Full Text

Введение. В настоящее время в мировой электроэнергетике наблюдается устойчивая тенденция роста установленной мощности энергоустановок. Такая тенденция связана с развитием промышленного комплекса, освоением новых технологий, увеличением объема добычи и переработки природных ресурсов, а также исследованием новых территорий. Большая доля среди потребителей электроэнергии приходится на регулируемый электропривод, без использования которого немыслима работа промышленных предприятии, систем водоснабжения, горно-металлургических комплексов, электротранспорта и т.д. Использование регулируемого электропривода позволяет получить лучшие функциональные возможности установок и механизмов, осуществить автоматизацию технологического процесса и, что самое важное, осуществить экономичное регулирование потока энергии [1, 2]. Особое место в электроприводе отводится электрическому преобразователю, посредством которого осуществляется управление электрической машиной и осуществляется регулирование потока энергии в электрическом силовом канале. Особую популярность в электроэнергетике, особенно в автономных системах электроснабжения, находят преобразователи электрической энергии, способные синтезировать выходное напряжение с требуемыми показателями качества [3-5]. В связи с этим особо остро встают вопросы электромагнитной совместимости нагрузки с питающей сетью и обеспечения требуемого качества преобразуемой электроэнергии. Как правило, качество электроэнергии питающей сети обеспечивается поставщиком электроэнергии при ограничениях, наложенных на параметры электрической нагрузки. А вот качество напряжения, синтезируемого электрическими преобразователями, должно обеспечиваться возможностями их элементной базы, схемотехнической реализацией такого преобразователя и алгоритмами его управления. Снижение качества электроэнергии, преобразуемой электрическим преобразователем, приводит к изменению режима работы потребителя электрической энергии, ухудшению энергетических характеристик и его производительности, сокращению службы электрооборудования, а также повышению вероятности возникновения аварийных ситуации. С ростом установленной мощности энергоустановок данные вопросы приобретают особую актуальность и требуют внимания специалистов. Таким образом, современный электрический преобразователь должен обеспечивать высокое качество синтезируемых напряжений для питания электрической нагрузки, а также иметь высокие показатели электромагнитной совместимости с питающей сетью. Кроме того, электрический преобразователь помимо выполнения требований технологического процесса должен обладать высокой надежностью. Существует множество структур схемотехнической реализации электрического преобразователя регулируемого электропривода [6-7]. Каждая из этих структур имеет свои достоинства и недостатки. Однако при реализации электрических преобразователей большой мощности и ограничений, наложенных на параметры используемых полупроводниковых ключей, имеются два варианта реализации: параллельное соединение полупроводниковых элементов - увеличение тока; либо последовательное соединение полупроводниковых элементов - увеличение напряжения. Параллельное соединение полупроводниковых элементов требует равномерного распределения тока между ними и не всегда может быть реализовано в динамике. А вот последовательное соединение полупроводниковых элементов, с обеспечением распределения напряжения за счет организации питания электрического преобразователя, может быть реализовано с использованием многоуровневых преобразователей частоты [8-10]. Кроме того, такие преобразователи частоты обеспечивают высокое качество синтезируемых напряжений и лучшие показатели качества электромагнитной совместимости с питающей сетью [11], [12]. Всем вышеизложенным требованиям и возможностью реализации электрического преобразователя неограниченной мощности обладает только один тип электрического преобразователя - каскадный преобразователь частоты (КПЧ). Более подробно рассмотрим его достоинства и недостатки, пути устранения недостатков, а также возможность повышения качества вырабатываемой и потребляемой электроэнергии. Принцип работы каскадного преобразователя частоты основан на последовательном соединении элементарных ячеек - однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты (рис. 1). Такое соединение однофазных преобразователей частоты позволяет увеличить количество уровней синтезируемого напряжения и, следовательно, улучшить его качество, а также увеличить максимальное значение напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты [13]. Таким образом, улучшение качества синтезируемого напряжения, а также рост установленной мощности в