4.1.2.2 Автономний інвертор струму у режимі джерела

синусоїдальної напруги

Як видно з наведених на рис.4.16 осцилограм, вихідна напруга АІС при використанні ШІМ практично синусоїдальна, причому незалежно від його частоти. Це є важливою перевагою АІС порівняно з АІН, де формування синусоїдальної напруги досягається суттєвим ускладненням схеми інвертора. Крім того, використання АІС в режимі джерела синусоїдальної напруги дозволяє застосовувати добре відпрацьовані на даний момент принципи реалізації систем векторного керування для електроприводів змінного струму.

Розглянемо один з можливих принципів керування, який забезпечує роботу АІС в режимі джерела синусоїдальної вихідної напруги. При цьому в системі керування використовуються три релейних регулятори напруги (РРН) для вихідних фаз АІС. На перші входи РРН подаються задані синусоїдальні напруги для фаз навантаження u_ЗАД, на другі входи виміряні напруги на конденсаторах фільтра (фазні напруги навантаження). Для РРН задається допустиме відхилення δ вихідної фазної напруги u_Ф відносно заданого значення u_ЗАД=U_1msinωt. Для позитивної напівхвилі u_Ф, якщо u_Ф<(u_ЗАД+δ), то РРН формується сигнал Р=1 на вмикання ключа, що забезпечує протікання у вихідний фазі АІС струму i_И позитивної полярності. При цьому напруга фази АІС плавно зростає до досягнення значення u_Ф≥(u_ЗАД+δ), коли на виході РРН встановлюється Р=0, що призводить до відключення ключа. Напруга конденсатора відповідної фази АІС знижується, при досягненні їм значення u_Ф<(u_ЗАД – δ) знову встановлюється Р=1. Таким чином, напруга u_Ф підтримується в «коридорі» значень (u_ЗАД-δ)≤u_Ф≤(u_ЗАД+δ). Для негативної напівхвилі u_Ф аналогічним чином формується сигнал N на вмикання ключа, що забезпечує протікання у вихідний фазі АІС струму негативної полярності.

Формування імпульсів управління ключами АІС здійснюється відповідно до першої гармоніки струму i_И (рис.4.11), яка відстає на кут β від напруги u_Ф.

Принцип формування вихідної напруги АІС ілюструє рис.4.17, де період вихідної напруги розподілено на шість інтервалів (τ₁-τ₆). На інтервалі τ₁ струми у вихідних фазах а і с є позитивними і формуються при вмиканні ключів VT1 і VT5 відповідними релейними регуляторами (Р_а і Р_с). Струм в фазі в при цьому негативний і протікає через постійно відкритий ключ VT4. При вимиканні ключів VT1 і VT5 вмикається ключ VT3 у фазі в, забезпечуючи протікання струму джерела через ключі VT3 і VT4.

Напруги керування ключами АІС формуються відповідно до рівнянь:

, (4.12)

,

, ,

, .

Так, стан ключа VT1 (К1) фази а відповідно до (4.12) на інтервалах τ₁ і τ₃ визначається релейним регулятором цієї фази Р_а, на інтервалі τ₂ ключ відкритий. Зазначені інтервали відповідають позитивній напівхвилі вихідного струму. Даний ключ включається також і при формуванні негативної напівхвилі струму на інтервалі τ₅ разом з ключем VT2 (К2), коли ключі в фазах в і с АІС відключені. Цим забезпечується замикання струму на вході АІС при відключених вихідних фазах.

Значення змінних τ_i, що приймають одиничне значення τ_i=1 на відповідних інтервалах (τ₁-τ₆) визначаються з урахуванням кута зсуву фаз β вихідного струму АІС відносно напруги завдання (u_ФА) . Слід зазначити, що даний алгоритм передбачає мінімальну кількість перемикань ключів, оскільки протягом 1/6 періоду вихідний частоти перемикання відсутні і відповідний ключ АІС відкритий постійно.

Осцилограми вихідної напруги АІС (u_Ф), струмів i_Н, i_И, i_С, напруги на вході АІС u_d при f_ВиХ=50 Гц для режиму двигуна і генераторного режиму роботи наведені на рис. 4.18.

Недоліком розглянутого принципу керування є використання кута β, що визначає фазу вихідного струму АІС.

Уникнути прив'язки розподілу імпульсів керування до вихідному струму АІС дозволяє наступний принцип управління.

Суть його полягає в наступному. Відмикання ключа у плечі АІС відбувалося:

- за наявності сигналу відповідної полярності з виходу релейного регулятора даної фази;

- за наявності сигналів з виходів релейних регуляторів інших фаз на відмикання в них ключів, що забезпечують протікання струму протилежної полярності;

- за відсутності сигналів керування з виходів релейних регуляторів (замикання кола для протікання струму в ланці постійного струму).

