Преобразовательная техника

Как видно из рисунка, комбинация замкнутых ключей изменяется через каждую шестую часть периода. Последовательность включения ключей 1–2–3–4–5–6 соответствует формированию на выходе инвертора фаз A, B, C (см. рис. 5.8). Для изменения порядка фаз на выходе АИН необходимо изменить последовательность замыкания ключей.

Существует шесть ненулевых состояний ключей, при которых всегда замкнуты два четных и один нечетный или один четный и два нечетных ключа. Кроме этих шести ненулевых состояний, могут еще использоваться два нулевых состояния, при которых замкнуты ключи 1–3–5 или 2–4–6 и когда все три фазы статора подключены к одной точке, что соответствует нулю напряжения на нагрузке.

Возможные состояния ключей АИН приведены в табл. 5.1.

В каждом из шести ненулевых состояний две фазы нагрузки, соединенные параллельно, включены последовательно с третьей фазой. Поэтому на соединенных параллельно фазах нагрузки напряжение равно 1/3Ud, а на фазе, соединенной с ними последовательно, 2/3Ud.

На рис. 5.10 представлены диаграммы фазных и линейного напряжений на выходе АИН.

uA

Т/6

uB

uC

Т

Т/2

t

d

U1/3 t

2 U/3 d

t

uAB

Ud

t

Рис. 5.10. Диаграмма фазных и линейного напряжений на выходе трехфазного АИН

81

Таблица 5.1

Схемы включения фаз нагрузки при различных состояниях ключей

	Замкнутые	Схема включения нагрузки		Фазные напряжения
	ключи			uA	uB	uC
	+
	1		5
			A
	5–6–1		B	+1/3Ud	–2/3Ud	+1/3Ud
			C
		6
	–
	+
	1
			A
	6–1–2		B	+2/3Ud	–1/3Ud	–1/3Ud
			C
		6	2
	–
	+
	1	3
			A
	1–2–3		B	+1/3Ud	+1/3Ud	–2/3Ud
			C
			2
	–
	+
		3
			A
	2–3–4		B	–1/3Ud	+2/3Ud	–1/3Ud
			C
	4		2

–

82

Окончание таблицы 5.1

	Замкнутые	Схема включения нагрузки	Фазные напряжения
	ключи		uA	uB	uC

+
3	5
	A
3–4–5	B	–2/3Ud +1/3Ud +1/3Ud

		C
4
–
+
		5
		A
4–5–6		B	–1/3Ud	–1/3Ud	+2/3Ud
		C
4	6
–
+
1	3	5
		A

1–3–5

B

0

0

0

C

–

+

		A
2–4–6		B	0	0	0
		C
4	6	2

–

83

Величина напряжения на выходе определяется величиной напряжения на входе АИН. Таким образом, изменяя величину напряжения на входе инвертора, например за счет управляемого выпрямителя или импульсного преобразователя, можно регулировать величину выходного напряжения.

Как видно из представленных диаграмм, напряжение на выходе АИН отличается от синусоидального и содержит высшие гармонические составляющие. В случае работы АИН на асинхронный двигатель несинусоидальность выходного напряжения приведет к несинусоидальности токов и пульсации момента двигателя. Кроме того, наличие высших гармоник в кривой тока вызывает увеличение потерь энергии. Поэтому вместо рассмотренного алгоритма переключения ключей, как и в схеме однофазного АИН, применяется широтно-импульсная модуляция.

Работа системы ШИМ трехфазного мостового АИН представлена на рис. 5.11.

T

Tоп	uоп

uA

uAB

t

t t

t

t t

t

t

t

Рис. 5.11. ШИМ в трехфазном мостовом АИН

84

Принцип действия ШИМ в трехфазных АИН аналогичен ШИМ в однофазном АИН. Система формирования сигналов отпирания ключей состоит из одного сигнала пилообразного напряжения и трех синусоидальных сигналов задающего воздействия, сдвинутых относительно друг друга на треть периода. Частота и амплитуда напряжения на выходе АИН регулируется за счет изменения частоты и амплитуды задающих синусоидальных сигналов соответственно.

При сравнении пилообразного напряжения и задающего воздействия фазы А формируются сигналы управления ключами плеча фазы А АИН (ключи 1 и 4, см. рис. 5.8). Если задающее воздействие больше пилообразного, открывается ключ 1, если пилообразное напряжение больше задающего, открывается ключ 4. При сравнении задающих воздействий фаз B и C с пилообразным напряжением происходит формирование управляющих воздействий ключами фаз B и C соответственно.

