1.2Анализ вариантов технических решений

По условию задания необходимо разработать автономный инвертор силовая часть которого представлена транзисторами для управления асинхронным двигателем мощностью 0,75 кВт.

Реально, по типу коммутирующего элемента, силовая часть может быть выполнена на базе двух типов схем [12]:

• трехфазный инвертор , выполненный из трех однофазных;

• трехфазный мостовой инвертор.

Автономный инвертор на базе трех однофазных инверторов (на примере однофазного)

Нагрузка инвертора может быть подключена либо через 3 разделительных однофазных трансформатора, либо непосредственно. Вторичные обмотки трансформатора соединяются звездой, т.к. при соединении треугольником будут протекать токи гармоник кратных 3-м, что приводит к увеличению мощности трансформатора и дополнительному нагреву обмоток .Нагрузка может соединяться как треугольником так и звездой .

В данном инверторе используется пофазная коммутация (коммутация, при которой после запирания 1 – го управляемого вентиля одной фазы каждой фазы сразу же отпирается вентиль той же фазы; коммутация каждой фазы осуществляется отделено). Данная схема имеет такой контур протекания : ток течет от "+" через VT2 , через нагрузку Uн , и затем через VT3 приходит к "- " .

Рисунок 1.1 - Однофазный мостовой инвертор.

Трехфазный мостовой инвертор

В данном инверторе нагрузка также может быть соединена как треугольником, так и звездой, и подключена или через разделительный трансформатор или без него.

В данном инверторе может быть использована индивидуальная коммутация (коммутация при которой каждый управляемый вентиль переключается независимо от остальных ) или групповая ( коммутация , при которой одновременно запираются вентили одной группы ) .

Трехфазный мостовой инвертор представлен на рисунке 1.2.

Данная схема имеет такой контур протекания : ток течет от "+" через VT11, через нагрузку ZА, затем через ZВ, VT14 или через ZС, VT15 и приходит к "- ".

Таким образом одновременно в коммутации участвует 3 вентиля.

Данная схема имеет ряд преимуществ перед предыдущей:

• количество вентилей данной схемы в 2 раза меньше, чем у предыдущей, схема менее дорогостоящая, меньше массогабаритные показатели;

• трехфазный мостовой инвертор формирует на нагрузке как фазное так и линейное напряжения.

Рисунок 1.2 - Трехфазный мостовой инвертор

По способу регулирования различают несколько видов, которые перечислены ниже [12].

Непрерывное регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя или широтно-импульсного регулятора с силовыми сглаживающими фильтрами на выходе.

В этом случае инвертор питается от трехфазной сети переменного тока через УВ, на выходе которого устанавливается силовой сглаживающий фильтр.

Напряжение управления воздействует на блок формирования переключающих импульсов УВ и на генератор переменной частоты. Импульсы с генератора преобразуется в 3-фазное (=180) или 6-фазное ( = 120) напряжение прямоугольной формы с помощью кольцевой пересчетной схемы и импульсных усилителей – преобразователей переключающих сигналов фаз . В качестве инвертора используется трехфазный мостовой инвертор с углом 'горения' вентилей  = 180 или  = 120 .

При питании инвертора от сети частотой 50 Гц через управляемый вентиль ток в цепи питания коммутируется довольно низкой частоты, что приводит к увеличению габаритов и веса сглаживающего LC-фильтра. Условия работы такого фильтра в системе "преобразователь частоты – асинхронный двигатель " неблагоприятны . В ЭП с частотным управлением выходное напряжение может измениться по сложному периодическому закону , что способствует возникновению колебаний напряжения и тока в системе .Наличие силового фильтра в цепи управления приводит к тому, что регулятор напряжения фактически становится колебательным или инерционным звеном, что в системах автоматического регулирования нежелательно . Кроме того УВ свойственен ряд недостатков:

неудовлетворительный баланс активной и реактивной мощности в цепи переменного тока, результатом которого является повышение расчетной мощности трансформатора выпрямителя. изменение спектра гармонических составляющих выходного напряжения по мере регулирования угла зажигания, сравнительная сложность схемы управления.

Широтно-импульсное регулирование напряжения на основной частоте .

