Несимметричные режимы трехфазного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности

Несимметричные режимы трехфазного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности

Рассмотрен двухквадрантный преобразователь с активной коррекцией коэффициента мощности на базе трехфазного мостового инвертора напряжеций.

Постановка задачи. Интенсивная разработка однофазных выпрямитетеля.

При анализе считаем напряжение сети синусоидальным, прния [1−3].

Схема замещения устройства приведена на рис. 1б. Инвертор напряжобразователь подключен к сети по трехпроводной схеме.

Спектр напряжений на стороне переменного тока инвертора с ШИМ по синусоидальному закону при частоте коммутации fк = Af >>f, где fчастота сети, содержит основную гармонику с частотой f и гармоники, расположеразователе.

Анализ преобразователя по усредненным составляющим. Напряжения сети переменного тока запишем на основе метода симметричных составлящих:

UA = UAm ;

UB = UBm ;

UC=UCm (1).

где j =.

Параметры напряжения сети UA, уA, UB, уB, UC, уC к.

В симметричной схеме для обеспечения коэффициента мощзовые напряжения инвертора должны соответствовать [3].

UиA = Ki Um ej;

UиB = Ki Um e j (-/3);

UиС = Ki Um e j (-/3),(2).

где лем, а угол сдвига.

= - arccos (1/Ki)(3а).

в выпрямительном режиме,.

= + arccos (1/Ki)(3б) в инверторном режиме.

По схеме рис. 1б любым тривиальным методом находим фазовые токи:

IA =.

IB =.

IC = (4).

Углы сдвига фазового тока от напряжения сети определяются цA = уA — оA;

цB = уB — оB;

цC = уC — оC .

Полная мощность.

S = SA +SB + SC = .

Составляющие полной мощности определяются:

Активная мощность.

P = PA + PB + PC = .

Реактивная мощность.

Q = QA + QB + QC = .

Мощность несимметрии.

N=.

Определим ток i0, протекающий в цепи постоянного тока. Этот ток может быть записан через фазные токи и переключающие функции ключей инвертора V1, V3, V5 (см. рис. 1a) [4]:

i0 = - (iA F1 + iB F3 + iC F5), (5).

где Fi = 1, если ключ Vi проводит ток, Fi = 0, если Vi заперт.

При использовании метода усредненных значений необходимо в этом выражении заменить переключающие функции их усредненными на межкоммутационном интервале значениями, тогда усредненные переключающие функции равны.

F1 (t) = п);

F3 (t) = п);

F5 (t) = (6).

где Uп — напряжение на стороне постоянного тока.

Кривая мгновенной мощности на стороне постоянного тока p (t) = i0(t)· Uп имеет ту же форму, что и кривая i0(t), пульсации тока обусловлены пульсациями мгновенной мощности.

Несмотря на простоту схемы замещения вывод аналитических зависиэтому для исследования процессов на основе выражений (1)-(6) реализована усредненная модель преобразователя в базисе MathCad.

Режимы управления преобразователем. Можно осуществить управление преобразователем (формирование напряжений на выхде инвертора на стороне переменного тока) различными способами.

Способ 1. Симметричное управление. При этом напряжения инвертора на стороне переменного тока формируются так же, как при симметрии сети и равенстве индуктивностей фазовых реакторов, т. е. в соответствии с выраждовательности фазовых напряжений.

В результате моделирования установлены следующие законмерности:

Активная мощность P, реактивная мощность Q и коэффициент пульс4%).

Коэффициент пульсаций kп не зависит от наличия и интенсивности нлевой последовательности напряжений сети.

При регулировании активной мощности (за счет изменения коэффицняты 4%.

Ухудшение параметров преобразователи при снижении перстоянного тока.

Воздействие несимметрии индуктивностей фазовых реакторов иссли kсг = 6,5% при P/Pмакс=0,2.

