Компьютерное моделирование четырехуровневого инвертора напряжения с «Плавающими» конденсаторами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

А. В. Кудрявцев, Н. В. Лысов

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХУРОВНЕВОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ С «ПЛАВАЮЩИМИ» КОНДЕНСАТОРАМИ

Изложены основные принципы компьютерного моделирования четырехуровневого инвертора с «плавающими» конденсаторами. Рассмотрен принцип формирования импульсов, управляющих силовыми ключами инвертора. Представлены особенности широтно-импульсной модуляции четырехуровневого выходного линейного напряжения. С помощью модели, созданной в среде MATLAB Simulink, были получены кривые токов в нагрузке, а также значение коэффициента несинусоидальности для данных токов. Кроме того, рассмотрена работа du/dt-фильтра.

четырехуровневый инвертор напряжения, широтно-импульсная модуляция;

«плавающие» конденсаторы, du/dt-фильтр.

Введение

Тип силового полупроводникового прибора оказывает существенное влияние на топологию силовой схемы автономного инвертора в целом. На смену инверторам тока на SCR-тиристорах с конденсаторной коммутацией приходят инверторы напряжения и тока на полностью управляемых GTO и IGCT-тиристорах, а также на силовых биполярных транзисторах с изолированным затвором - IGBT.

Использование новых полупроводниковых приборов позволило принципиально изменить не только топологию силовой схемы инвертора, прежде всего АИН, но и принципы управления инверторами [1].

В статье рассмотрен принцип формирования выходного напряжения одного из перспективных с точки зрения электромагнитной совместимости с приводным двигателем четырехуровневого инвертора напряжения с «плавающими» конденсаторами.

На рисунке 1 приведена принципиальная схема преобразователя частоты на базе четырехуровневого инвертора напряжения, работающего на асинхронный двигатель.

Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя частоты на базе четырехуровневого инвертора

1 Компьютерное моделирование четырехуровневого инвертора

1.1 Исходные данные

В среде MATLAB Simulink была разработана модель четырехуровневого инвертора напряжения, работающего на активно-индуктивную нагрузку.

Параметры, принятые при моделировании:

• активная мощность двигателя 2600 кВт;

• напряжение питания двигателя 6 кВ;

• коэффициент мощности двигателя еоБф = 0,9;

• частота ШИМ 600 Гц;

• частота выходного линейного напряжения 50 Гц.

Схема модели приведена на рисунке 2.

В соответствии с напряжением питания двигателя действующее значение выходного напряжения данного инвертора должно составлять 6 кВ. Амплитудное значение выходного напряжения, а следовательно и напряжение в звене постоянного тока, в V2 раз больше действующего значения и равняется 8,5 кВ. При отдельном моделировании инвертора это достигается использованием источника постоянного напряжения. В целях избежания образования замкнутого контура, содержащего источник и конденсатор звена постоянного тока, последовательно с конденсатором включается резистор малого сопротивления.

Рис. 2. Модель четырехуровневого инвертора напряжения с «плавающими» конденсаторами

1.2 Формирование четырехуровневого напряжения методом широтноимпульсной модуляции

Процесс формирования широтно-импульсной модуляции вынесен в подсистему.

Принцип формирования модуляции основан на сравнении синусоидальной функции промышленной частоты с пилообразным сигналом более высокой частоты, в данном случае равной 600 Гц. В случае, когда значение синусоидальной функции больше значения пилообразной функции, на выход модулятора подается единичный импульс, открывающий IGBT-транзистор. В обратном случае транзистор заперт (ключ разомкнут). Таким образом формируются импульсы, управляющие работой транзисторов для получения синусоидального выходного напряжения (рис. 4).

Рис. 3. Модель формирования широтно-импульсной модуляции

Рис. 4. Осциллограммы импульсов, управляющих работой транзисторов

При моделировании четырехуровневого инвертора сравнение значений функций синусоиды и пилы для каждой транзисторной пары происходит на одном из трех межуровневых промежутков. Для получения симметричной трехфазной системы напряжений синусоиды в подсистемах каждой из фаз сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Рассмотрим процесс формирования синусоидального сигнала в инверторе для одной из фаз более подробно [2]. В зависимости от положения ключей (выполненных на IGBT-транзисторах) включаются различные комбинации конденсаторов, а величина выходного напряжения принимает значения 0; 2,9; 5,7 и 8,5 кВ. Формирование синусоидального напряжения на каждом уровне достигается методом широтно-импульсной модуляции.

1. В случае, когда ключи S1, S2, S3 замкнуты, значение выходного напряжения равняется 8,5 кВ.

2. Затем при размыкании S3 и замыкании S3 выходное напряжение принимает значения от 5,7 до 8,5 кВ.

Рис. 5б. Описание работы ключей

3. При дальнейшем размыкании S2 и замыкании S2 выходное напряжение принимает значения между 2,9 и 5,7 кВ.

4. При размыкании S1 и замыкании S2 выходное напряжение принимает значения между 0 и 2,9 кВ.

Рис. 5г. Описание работы ключей

Аналогично формируется отрицательная полуволна синусоидального сигнала. В совокупности три блока инвертора формируют симметричную трехфазную систему напряжений.

Следует отметить, что получить данное значение напряжения можно несколькими способами. В частности, значение 2,9 кВ может быть получено тремя различными комбинациями ключей.

1. Случай, рассмотренный выше. При этом конденсатор С1 заряжается током нагрузки, а конденсатор С2 отключен.

2. Случай, когда ключи S1, S2, S3 разомкнуты, а S3, S1, S2 замкнуты. При этом конденсатор С1 отключен, а С2 разряжается током нагрузки.