таком преобразователе частоты обеспечиваются увеличением значения напряжения в каждой фазе каскадного преобразователя частоты путем суммирования напряжения элементарных ячеек. Более подробно принцип работы каскадного преобразователя частоты описан во многих источниках [6-7], [14-19] и не требует дополнительного пояснения. Рис. 1. Структурная схема соединения элементарных ячеек каскадного преобразователя частоты Следует отметить, что элементарные ячейки - однофазные преобразователи частоты могут быть построены по схеме двухзвенных преобразователей частоты с инверторами напряжения (рис. 2, б, в, г) [20] и непосредственных преобразователей частоты (рис. 2, а) [14]. Однако из-за постоянного возникновения коммутационных перенапряжений на полностью управляемых полупроводниковых ключах в непосредственных преобразователях частоты последние не получили широкого распространения, хотя и обладают потенциальными возможностями улучшения массогабаритных характеристик, улучшения энергетической и электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и нагрузкой, а также возможностями двухстороннего обмена энергией [21]. Рис. 2. Схемы построения элементарных ячеек каскадного преобразователя частоты на базе: а - непосредственного преобразователя частоты; б - двухуровневого инвертора напряжения; в - трехуровнего инвертора напряжения с нулевой точкой; г - трехуровнего инвертора напряжения с Т-образной схемой соединения транзисторов В данной статье будут рассмотрены структуры построения и алгоритмы синтеза выходного напряжения и управления ячейками каскадного преобразователя частоты на основе инверторов напряжения. Тем не менее предложенные в статье алгоритмы могут быть использованы и при проектировании и синтезе алгоритмов управления каскадного преобразователя частоты на основе элементарных ячеек, построенных по схеме непосредственных преобразователей частоты. Более подробно рассмотрим достоинства и недостатки каскадных преобразователей частоты. Каскадные преобразователи частоты (КПЧ) обладают следующими достоинствами: 1) возможность создания электрического преобразователя неограниченной мощности; 2) возможность синтеза выходного напряжения высокого качества благодаря многоуровневой схеме; 3) унификация используемых элементарных ячеек - однофазных преобразователей частоты, модульность конструкции, взаимозаменяемость и простая замена вышедшей из строя ячейки; 4) высокая степень надежности; 5) использование низковольтной элементной базы; 6) высокое качество потребляемого из сети тока и, соответственно, хорошая электромагнитная совместимость с питающей сетью; 7) высокий коэффициент мощности и КПД; 8) возможность шунтирования вышедшей из строя ячейки без выключения КПЧ из работы. Несмотря на многочисленные достоинства, по сравнению с остальными схемами электрических преобразователей КПЧ имеют и ряд недостатков: 1) большое количество силовых полупроводниковых приборов, конденсаторов звена постоянного тока; более сложная система управления, которая, как правило, имеет иерархическую структуру построения с разделением на систему управления всем КПЧ и системы управления силовыми полупроводниковыми ключами в каждой из элементарных ячеек; 2) при использовании ячеек с неуправляемым выпрямителем невозможно осуществить режим рекуперации электроэнергии в питающую сеть; 3) при коэффициенте мощности электрической нагрузки, отличном от единицы, поток энергии в инверторах элементарных ячеек периодически изменяет свое направление. При этом энергия, поступающая в звено постоянного тока, подзаряжает конденсатор элементарной ячейки. Следовательно, для компенсации реактивной мощности нагрузки емкость данных конденсаторов требуется значительно больше, чем в схеме классического трехфазного инвертора напряжения, где потоки энергии от каждой из фаз взаимно компенсируют друг друга; 4) наличие сложного многообмоточного силового согласующего трансформатора, рассчитанного на полную мощность каскадного преобразователя частоты. Следует отметить, что второй и третий пункты представленных недостатков КПЧ могут быть устранены использованием иной схемотехники построения входной части элементарных ячеек, а именно с использованием активных выпрямителей, имеющих возможность рекуперации энергии в питающую сеть [22-24]. Кроме того, такие выпрямители позволяют осуществлять работу КПЧ с заданным коэффициентом мощности питающей сети и потреблять из сети практически синусоидальные фазные токи, что также благоприятно отразится на электромагнитной совместимости КПЧ с питающей сетью. Четвертый пункт недостатков может быть устранен при построении автономной электроэнергетической системы при ее комплексном проектировании и с питанием элементарных ячеек КПЧ от гальванически изолированных источников питания [25, 26], например, аккумуляторов, электрических генераторов и т.