При одновременном воздействии несимметрии сети и несимметрии фазных индуктивностей возможны режимы, когда негатиных факторов суммируется.

Способ 2. Управление фазовыми токами. При создании ККМ традицства.

Рассмотрим две возможные версии способа 2.

Способ 2-а. Фазовые токи повторяют форму фазовых напряжений за исключением в последних составляющих нулевой послности.

Способ 2-б. Фазовые токи симметричны и синфазны (или противофаны) прямой последовательности фазовых напряжений сети. Сдвиг токов на 180о обеспечивает переход из инверторного режима в выпрямительный.

Рассмотрим вначале работу от несимметричной сети при равенстве индуктивностей фазовых реакторов. Из схемы замещения видно, что для исключения обратной последовательности в фазовых токах достаточно добавить к фазовым напряжения инвертора сзи).

Напряжения инвертора при этом.

UиA = Ki Um ej;

UиB = Ki Um e j (-/3) — ;

UиС = Ki Um ej (-/3) -(7).

Исследования на усредненной модели при Рассмотрим воздействие несимметрии индуктивностей фазовых реак.

UиA = Ki Um ej;

UиB = Ki Um ej (/3) — ;

UиС = Ki Um ej (/3) — (8).

где коэффициент w подбирается при активном эксперименте на модели (целевой функцией является симметрия фазовых токов). В результате полуции способа 1.

Таким образом, реализация способа управления 2б, ности дальнейшего снижения kп. преобразователь мощность трехфазный напряжение.

Способ 3. Минимизация пульсаций тока i0. Выше было отмечено, что пульсации тока обусловлены пульсациями мгновенной мощности на стороне постоянного тока. Мгновенная мощность на стороне переменного тока ключевой схемы инвертора (без фазовых реакторов) имеет то же значение.

p (t) = iA (t) uиA (t) + iB (t) uиB (t) + iC (t) uиC (t) = i0(t) Uп.(9).

При реализации способа 1 напряжения инвертора U составляют сиции U.

Рассмотрим вариант, когда обе функции U и I содержат и прямую, и обратную последовательности. При этом считаем индуктивности фазовых реактгда.

UиA = Ki Um e-j + kк Um e j;

UиB = Ki Um ej (-/3)+ kк Um e j (й — 4р/3);

UиС = Ki Um ej (- - 4/3) + kк Um e j (й — 2р/3).

Фазовые токи определяем методом суперпозиции, выделяем вначале прямые, а затем ставляющие напряжений сети и инвертора:

IA = [e j (-р/2) + Ki ej (—р/2) + ko ej (х-р/2)+kй — р/2)];

IB = [e j (-р/2−2р/3) + Ki ej (—р/2−2р/3) + ko ej (х-р/2−4р/3)+kй — р/2−4р/3)];

IC = [e j (-р/2−4р/3) + Ki ej (—р/2−4р/3) + ko ej (х-р/2−2р/3)+k ej (й — р/2−2р/3)].

Пульсации мгновенной мощности p возникают при перемножении прямой последовательности одной функции на обратную по Дp = ;

+ (10).

где и = 2р f t.

Приравняв выражение (10) к нулю, получим.

Решив уравнение, можно найти параметры корректирующего сигнала kк и йбой несимметрии сети.

Покажем это на примере. Рассматривается режим работы сети, когда индуктивности фазовых реакторов равны, а сеть несимметрична: гого случая несимметрии напряжения сети и/или при неравенстве индуктиняются.

Из сравнения диаграмм рис. 3 а и б видно, что отличия в ходе кривых при реализации способов управления 2б и 3 очень незначщее:

пульсации тока i0 очень чувствительны к отклонениям напряжений ивертора;

программное управление (расчет корректирующего сигнала и его генерация инвертором посредством формирования соответствка i0.

Для практической реализации системы управления, реализующей способ 3, требуются детальные и, по-видимому, достаточно трудоемкие исслсоб 2б.

