ЛИТЕРАТУРА
1. Надежность ЭРИ: Справочник. — М.: МО РФ, 2006.
2. Маркин А. В., Полесский С. Н, Жадное В. В. Методы оценки надежности элементов механики и электромеханики электронных средств на ранних этапах проектирования // Надежность. — 2010. — № 2. — С. 63—70.
3. Шавыкин Н. А., Петрухин Б. П. Оценка показателей безотказности механических элементов продукции приборостроения // Датчики и системы. — 2006. — № 6. — С. 28—35.
4. Методика оценки показателей безотказности технических средств. / Н. А. Шавыкин, Б. П. Петрухин,
Е. М. Жидомирова. — М.: ИПУ РАН, 1998. — 79 с.
5. РМ 25 446-87. Изделия приборостроения. Методика расчета показателей безотказности. Рекомендуемый материал.
6. РДВ 319.01.20—98. Положение о справочнике "Надежность электро-радиоизделий".
7. Жадное В, Авдеев Д, Кулыгин В. Информационная технология обеспечения надежности сложных электронных средств военного и специального назначения // Компоненты и технологии. — 2011. — № 6. — С. 168—174.
8. NSWC- 98/LE1. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment.
9. NSWC-06/LE10. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment. — CARDE-ROCKDIV, 2006.
10. Строганов А., Жадное В, Полесский С. Обзор программных комплексов по расчету надежности сложных технических систем // Компоненты и технологии. — 2007. — № 5. — С. 74—81.
Валерий Владимирович Жадное — канд. техн. наук, доцент Московского государственного института электроники и математики.
® 8-906-036-28-08
E-mail: jadnov@mitme.ru □
УДК 621. 31
СПЕКТР ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ1
В. М. Сапельников, М. И. Хакимьянов
Рассмотрено возникновение высокочастотных помех в высоковольтных преобразователях частоты. Анализируются спектры выходных напряжений при различных способах квантования сигнала с точки зрения минимизации массогабаритных показателей выходного фильтра.
Ключевые слова: многоуровневый преобразователь частоты1, автономный инвертор напряжения, спектр, квантование, коэффициент нелинейны1х искажений.
Развитие промышленного электропривода на современном этапе сопровождается внедрением частотного регулирования. При этом до 65 % всей вырабатываемой в РФ электроэнергии потребляется промышленными предприятиями, главными энергопотребителями которых являются именно мощные высоковольтные электродвигатели (ЭД) с преобразователями частоты (ПЧ), так что проблемы оптимизации их режимов чрезвычайно актуальны при решении задач энергосбережения.
К настоящему времени высоковольтные ПЧ строятся на основе нескольких схем: двухтранс-форматорной, трехуровневой и четырехуровневой [1, 2]. Однако наилучшими эксплуатационными характеристиками с точки зрения надежности и электромагнитной совместимости ПЧ с ЭД и пи-
1 Исследования вытолнены1 при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по комплексному проекту "Разработка и организация серийного производства мощны1х вы-соковольтны1х частотно-регулируемых приводов (ВЧРП)" (договор № 13.G25.31.0060).
тающей сетью обладают многоуровневые преобразователи частоты (МУПЧ) [3]. Преобразователи, выполненные по такой схеме, выпускаются в различных модификациях мировыми лидерами в области силовой преобразовательной техники, такими как Robicon, Toshiba, Mitsubishi Electric, GE.
Структурная схема МУПЧ приведена на рис. 1, а. Преобразователь состоит из входного многообмоточного трансформатора Т, системы управления СУ и нескольких уровней силовых ячеек 1, ..., n, каждая из которых представляет собой автономный инвертор напряжения (рис. 1, б).
Наиболее сложным и дорогостоящим элементом МУПЧ является входной многообмоточный трансформатор (иногда называемый многофазным), число вторичных обмоток которого в каждой фазе соответствует количеству уровней выходного напряжения (обычно применяется схема с шестью уровнями) [4]. Фазовый сдвиг между напряжениями соседних обмоток при эквивалентной 18-фазной схеме составляет 10°. При этом фа-
зовый сдвиг, например, между первой и шестой обмотками группы составляет 50°.
Каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена к силовой ячейке, состоящей из диодного выпрямителя и однофазного автономного инвертора напряжения с широтно-импуль-сной модуляцией, выполненного на биполярных транзисторах с изолированным затвором — ЮВТ (см. рис. 1, б). В случае неисправности какой-либо ячейки она выводится из работы, а управление оставшимися ячейками автоматически корректируется, сохраняя симметрию выходного напряже-
{/, Гц
/ \
/ V
/ \
/ \
\ /
\ /
N /
\ /
100 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02
а)
г -1 \ 1 юз Ю 5 ^ ± тб+ ± - -ст «а С2 г" <1 УТ1 г-1 ^ т -° иом
- г ГШ 1 ^ Г04 1 1 т г- 1 ^ -О УТ4 1
б)
Рис. 1. Многоуровневый преобразователь частоты:
а — структурная схема МУПЧ; б — силовая ячейка — автономный инвертор напряжения
Рис. 2. Форма выходного напряжения при равномерном квантовании по уровню и числе уровней п = 5
ния между тремя фазами. Этим обуславливается весьма высокая надежность МУПЧ [5].