д. Структура построения КПЧ обладает широчайшими потенциальными возможностями в части улучшения качества синтезируемого напряжения, улучшения энергетической и электромагнитной совместимостей КПЧ с питающей сетью и нагрузкой и т.д. Более подробно рассмотрим возможности повышения качества синтезируемого напряжения на выходе КПЧ. Потенциально повышение качества синтезируемого напряжения на выходе КПЧ может быть достигнуто: - последовательным соединением элементарных ячеек в фазе КПЧ; - использованием многоуровневых инверторов напряжения при построении элементарных ячеек КПЧ; - использованием дифференцированных напряжений питания ячеек КПЧ; - использованием как суммы, так и разности дифференцированных выходных напряжении ячеек при формировании фазного напряжения КПЧ. Более подробно рассмотрим каждый из предложенных вариантов повышения качества синтезируемого напряжения на выходе КПЧ. Последовательное соединение двухуровневых ячеек с одинаковым уровнем напряжения питания и суммированием их выходных напряжений в каждой фазе КПЧ. При последовательном соединении N одинаковых ячеек, реализованных на двухуровневых инверторах напряжения, в каждой фазе КПЧ максимальное значение напряжения на выходе каждой элементарной ячейки должно быть следующим: , где i - номер ячейки уровня в фазе КПЧ, i = 1..N; umax - максимальное значение напряжения выходной фазы КПЧ относительно его «0» точки (см. рис. 1). Максимально возможное число уровней синтезируемого напряжения на выходе фазы КПЧ равно 2N + 1. Как видно из данной формулы, для получения большого количества уровней синтезируемого напряжения требуется значительное количество последовательно соединенных ячеек в фазе КПЧ. С целью не допустить превышения максимально допустимого значения напряжения на конденсаторе должно выполняться условие: где C - емкость конденсатора в ячейке, ulim - максимально допустимое напряжение на конденсаторе, im - максимальная амплитуда фазного тока, φ - максимальный угол между током и напряжением фазы, ω - минимальная циклическая частота напряжения фазы. Следует отметить, что при такой топологии и схеме питания ячеек КПЧ широтно-импульсная модуляция (ШИМ) осуществляется во всех ячейках каждой фазы КПЧ поочередно и равномерно, что обеспечивает более равномерную загрузку ячеек. Кроме того, такая топология и организация питания ячеек КПЧ позволяют использовать абсолютно одинаковые ячейки и отличаются простотой, унификацией и высокой степенью надежности. Однако для получения большого количества уровней и высокого качества синтезируемого напряжения требуется использование значительного количества последовательно соединенных ячеек в фазе КПЧ. Последовательное соединение L-уровневых ячеек с одинаковым уровнем напряжения питания и суммированием их выходных напряжений в каждой фазе КПЧ. При последовательном соединении N одинаковых ячеек, реализованных на L-уровневых инверторах напряжения с одинаковым напряжением питания, в каждой многоуровневой ячейке реализуется уровень напряжения 2L - 1. Максимально возможное число уровней синтезируемого напряжения на выходе фазы КПЧ равно: 2(L - 1)N + 1. Согласно полученной зависимости увеличение числа уровней, реализуемых многоуровневым инвертором напряжения в каждой элементарной ячейке, улучшает качество синтезируемого напряжения и позволяет использовать низковольтные полупроводниковые элементы. Следует заметить, что при этом усложняется схемотехническая реализация такой элементарной ячейки, а также требуется организация многоуровневого источника питания для работы L-уровнего инвертора напряжения. При одинаковом уровне напряжений питания элементарных ячеек КПЧ ШИМ осуществляется во всех ячейках каждой фазы КПЧ поочередно и равномерно, что так же, как и в предыдущем варианте, обеспечивает более равномерную загрузку ячеек. Однако по сравнению с предыдущим вариантом повышения качества синтезируемого напряжения на выходе КПЧ данный вариант позволяет увеличить число уровней и улучшить качество синтезируемого напряжения на выходе фазы КПЧ. Последовательное соединение L-уровневых ячеек с дифференцированным уровнем напряжения питания и суммированием их выходных напряжений в каждой фазе КПЧ. При такой схеме и организации питания КПЧ значительно усложняются как сама элементарная ячейка КПЧ, так и источник электропитания КПЧ. Однако такая структура и дифференцированное питание ячеек позволяют значительно увеличить количество уровней мгновенно синтезируемого напряжения, а следовательно, улучшить его качество. Более подробно опишем методику выбора напряжений ячеек в фазе КПЧ и