3. Случай, когда ключи S1, S3, S2 разомкнуты, а S2, S1, S3 замкнуты. При этом конденсатор С1 разряжается, а С2 заряжается током нагрузки.

Если управлять работой ключей, используя для получения напряжения 2,9 кВ все три перечисленные выше комбинации, то процесс заряда и

разряда конденсаторов будет сбалансирован, а среднее значение сигнала напряжения за период будет равняться нулю. Так как полярность напряжения, прикладываемого к конденсаторам, меняется в течение процесса формирования выходного напряжения, конденсаторы в топологии данного инвертора получили название «плавающие».

1.3 Модифицированная система широтно-импульсной модуляции

При использовании в качестве эталонного сигнала синусоиды действующее значение выходного линейного напряжения меньше требуемого значения (6 кВ) и составляет 5,5 кВ. Увеличение коэффициента модуляции за счет увеличения амплитуды эталонной синусоиды приводит к резкому ухудшению коэффициента несинусоидальности выходного напряжения. Решением данной проблемы является введение в состав синусоиды третьей гармонической составляющей [3], в результате чего эталонная система трехфазного напряжения примет вид:

1Г1 m

ua = — [1 + m cos wt-cos3wt ];

2 6

1 2p m

ub = — [1 + m cos(wt--)----cos3wt ];

b 2 3 6

1 2p m

uc = — [1 + m cos(wt + —)--cos3wt ],

c 2 3 6

где m - коэффициент модуляции.

Подсистема формирования широтно-импульсной модуляции получит следующий вид (рис. 6).

Значение параметра m может варьироваться от нуля до 2Д/3 в зависимости от желаемого действующего значения выходного напряжения. Так, максимальное действующее значение выходного напряжения достигается при m = 2Д/3 и составляет 6,1 кВ.

NOT

NOT

NOT

+CD

VT1

<D

VT2

VT3

KD

VT4

KD

VT5

KD

VT6

Рис. 6. Модель формирования широтно-импульсной модуляции с добавлением в эталонную синусоиду третьей гармоники

1.4 Результаты моделирования

Окончательный вид выходного линейного напряжения показан на рисунке 7.

Реакция нагрузки в виде фазного тока приведена на рисунке 8.

U, кВ

г 1, ■ f 1— А 1- Ж «,

J If L |_ У |_ L о i_ L у . 1

О 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.00 0.07 t, °С

Рис. 7. Осциллограмма выходного линейного напряжения

I, А

Рис. 8. Осциллограмма фазных токов

Измерения показали, что значение коэффициента несинусоидальности фазного тока не превышает 1%, это позволяет говорить о высоком уровне электромагнитной совместимости инвертора и приводного двигателя. Однако, так как на обмотки двигателя подается напряжение в форме ШИМ, возникает необходимость в установке фильтра скорости изменения напряжения.

2 Фильтр duldt

Большое значение при работе инвертора на нагрузку имеет величина скорости изменения напряжения. Широтно-импульсная модуляция вызывает резкие скачки напряжения, при этом величина скорости изменения напряжения значительна. Данный фактор может привести к пробою изоляции обмоток двигателя. Чтобы этого не произошло, между инвертором и нагрузкой устанавливают duldt-фильтр, уменьшающий значение величины duldt до допустимых пределов 1-2 кВ/мкс. При моделировании данный фильтр вынесен в подсистему, изображенную на рисунке 9.

При моделировании использовались следующие параметры: индуктивность фазного дросселя 320 мкГн, емкости последовательно соединен-

ных конденсаторов 0,1 мкФ, сопротивления шунтирующих резисторов 15 МОм, сопротивление добавочного резистора 180 Ом.

Действие данного фильтра заключается в сглаживании фронтов импульсов выходного напряжения. При этом напряжение изменяется не скачком (рис. 10, а - фильтр отсутствует), а более плавно (рис. 10, б).

а) U, В б)

Рис. 10. Осциллограммы выходных напряжений без dw/dt-фильтра (а) и при его установке (б)

Ниже представлены осциллограммы скорости изменения выходного напряжения без фильтра du/dt и при его использовании.

При отсутствии фильтра (рис. 11, а) величина du/dt может значительно выходить за допустимые пределы, тогда как при использовании фильтра (рис. 11, б) скорость изменения напряжения стабильна и не превышает 2 кВ/мкс.

а) б)

t, °с

ip 9

xlD :(1П

Рис. 11. Осциллограммы скорости изменения напряжения без dw/dt-фильтра (а) и при его установке (б)

Заключение

Рассматриваемый преобразователь спроектирован для управления асинхронными и синхронными двигателями мощностью до 2,6 МВт. По

результатам моделирования значение коэффициента несинусоидальности не превышает 1%. Это позволяет говорить о высоком уровне электромагнитной совместимости с приводным двигателем.

Выявлено, что для увеличения действующего значения выходного напряжения инвертора в качестве эталонного сигнала в системе управления ключами целесообразно использовать не чистую синусоиду, а синусоиду с добавлением третьей гармоники. Кроме того, для ограничения скорости изменения напряжения, прикладываемого к изоляции обмоток, необходимо устанавливать du/dt- фильтр, ограничивающий скорость изменения напряжения до уровня 2 кВ/мкс.

Библиографический список

1. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем / Г. Лазарев // Новости электротехники. - 2005. -№ 2 (32). - С. 18-19.

2. A New Range Of Medium Voltage Multilevel Inverter Drives With Floating Capacitor Technology. Beinhold Georg // EPE 2001 - Graz. - P. 42-44.

3. Dynamic Average-Value Modeling of a Four-Level Drive System / Corzine Keith // IEEE Transactions On Power Electronics. - 2003. - № 18. - P. 619-926.

}