Благодаря близкой к синусоидальной форме выходного напряжения при работе со стандартными общепромышленными асинхронными и синхронными ЭД упрощается конструкция, уменьшаются габариты и масса фильтров на выходе МУПЧ.
Одним из важнейших свойств любого ПЧ является уровень помех, генерируемых при работе, как на стороне ЭД, так и на стороне питающей сети [6, 7]. Наличие высших гармоник в питающем напряжении ЭД вызывает ряд отрицательных последствий: перегрев обмоток, повышенное старение изоляции и, соответственно, сокращение срока службы ЭД, а также повышение потерь мощности и снижение КПД. Помехи, вносимые ПЧ в сеть, отрицательно влияют на работу других потребителей электроэнергии [8].
МУПЧ посредством согласованного управления силовыми ячейками всех уровней формирует в каждой фазе выходное напряжение, приближенное по форме к синусоидальному. Форму выходного напряжения МУПЧ и его частотный спектр рассмотрим на примере преобразователя с числом уровней п = 5 и выходной частотой 50 Гц.
Напряжение на выходе МУПЧ представляет собой квазисинусоидальный сигнал со ступенчатой аппроксимацией и с равномерным квантованием по уровню или по времени [9]. При равномерном квантовании по уровню длительность каждой ступеньки напряжения получается различной и определяется ее положением на интервале формирования (см. рис. 2).
Спектр выходного напряжения МУПЧ при равномерном квантовании по уровню с числом ступеней п = 5 (рис. 3) состоит из основной гармоники f = 50 Гц с амплитудой, примерно равной
U, кВ Юг 9 8 7 6 5 4 3 2 1
О,
. Л . Л А . .
500
1000 1500 /,Гц
2000
2500
Рис. 3. Спектр выходного напряжения при равномерном квантовании по уровню для п = 5
U, кВ Юг
iv__ А Л
500
1000 1500
/,Гц
2000
2500
тогда как на рис. 3 имеется целый ряд гармоник ниже 1000 Гц.
Следовательно, равномерное квантование по времени является более предпочтительным с точки зрения фильтрации, так как частоты дополнительных гармоник в этом случае выше и, соответственно, фильтры будут иметь меньшие габариты и массу.
Рассмотрим количественные оценки отклонения аппроксимированной кривой от исходной синусоиды при равномерном квантовании по времени.
Выходное напряжение МУПЧ при разложении в ряд Фурье содержит только нечетные гармоники [9]:
sin М f U (a) = Um j sin (ю t - А^) +
T
+
Z IIT1-- sin[(mP - 1)rot + Фтр - 1] , mp - 1 F
+
m = 1
да
+ У -- sin[(mp + 1)ю? + фт„ + !]
,тр+ 1 г
т = 1
где т = 1; 2; 3; 4, ...; р = 4п — число ступеней на период.
Коэффициент нелинейных искажений определяется выражением:
U2
Рис. 4. Спектр выходного напряжения при равномерном квантовании по времени для п = 5
номинальному напряжению МУПЧ, и прочих, распределенных в области частот 50...1500 Гц.
Спектр сигнала при равномерном квантовании по времени показан на рис. 4.
Частота квантования сигнала в этом случае определяется числом уровней п, числом повторов уровней за период (четыре) и частотой основного сигнала /, Гц:
^ = 4/п = 4 х 50 х 5 = 1000 Гц.
При равномерном квантовании по времени помимо основной гармоники появляются дополнительные составляющие, частоты которых кратны частоте квантования сигнала — 1000 ± 50 Гц, 2000 ± 50 Гц и так далее.
Из рис. 3 и 4 видно, что частоты дополнительных гармоник при равномерном квантовании по времени будут выше. Так, на рис. 4 первая дополнительная гармоника имеет частоту около 1000 Гц,
Uísin2 (т
2 2
;2
ku =
Аа)2
1 Um
2 Um
= ( А а ) ' 12
k = Аа = 2п
12
рУИ
При равномерном квантовании по уровню коэффициент нелинейных искажений находится по 4
формуле ки = — [9].
рл/ 6
Значения коэффициента нелинейных искажений в зависимости от числа уровней квантования по напряжению при обоих способах квантования практически одинаковы. Так, при числе уровней МУПЧ п = 5 коэффициент нелинейных искажений составляет менее 10 %, а при п = 8 — около 5 %. Увеличение количества уровней повышает качество выходного напряжения ПЧ, однако приводит к усложнению конструкции как самого преобразователя, так и входного трансформатора, увеличивает габариты устройства и его стоимость. Поэтому серийно выпускаемые МУПЧ обычно имеют не более 6 уровней.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
— при работе МУПЧ уровень генерации дополнительных гармоник значительно ниже, чем у ПЧ, выполненных по другим схемам (например, по двухтрансформаторной схеме);
— с точки зрения фильтрации, равномерное квантование по времени является более предпочтительным, чем по уровню, так как частоты дополнительных гармоник в первом случае выше и, соответственно, фильтры будут иметь меньшие габариты;
— параметры высокочастотных помех, генерируемых при работе МУПЧ, зависят от числа уровней преобразователя n; так, при числе уровней n = 5 коэффициент нелинейных искажений составляет менее 10 %, а при n = 8 — около 5 %;
— на практике число уровней МУПЧ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.