В этом случае частота переключения полупроводниковых приборов инверторной схемы, которая выполняет функцию регулирования напряжения, равна основной частоте преобразователя, а относительная продолжительность включения источника питания в фазу нагрузки  изменяется с изменением частоты. К преобразователям с широтно-импульсным регулированием напряжения на основной частоте относятся: однофазный мостовой инвертор с несимметричным законом коммутации транзисторов, однофазный мостовой инвертор с фазовым управлением, трехфазный мостовой инвертор с регулированный углом 'горения' переключающих приборов. Для данных систем характерна зависимость гармонического состава выходного напряжения от кратности изменения частоты и напряжения в системе, причем эти изменения происходят за счет низкочастотных составляющих спектра (1,3,5,7-й гармоник).

В данной схеме сигнал управления поступает на вход генератора переменной частоты и на схему реверса. Для формирования 3-х фазного напряжения использована тригерная схема деления частоты на 3. Триггеры фаз одновременно служат и усилителями, а трансформаторы насыщения в их коллекторных цепях формируют импульсы, управляющие переключением транзисторов 3-х однофазных мостовых инверторов. Такая система с широтно-импульсной модуляцией не содержит никаких дополнительных элементов для регулирования выходного напряжения. Отпадает необходимость в 3-х узлах системы: УВ с блоком управления и силовом фильтре.

Широтно-импульсное регулирование напряжения на несущей частоте .

В системах ШИМ коммутирующие элементы регулятора напряжения, который может быть совмещен со схемой инвертора, переключаются с несущей частотой fo , в несколько раз превышающей максимальную основную частоту переключения инвертора f : fo = ( 8 – 16 ) f ;

Напряжение на фазе нагрузки имеет вид знакопеременных серий модулированных по ширине импульсов. Преобразователь частоты с автономным импульсным регулятором напряжения представляет собой сочетание полупроводникового транзисторного импульсного регулятора RN и модулятора M с инверторной схемой I .

В этом случае инвертор питается модулированными по длительности импульсами напряжения постоянной частоты следования, относительная продолжительность которых ' изменятся в зависимости от принятого в системе закона регулирования напряжения. Относительная продолжительность  и полярность включения фазы нагрузки в цепь источника питания зависят только от схемы и закона переключения приборов инвертора (рисунок 1.1).

Защита преобразователя от перегрузок осуществляется введением задержанной отрицательной обратной связи по току в цепи инвертора. При перегрузках в системе перегрузках в полупроводниковое реле ограничения тока RT, воздействуя на модулятор длительности регулятора M, увеличивает скважность импульсов напряжения до такого значения, при котором ток в цепи питания не превышает тока уставки реле.

Рисунок 1.3 - Блок-схема преобразователя частоты с широтно-импульсным регулированием напряжения на несущей частоте (RN – импульсный регулятор напряжения; I – инверторная схема; M – импульсный модулятор; RT – реле ограничения тока; GPF – генератор переменной частоты; KPS – кольцевая перещетная схема; SP – схема реверса; Pa,Pb,Pc – выходные преобразователи напряжения)

В преобразователях с совмещенным регулятором силовые транзисторы инвертора выполняют 2 функции: преобразование выпрямленного напряжения в переменное регулируемой частоты и регулирование среднего за полупериод значения напряжения. В этом случае управляющие импульсы с выхода модулятора М суммируются определенным образом с выходными напряжениями кольцевой пересчетной схемы KPS или с выходными напряжениями преобразователей Pa, Pb, Pc. При этом формируются сложные переключающие импульсы, управляющие работой полупроводниковых приборов инвертора, в качестве которого используются 3-х фазные или 1-о фазные мостовые схемы. Источником питания импульсного регулятора или инвертора с ШИМ может служить сеть постоянного тока или сеть переменного тока в сочетании с НУВ .

Применение импульсных полупроводниковых регуляторов напряжения без силовых сглаживающих фильтров или инверторов с ШИМ позволяет создавать практически безынерционные преобразователи частоты как по каналу управления частотой, так и по каналу управления напряжения.

По способу управления выделяют системы с углом управления =120 и  = 180 . Соединение нагрузки может быть треугольником и звездой. На нагрузке образуется ступенчатый сигнал .

Т.о. оптимальной является схема, основная часть которой – трехфазный мостовой инвертор с широтно-импульсный регулированием на несущей частоте, соединением нагрузки в звезду и углом управления  = 180 (общая структура представлена на рисунке 5). Одновременно в формировании напряжения на нагрузке принимает участие 3 вентиля. Напряжение на нагрузке при данном регулировании будет иметь пачку импульсов, огибающая которой будет стремиться к синусоиде. На полупериоде основной частоты будет располагаться 6 импульсов напряжений : первые и последние 2 импульса равны Uп/3, 3-й и 4-й импульсы равны 2Uп/3. Ток на нагрузке также будет повторять синусоиду.