Напряжение на каждом из отрезков времени, ограниченных штриховыми линиями (см. рис. 5.11), можно определить по табл. 5.1 в соответствии с состоянием ключей на заданном участке.

Поскольку АИН обычно работают на активно-индуктивную нагрузку, несмотря на импульсный характер напряжения, ток, протекающий по фазам нагрузки, будет практически синусоидальным. Для наглядности на представленной временной диаграмме частота пилообразного напряжения всего в 12 раз больше, чем частота задающего воздействия. В современных АИН соотношение частот лежит в диапазоне от 100 до 1000, что приводит к дополнительному уменьшению пульсаций тока нагрузки.

Увеличение частоты ШИМ приводит, с одной стороны, к уменьшению пульсаций тока нагрузки, а с другой стороны, к увеличению электромагнитных помех, воздействующих на радиотехнические устройства и системы управления; возникновению перенапряжений в цепи нагрузки. Средства борьбы с этими явлениями состоят в применении экранированных кабелей и специальных фильтров, а также в раздельной прокладке силовых кабелей и кабелей системы управления.

Работа АИН осуществляется в диапазоне изменения амплитуды задающего воздействия от нуля до амплитуды пилообразного напряжения. При дальнейшем увеличении величины задающего воздействия АИН перейдет в режим перемодуляции, что приведет к искажению формы токов на выходе АИН.

Описанная схема АИН с явно выраженным пилообразным опорным напряжением может быть реализована как в аналоговой форме, так и в цифровой форме с применением микропроцессорной техники. Наряду с ней разработаны и применяются алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции, специально разработанные для микропроцессорной реализации.

85

Рассмотренная схема трехфазного мостового АИН называется двухуровневой, так как на вход АИН подаются два значения напряжения. Кроме двухуровневых инверторов, применяются многоуровневые инверторы (число уровней может быть равно 3, 4, 5, 7). Основные преимущества многоуровневых инверторов по сравнению с двухуровневыми:

повышенное напряжение преобразователя на входе и выходе при использовании сравнительно низковольтных элементов (транзисторных модулей, конденсаторов);

повышенная единичная мощность преобразователя;

меньшие искажения напряжения и тока нагрузки в режиме синусоидальной ШИМ;

меньшие динамические потери энергии в режиме синусоидальной ШИМ.

Рассмотрим работу трехуровневого АИН, схема которого представлена на рис. 5.12.

+
11	21	31
С1
12	22	32
А	В	АД
Ud		С
13	23	33
С2
14	24	34
–
Рис. 5.12. Принципиальная схема трехуровневого
трехфазного мостового АИН

86

В трехфазных трехуровневых автономных инверторах напряжения в каждом плече моста используются два управляемых ключа, включенных последовательно. Напряжения между последовательно включенными полупроводниковыми приборами делятся приблизительно поровну с помощью последовательно соединенных конденсаторов С1 и С2 в звене постоянного тока, а также при использовании дополнительных диодов, с помощью которых общая точка соединения конденсаторов объединяется с точками соединения друг с другом полупроводниковых приборов в каждом плече моста.

Для формирования напряжений нагрузки используются три уровня напряжения – нулевой уровень, напряжение на одном конденсаторе и напряжение на двух последовательно соединенных конденсаторах. Поэтому рассматриваемую схему называют трехуровневой.

Для формирования алгоритма управления ключами используется ШИМ или векторная ШИМ. Принцип формирования сигналов управления ключами плеча фазы А при ШИМ в трехуровневом АИН представлен на рис. 5.13.

T

Tоп	uоп+

t

uоп–

t

t

t

t

Рис. 5.13. ШИМ в трехуровневом трехфазном мостовом АИН

87

Отличие от двухуровневого АИН заключается в необходимости формирования двух пилообразных опорных напряжений. При сравнении задающего воздействия с положительным опорным напряжением формируются сигналы управления ключами 11 и 13: если задающее воздействие больше, то открывается ключ 11, а если задающее воздействие меньше, открывается ключ 13. Аналогично при сравнении задающего воздействия с отрицательным опорным напряжением формируются сигналы управления ключами 12 и 14: если задающее воздействие больше, то открывается ключ 12, а если задающее воздействие меньше, открывается ключ 14. Для получения сигналов управления плечами фаз B и C, как и в двухуровневом инверторе, необходимо сформировать задающие воздействия, сдвинутые на треть периода и две трети периода соответственно.