алгоритм формирования фазного напряжения КПЧ. Пусть каждая фаза КПЧ содержит NL-уровневых ячеек, при этом в каждой многоуровневой ячейке реализуется уровень напряжения 2L - 1. Тогда минимальный по модулю уровень напряжения, синтезируемого ячейкой с номером i, должен быть следующим: , где umax - максимальное значение напряжения фазы каскадного преобразователя относительно общей точки каскадов («0» преобразователя). При этом ячейка должна формировать значения напряжений на своём выходе от до значения . Для определения значений напряжения, которые требуется формировать каждой многоуровневой ячейкой, предлагается использовать следующий алгоритм. Введем коммутационную переменную - целое число z: , где - целая часть числа, - требуемое мгновенное значение напряжения фазы каскадного преобразователя относительно общей точки каскадов («0» преобразователя). Представим z в позиционной системе счисления с основанием L и числом разрядов, равным N: , где bi - целые неотрицательные числа, меньшие L. Для нахождения bi используются следующие рекуррентные формулы: для i от 0 до N - 1, Если , положим сi = L - 1, для i от 0 до N - 1. В противном случае представим z + 1 в позиционной системе счисления с основанием L и числом разрядов, равным N: , где сi - целые неотрицательные числа, меньшие L. Тогда для формирования мгновенного значения напряжения фазы каскадного преобразователя относительно общей точки каскадов («0» преобразователя) ячейки с номерами i должны на периоде ШИМ TPWM одновременно формировать значения напряжений: в течение времени , и одновременно формировать значения напряжений в течение времени , где TPWM - период широтно-импульсной модуляции, {x} - дробная часть числа x, а sign(x) - знаковая функция. В результате в фазе каскадного преобразователя частоты будет сформировано напряжение, равное заданному значению u: Количество уровней, формируемых в фазе КПЧ, состоящего из NL-уровневых ячеек, равно Если синтезируемое фазное напряжение и ток нагрузки КПЧ имеют разные знаки, то энергия будет передаваться от нагрузки в источники постоянного напряжения ячеек фазы КПЧ. Если указанные источники не могут принять энергию, то она перейдет в энергию заряда конденсатора. С целью не допустить превышения максимально допустимого значения напряжения на конденсаторе звена постоянного тока элементарной ячейки должно выполняться приближенное условие: , для всех ячеек, удовлетворяющих условию: где Ci - емкость конденсатора в i-й ячейке, ulim - максимально допустимое напряжение на конденсаторе, im - максимальная амплитуда фазного тока, φ - максимальный угол между током и напряжением фазы, ω - минимальная циклическая частота напряжения фазы. Если такое условие не выполняется, то данная проблема может быть решена следующим образом. В каждую фазу КПЧ нужно добавить ячейку с номером N + 1, способную принимать энергию рекуперации от нагрузки и способную формировать одно из трех значений напряжений: . Значение напряжения, формируемое этой ячейкой, определяется по формуле: Суммарное значение напряжения, формируемое ячейками с номерами от 1 до N, равно . Формирование последнего осуществляется по рассмотренному выше алгоритму. Использование дифференцированных напряжений питания элементарных ячеек КПЧ позволит значительно увеличить количество уровней в синтезируемом выходном напряжении КПЧ, а следовательно, улучшить качество напряжения и, соответственно, электромагнитную совместимость КПЧ с нагрузкой. Последовательное соединение L-уровневых ячеек с дифференцированным уровнем напряжения питания как с суммированием, так и с разностью выходных напряжений ячеек в каждой из фаз КПЧ. Такая топология и организации питания КПЧ являются самыми сложными при реализации как самих элементарных ячеек, так и всего КПЧ в целом. Структура построения силовой части ячейки подразумевает использование обратимого электрического преобразователя, способного осуществлять регулирование потока энергии в обе стороны. Более подробно опишем методику выбора напряжений ячеек в фазе КПЧ и алгоритм формирования фазного напряжения КПЧ. Рассмотрим такую постановку, при которой каждая фаза КПЧ содержит NL-уровневых ячеек, при этом в каждой многоуровневой ячейке реализуется уровень напряжения 2L - 1. Тогда минимальный по модулю уровень напряжения, синтезируемого ячейкой с номером i, должен вычисляться по формуле: где umax - максимальное значение напряжения фазы каскадного преобразователя относительно общей точки каскадов («0» преобразователя). При этом ячейка должна формировать значения напряжений на своём выходе от до значения Для определения значений напряжения, которые требуется формировать каждой многоуровневой ячейкой, предлагаем использовать