляется при малых коэффициентах модуляции. Этот факт определяет меньшее значения K_г1, однако в НПЧ это преимущество несущественно в связи со значительным негативным влиянием на коэффициент K_г1 паразитных низкочастотных гармоник (см. табл. 1−2). Представляется более рациональным использование в АИН НПЧ широтно-импульсной модуляции по фронту (или по срезу), тогда повышение частоты коммутации благотворно будет влиять и на показатели качества выходного напряжения, и сетевого тока НПЧ. Увеличении частоты коммутации целесообразно лишь в той мере, в которой это позволяют свойства полупроводниковых приборов (увеличение частоты коммутации приводит не только к возрастанию потерь на коммутацию, но и к появлению существенных искажений выходного напряжения, обусловленными процессами в течение «мертвой» паузы).

На рис. 8 приведены результаты спектрального моделирования НПЧ с модуляцией среза импульсов АИН (для наглядности диаграмм частота коммутации выбрана низкой — f_к = 600 Гц). В представленных диаграммах k_m =0,3, f_вых = 25 Гц, нагрузка на основной частоте имеет cos = 0,9. На рис. 8 представлены: а) управляющий сигнал АИТ и сигнал развертки модели вертикальной системы управления АИТ (на диаграмме виден сдвиг сигнала развертки на угол); б) напряжение u_d; в) управляющий сигнал АИН и сигнал развертки модули вертикальной системы управления АИН; г) фазное выходное напряжение АИН u_a; д) выходные токи НПЧ i_a, i_b, i_с; е) ток i_d; ж) входной ток НПЧ i_A и фазное напряжение сети.

На рис. 9 представлены спектры выходного напряжения и входного тока НПЧ при f_к = 6 кГц, k_m =0,3, f_вых = 25 Гц, cos = 0,9, в спектрах рассчитывались все гармоники от 0 до 7,5 кГц. В табл. 3 представлены показатели качества НПЧ, полученные в процессе модельного эксперимента при симметрии напряжения сети (столбцы «симм.» в таблице). Для сравнения приведены показатели качества выходного напряжения преобразователя частоты со звеном постоянного тока, на выходе которого в инверторе напряжения реализуется ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой и выдержано то же соотношение выходной частоты и частоты коммутации (столбцы «АИН», данные набраны курсивом). При расчете параметра учитываются только гармоники ниже частоты f_гр = 2,5 кГц, т. е. полагаем, что входной фильтр пропускает в сеть токи с частотами f < f_гр и замыкает накоротко гармоники с частотами f > f_гр (идеальный фильтр).

Табл. 3. Показатели качества НПЧ с трапециидальным законом управления.

Сравнение данных табл. 3 и 1 показывает дополнительное ухудшение показателей преобразователя. Значительное увеличение коэффициента гармоник K_г обусловлено учетом интенсивных гармоник в высокочастотной области спектра, однако в локальном АИН коэффициент гармоник K_г также велик и отличается от показателей НПЧ незначительно. Однако высокочастотная область спектра меньше воздействует на нагрузку, коэффициент K_г1 дает более адекватную характеристику качества выходного напряжения. Поскольку в АИН область спектра между выходной частотой и областью частот вблизи частоты коммутации лишена гармонических составляющих, коэффициент K_г1 АИН характеризует влияние высокочастотной области спектра. Увеличение K_г1 НПЧ по сравнению с K_г1 АИН связано с появлением в спектре низкочастотных гармоник, расположенный вблизи выходной частоты, их роль отражена в табл. 1. Значительное увеличение K_г1 НПЧ по сравнению с АИН показывает, что низкочастотные паразитные гармоники играют основную роль в ухудшении качества выходного напряжения НПЧ.

Для преобразователей в системах частотного электропривода характерна работа с малыми коэффициентами модуляции при малых выходных частотах и большими коэффициентами k_m при максимальных f_вых. Как видно из табл. 3, названные режимы соответствуют большим значениям коэффициента гармоник K_г1. Повышение частоты коммутации позволяет уменьшить значения K_г1 лишь при f_вых > 50 Гц. При, А коэффициенты K_г1 стремятся к значениям K_г1*.

Поскольку идеальный входной фильтр блокирует поступление в сеть гармоник с частотами f > f_гр, воздействие высших гармоник входного тока, обусловленных импульсной модуляцией этого тока, на спектр ослаблено. Изменение показателя качества сетевого тока по сравнению с усредненной моделью связано с появлением дополнительных составляющих в низкочастотной части спектра, вызванных амплитудной модуляцией тока i_d, которая не учитывалась при построении усредненной модели (сравним спектры рис. 7, к и 9, б). При работе с малыми коэффициентами модуляции основная гармоника сетевого тока уменьшается, и в спектре начинают играть роль гармоники, вызванные импульсной модуляцией кривой тока, которые не подавлены идеальным фильтром, поскольку для трехфазных АИТ, как указано выше, характерно отсутствие области частот свободной от гармоник.