Временные диаграммы тока и напряжения в фазе А при активноиндуктивной нагрузке представлены на рис. 5.14, частота опорного напряжения – 2000 Гц, частота задающего воздействия – 50 Гц.

u i

uА

iА

t

Рис. 5.14. Временные диаграммы выходного тока и напряжения трехуровневого трехфазного мостового АИН в фазе А

88

5.4. Однофазный мостовой автономный инвертор тока

Рассмотрим однофазный мостовой автономный инвертор тока (рис. 5.15), в котором конденсатор С подключен параллельно активноиндуктивной нагрузке Zн.

Остановимся сначала на назначении элементов схемы. Тиристоры VS1 – VS4, работая попарно, обеспечивают изменение полярности подключения нагрузки к источнику постоянного тока Id. Если открытыми оказываются тиристоры VS1 и VS4, то по нагрузке ток будет протекать в направлении, указанном на рис. 5.15 стрелкой. Если открыты будут VS2 и VS3, то ток нагрузки будет протекать в противоположном направлении.

Конденсатор С обеспечивает принудительную коммутацию (запирание) одной пары тиристоров при открывании другой. Напомним, что емкость этого конденсатора должна быть подобрана так, чтобы обеспечить в целом активно-емкостной характер нагрузки АИТ. Тогда выходное напряжение uвых будет отставать от выходного тока iвых, обеспечивая тем самым приложение к паре закрывающихся тиристоров обратного напряжения в течение интервала времени tв. Это необходимо для восстановления вентильных свойств тиристоров: длительность интервала tв должна быть не меньше паспортного времени выключения тиристоров данного типа.

а)				б)
	Ld
	Zн		VS3	0
Id	VS1
	iвых	uвых
	VS2
		C	VS4

uвых

iвых

	t3	t
		t4
t1	t2	Id

uVS1,VS4

tв

t

обратное напряжение для VS1, VS4

Рис. 5.15. Схема и временные диаграммы однофазного мостового АИТ:

а – схема; б – временные′ диаграммы

Реактор Ld обеспечивает сглаживание пульсаций входного тока Id, т. е. обеспечивает работу источника питания в режиме источника тока.

Рассмотрим работу однофазного мостового АИТ в различные интервалы времени более подробно (см. рис. 5.15, 5.16).

89

Пусть исходное состояние схемы при t < 0 было таким, как показано
на рис. 5.16, а: открыты были тиристоры VS3 и VS2, выходной ток iвых про-
текал справа налево, а конденсатор С в результате такого подключения
оказался заряженным до полярности, указанной на рисунке.
а) начальное состояние схемы при t < 0					в) состояние схемы при t1 < t < t2
	Ld					Ld
Id	VS1	Zн		VS3	Id	VS1	Zн		VS3
		iвых	uвых				iвых	uвых
	VS2		–	+				+	–
			C	VS4			VS2 C			VS4
б) состояние схемы при 0 < t < t1					г) состояние схемы при t2 < t < t3
	Ld			uобр.VS3		Ld
Id	VS1	Zн		VS3	Id		VS1		Zн	VS3
uобр.VS2		iвых	uвых		uобр.VS1		iвых	uвых		uобр.VS4
			–	+		VS2		+	–
		VS2 C		VS4				C	VS4
		Рис. 5.16. Состояние схемы однофазного мостового АИТ
				в различные интервалы времени

При t = 0 принудительно (путем подачи отпирающего импульса на управляющий электрод от системы управления) открываются тиристоры VS1 и VS4. В результате этого в данный момент времени к тиристорам VS2 и VS3 оказывается приложенным обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе С (рис. 5.16, б), и эта пара тиристоров закрывается (процесс открывания и закрывания тиристоров будем считать мгновенным). В дальнейшем на интервалах времени 0 < t < t1 и t1 < t < t2, пока будут открыты тиристоры VS1, VS4, выходной ток iвых будет протекать слева направо, как указано на рис. 5.16, б, в.

На интервале 0 < t < t1 происходит разряд конденсатора С: напряжение на нем, полярность которого указана на рис. 5.16, б, уменьшается от начального значения до нуля. Длительность этого интервала – это время, предоставляемое схемой для восстановления вентильных свойств тиристоров. При t = t1 напряжение конденсатора уменьшается до нуля и изменяет полярность. На интервале t1 < t < t2 конденсатор заряжается до напряжения, полярность которого указана на рис. 5.16, в.

90