следующий алгоритм. Введем коммутационную переменную - целое число z: где - целая часть числа, - требуемое мгновенное значение напряжения фазы каскадного преобразователя относительно общей точки каскадов («0» преобразователя). Представим z в позиционной системе счисления с основанием и числом разрядов, равным N: где bi - целые неотрицательные числа, меньшие . Для нахождения bi используются следующие рекуррентные формулы: для i от 0 до N - 1, Если положим для i от 0 до N - 1. В противном случае представим z + 1 в позиционной системе счисления с основанием и числом разрядов, равным N: где сi - целые неотрицательные числа, меньшие . Тогда для формирования мгновенного значения напряжения фазы каскадного преобразователя относительно общей точки каскадов («0» преобразователя) ячейки с номерами i должны на периоде ШИМ TPWM одновременно формировать значения напряжений в течение времени и одновременно формировать значения напряжений в течение времени где TPWM - период широтно-импульсной модуляции, {x} - дробная часть числа x. В результате в фазе каскадного преобразователя частоты будет сформировано напряжение, равное заданному значению u: Количество уровней, формируемых в фазе КПЧ, состоящей из NL-уровневых ячеек, равно Такая структура построения элементарных ячеек КПЧ с дифференцированными уровнями питания при использовании обратимых электрических преобразователей позволяет осуществлять как суммирование выходных напряжений элементарных ячеек фазы КПЧ, так и вычитание. В результате качество синтезируемого напряжения значительно улучшается, а форма синтезируемого напряжения может быть максимально приближена к заданной. Предложенные варианты построения элементарных ячеек и их дифференцированное питание позволяют получить максимально возможное количество уровней напряжения, а, соответственно, при оптимальных алгоритмах управления и прочих равных условиях получить экстремум показателя качества синтезируемого напряжения среди всех рассмотренных вариантов. На рис. 3 представлено количественное сравнение различных вариантов повышения качества синтезируемого фазного напряжения КПЧ в зависимости от числа ячеек в каждой из фаз КПЧ. На рис. 4 представлен результат синтеза выходного синусоидального напряжения фазы КПЧ, состоящей из трех двухуровневых ячеек с дифференцированным напряжением питания с возможностью суммирования и вычитания выходных напряжений. Число уровней синтезируемого напряжения на выходе фазы КПЧ Количество ячеек в фазе КПЧ 1 2 3 … N 1-й вариант (двухуровневые ячейки фазы КПЧ с одинаковым напряжением питания и суммированием выходных напряжений) 3 5 7 … 2N+1 2-й вариант (двухуровневые ячейки фазы КПЧ с дифференцированным напряжением питания и суммированием выходных напряжений) 3 7 15 … 2N+1-1 3-й вариант (двухуровневые ячейки фазы КПЧ с дифференцированным напряжением питания с суммированием и с разностью выходных напряжений) 3 9 27 … 3N 4-й вариант (трехуровневые ячейки фазы КПЧ с одинаковым напряжением питания и суммированием выходных напряжений) 5 9 13 … 4∙N+1 5-й вариант (трехуровневые ячейки фазы КПЧ с дифференцированным напряжением питания и суммированием выходных напряжений) 5 17 53 … 2∙3N-1 6-й вариант (трехуровневые ячейки фазы КПЧ с дифференцированным напряжением питания с суммированием и с разностью выходных напряжений) 5 25 125 … 5N Рис. 3. Количественное сравнение различных вариантов повышения качества синтезируемого фазного напряжения КПЧ в зависимости от числа ячеек в фазе КПЧ Рис. 4. Результат синтеза выходного синусоидального напряжения фазы КПЧ состоящей из трех двухуровневых ячеек с дифференцированным напряжением питания с возможностью суммирования и вычитания выходных напряжении Выводы. Предложенные схемные решения и алгоритмы при проектировании и разработке КПЧ открывают качественно новые технические возможности по синтезу выходного напряжения высокого качества. При этом отпадает необходимость в установке дополнительных фильтров высших гармоник для получения электроэнергии с требуемыми показателями качества. Использование предложенных вариантов схем элементарных ячеек КПЧ, а также вариантов их электропитания позволит осуществить питание особо ответственных нагрузок, требующих высокого качества питающего напряжения.

About the authors

F. A Gelver

Krylov State Research Center; State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova

I. V Belousov

Krylov State Research Center; State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova

V. F Samoseiko

Krylov State Research Center; State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova

References

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 17

Refbacks

• There are currently no refbacks.