4.3.6.2 Каскадні схеми з вихідним підсумовуючим трансформатором

Розглянуті вище рішення можна використовувати при безпосередньому підключенні АД, або при наявності проміжного підвищуючого трансформатору (наприклад, у схемі двотрансформаторного перетворювача частоти - п.6.1.1). Наявність проміжного трансформатора, що підвищує, характерна і для енергетичних пристроїв, наприклад, вітроенергетичної установки з низьковольтними генераторами. Стабілізація і регулювання напруги здійснюється в ланці постійного струму з подальшим перетворенням у змінний струм за допомогою АІН на вході підвищуючого трансформатора. Використання каскадного БАІН з паралельним включенням трирівневих інверторів напруги (ТАІН) обумовлене необхідністю забезпечити функціонування системи при відключенні одного з інверторів. Крім того, потужність ділиться між ТАІН, що дозволяє уникнути паралельного з'єднання ключів ТАІН при одночасному поліпшенні якості вихідної напруги.

Розглянемо варіант каскадного БАІН з вихідним підсумовуючим трансформатором, схема силових кіл якого приведена на рис.4.119. Особливість даного рішення в тому, що передбачається одночасна (паралельна) робота декількох (n) інверторів на загальний трансформатор при використанні n незалежних комплектів первинних обмоток. Для аналізу принципу реалізації БАІН використовуємо схему заміщення рис.4.120 із спільним контуром намагнічування Z₀. Магніторушійні сили (МРС) ідентичних обмоток, що розміщені на одному стрижні осердя трансформатора, підсумовуються - тобто .

ЕРС е_а створюється спільною дією фазної напруги всіх інверторів. Представимо фази ТАІН як джерела ЕРС е_аi=u_ai. Напруга в контурі, що намагнічує, відповідно до методу вузлової напруги

, (4.82)

де- провідність фази первинної обмотки- провідність контуру , що намагнічує

- провідність вихідного кола.

Приведемо параметри обмоток до первинної обмотки, тоді для вихідної обмотки Х¹₂=n²Х₂ (n=U₁/U₂). Виходимо з даних досвіду КЗ, коли коротке замикання має місце для всіх первинних обмоток. Тоді

,

еквівалентний опір первинних обмоток Z_1Э=Z₁/n. Приймаємо, що Z_1Э=Z¹₂=Z_k/2 тоді опір первинної обмотки Z₁=nZ¹₂. З врахуванням цього γ₂=nγ. Якщо нехтувати γ₀, отримуємо

. (4.83)

Розглянемо трансформатор с u_k=10%, при цьому для номінального навантаження складе приблизно 9. Тоді при n=2 отримуємо (для першої гармонікиU₀₍₁₎₌0.95U₍₁₎).

У режимі холостого ходу .

З (4.83) витікає, що напруга в контурі, що намагнічує, і, відповідно, на виході трансформатора визначається сумою вихідної фазної напруги ТАІН, як і в каскадних МПЧ з послідовним з'єднанням інверторів. При використанні синусоїдальної ШІМ з достатньо високою частотою f_М модулюючої напруги спектр вихідної напруги ТАІН містить основну (першу - f) і вищі гармоніки в смузі частот з центрами кратними частоті модуляції m_f=f_М/f, 2m_f, 3m_f, і т.д. Використання трансформатора, що підсумовує, передбачає максимальне послаблення у вихідному струмі ТАІН постійної і низькочастотних гармонік, що може бути досягнуте при повній симетрії позитивної і негативної півхвиль вихідної напруги фаз ТАІН і використанням високої f_М.

Для поліпшення гармонійного складу u₀ при однаковій напрузі завдання різних ТАІН доцільно використовувати для них зсув модулюючої напруги за фазою на кут . При двох ТАІН. Вищі гармоніки напруги ТАІН в смузі частот з центрами, кратність яких непарна, змінюються в протифазі, і відсутні у вихідній напрузі трансформатора. В той же час, останні гармоніки підсумовуються, але їх відносне значення залишається незмінним. Таким чином, THD знижується практично удвічі, а еквівалентна частота модуляції подвоюється. Кількість рівнів в результуючій напрузіu₀ при цьому N=17.

Струм в первинній обмотці трансформатора .

Гармоніки струму .

Таким чином, струм первинної обмотки містить основну і вищі гармоніки в смузі частот з центрами, кратність частот яких непарна (в u₀ вони відсутні). Вищі гармоніки струму первинних обмоток змінюються в протифазі, і у вихідному струмі відсутні. Струм, обумовлений дією цих гармонік по аналогії з паралельним з'єднанням АІН, назвемо зрівняльним. Значення зрівняльного струму практично не залежить від навантаження. У струмі, що намагнічує, і струмі вторинної обмотки високочастотні складові мінімальні, і не роблять істотного впливу на потужність втрат в сталі. В той же час, наявність високочастотних складових струму первинних обмоток обумовлює збільшення діючого значення струму і втрат енергії на нагрівання обмоток, інший чинник збільшення втрат – витіснення струму на поверхню провідників високочастотними складовими. Амплітуди високочастотних гармонік струму визначаються частотою модуляції f_М і індуктивністю первинної обмотки L₁.

Гармоніка струму первинної обмотки з кратністю k(активним опором обмотки нехтуємо)

,

де U₍₁₎– діюче значення першої гармоніки,U_(k) – відносне значення гармоніки напруги фази з кратністюk.

Відповідно до визначення досвіду КЗ .

При одночасному включенні всіх обмоток струм однієї первинної обмотки .

Відносне значення найбільшої гармоніки струму:

.

У спектрі напруги фази ТАІН (рис.4.118) при частоті модуляції f_M=2000 Гц найбільшими є гармоніки в смузі частот з центромm_f=40 – максимальне значення складаєU₍₃₅₎=U₍₄₅₎=10.5% від першої гармонікиU₍₁₎(у тій же смузі частот (рис.4.118) маємо амплітуди гармонік напругиU₍₃₉₎=U₍₄₁₎=7.5% іU₍₃₃₎=U₍₄₇₎=3.5%). Обмеження значення найбільшої гармоніки струму на рівні 10% досягається вже приu_k=6%.

Для ефективного придушення амплітуди зрівнювального струму без підвищення u_kслід підвищувати значенняf_M в три і більше разів.

Каскадні схеми з послідовним з’єднанням інверторів за колом

постійного струму при загальному джерелі живлення

У вітроенергетиці для генераторів середньої напруги (3.3-10 кВ) з постійними магнітами та випрямлячем доцільно використання nнизьковольтних АІН, що за колом постійного струму з’єднані послідовно. Кожний АІН має у колі постійного струму підвищуючий імпульсний перетворювач для стабілізації напруги. Вихідні кола АІН мають реактори і через окремі двохобмоткові або підсумовуючі трансформатори підключено до мережі змінного струму. При цьому використовуються принципи, що розглянуто вище. Це рішення при потужностях у декілька МВт за рахунок підвищення напруги генератора дозволяє значно зменшити струм, що спрощує передавання енергії до перетворювача.