Спектральное моделирование преобразователя. жимов работы преобразователя.

Спектральная модель трехфазного мостового инвертора с ШИМ описвидности ШИМ (ШИМ-1 или ШИМ-2, ШИМ по фронту, по срезу или ШИМ с двухсторонней модуляцией фронта и среза).

Моделируем способ управления 2б в режиме, используемом при построении рис. 3. Реализуем трехфазный ШИМ-2, коэффицется.

Kм =.

Управляющие сигналы системы управления инвертора uуA, uуB, uуC приведены на рис. 4а (в примере А=36, что соответствует частоте коммутаСигнал развертки.

r (и) = - 2 arcsin[sin (Aи — р/2)].

также приведен на рис. 4а (в качестве примера рассмотрена симметричная модуляция фронта и среза).

Напряжения инвертора на стороне переменного тока формруются при сравнении управляющего и развертывающего сигналов.

uиА (и) = if [r (и) < uп, 0] - Uп/2;

uиB (п, 0] - Uп/2;

uиC (Uп, 0] - Uп/2,(11).

где if — обозначение логической операции «если».

Находим разложение напряжений в выражении (11) в ряд Фурье, при этом достаточно найти 1-ю ляются.

F1(и) = if [r (и) < uуA (и), 1, 0];

F3(и) = if [r (и) < uи), 1, 0];

F5(и) = if [r (и) < uи), 1, 0].

Временная диаграмма тока i0 приведена на рис. 4 г. Несмотря на амплитудную модуляция тока частотой 6f, разложение в ряд Фурье показывает, что шестая гармоника в токе незначительна, однако присутствует вторая гармоника, обусловленная работой несимметричной сети, что выявлено при исследовании усредненной модели.

Действующие значения напряжений сети и фазовых токов определяюем [3].

Рассмотрение диаграмм рис. 4 позволяет убедиться, что реализация способа управления 2б обеспечивает равенство и симметрию основных гармоник фазовых токов преобразователя, фазовыециент пульсаций kп = 6,9%.

При снижении активной мощности P показатели преобразователя изменются, что иллюстрирует таблица.

Таблица

Снижение коэффициента мощности связано с тем, что для уменьшения передаваемой активной мощности, снижается напряжение основной гармсти.

Влияние активной мощности и выбора частоты коммутации на коэффициент пульсаций незначительно. При активном эксперименте на спектральной моделисаций.

Выводы

Несимметрия сети вызывает снижение коэффициента мощности и потельности напряжения сети.

При формировании симметричной системы фазовых токов, синфазных (или противофазных) прямой последовательности фазового напряжения (способ управления 2б) коэффициент мощности и коэффициент пульсаций тока i0 не зависят от активной мощности преобразователя, коэффициент пульсаций равен kп = 6,9% приkп = 3,4%.

Коэффициент пульсаций очень чувствителен к погрешностям в заднии напряжений инвертора на стороне переменного тока.

Выведены зависимости для формирования корректирующего сигнала фазовых напряжений инвертора, позволяющего устранить пульсации тока i0 при сохранении высокого коэффициента мощнсти.

Выбор частоты коммутации может производиться без учета несиммесаций.

• 1. сти//Практическая силовая электроника, вып. 6/2002.
• 2. Зиновьев Г. С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажений и мощности несимметрии на базе инветора напряжения. — в кн. Современные задачи преобразовательной техники, ч.2 — Киев: Изд. АН УССР.1975.
• 3. Чаплыгин Е. Е, Стекленев А. Е. Двухквадрантный преобразователь с активной коррекцией коэффициента мощности//Практическая силовая электрника, вып. 10/2003.
• 4. Чаплыгин Е. Е., Малышев Д. В. Спектральные модели автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцей//Электричество, № 8, 1999.
• 5. Круг К. А. Основы электротехники, т. 2, изд. 6-е, М.:ГЭИ, 1946.