У будь-який момент часу струм протікає в двох вихідних фазах, тобто його формування здійснюється одним з двох релейних регуляторів напруги цих фаз. Вибір працюючого регулятора (з двох регуляторів) здійснюється відповідно з найбільшим значенням відхилення напруги фази навантаження u_ФН від заданого значення u_ЗАД . При цьому вводяться змінніКа, Кb, Кс які приймають одиничне значення, якщо для даної фази( δ - задане для релейного регулятора відхилення напруги). Для вибору використовуються три функції RS тригера з пріоритетом за входом S, вихідна змінна якихQ приймає значення: Q=1, якщо S=1, R=0 або R=1; Q=0, якщо S=0, R=1. При цьому S₁=Kc, R₁=Ka, S₂=Kb, R₂=Kc, S₃=Ka, R₃=Kb. Сигнали дозволу для регуляторів фаз АІС: ,,.

Напруга керування ключами АІС формується відповідно до рівнянь:

, (4.13)

,

,

,

,

При використанні розглянутого вище алгоритму із заданою фазою струму, що формується АІС, кількість перемикань ключів мінімальна, оскільки відомо який ключ може включатися на даному інтервалі часу - так при формуванні позитивної напівхвилі струму фази (1 - ї гармоніки) вмикається верхній ключ моста, а нижній тільки для замикання струму дроселя. Крім того, на одному з тактів (1/6 періоду) ключ постійно замкнутий.

У даному випадку кількість перемикань збільшується, оскільки для збільшення напруги включається один ключ плеча (струм i_И>0 див. рис. 4.19 – діаграма для i_И2), Для зменшення - інший, коли струм i_И змінює напрямок (тобто Р=1, потім N=1). Разом з тим, напруга на відключеній фазі навантаження за рахунок конденсатора вихідного фільтра не може змінюватися миттєво і в ряді випадків зміни його значення «вписується» в коридор значень, що відпрацьовується релейним регулятором даної фази. Можна використовувати релейний регулятор з трьома рівнями вихідної напруги Р=1 (N=0), Р=N=0 и N=1 (Р=0). Так при збільшенні напруги (Р=1) і досягненні заданого значення відхилення регулятор перемикається в нульовий стан (ключ відключається і i_И=0 див. рис. 4.19 - діаграма для i_И3 ). Якщо через певний час (τ на рис. 4.19) зниження напруги не відбулося, регулятор перемикається в стан N=1 (включається інший ключ плеча моста). Це дозволяє уникнути зайвих перемикань ключів. На рис. 4.19 показано відпрацьовування напруги фази навантаження (напруги на конденсаторі фільтра) u₂ і вихідний струм даної фази АІС i₂ при використанні дворівневого релейного регулятора напруги, а також напруга фази навантаження u₃ і вихідний струм фази АІС i₃ при використанні трирівневого регулятора.

Також для обмеження частоти перемикання ключів f_ГР на інтервалах, де зміна напруги фази АІС відбувається в зоні значень близьких до заданого рівня Δ мінімальна тривалість змінних Ка, Кb, Кс обмежується і не може бути менше 1/ f_ГР.

АІС з релейним регулятором в режимі джерела синусоїдальної напруги не критичний до значення струму в ланці постійного струму I_d. Його значення може бути будь-яким за умови I_d>I_dМИН (I_dМИН - мінімальне значення струму, при якому можливе відпрацьовування заданого значення вихідної напруги).

При незмінному навантаженні і збільшенні значення I_d збільшується частота перемикань ключів в плечах і тривалість «нульових» станів для підтримки постійним амплітуди першої гармоніки вихідного струму АІС. У «нульових» станах, коли навантаження відключено від джерела, струм дроселя I_d замикається через ключі одного з плечей АІС. У разі використання реального джерела струму (з кінцевим значенням вихідного опору і напруги на вході) струм I_d в «нульових» станах зростає, що призводить до його збільшення і збільшення тривалості «нульових» станів. Таким чином, система є нестійкою при неконтрольованому збільшенні струму I_d. Стабілізація можлива, якщо при збільшенні струму в «нульовому» стані збільшувати тривалість «ненульових» станів, що компенсують це збільшення струму. Це може бути досягнуто відповідним збільшенням напруги завдання, коли збільшується тривалість роботи релейного регулятора за його відпрацюванні. Для цього можна використовувати корекцію за завданням для АІС у функції миттєвого значення струму i_d.

Структурна схема системи керування АІС, що реалізує розглянуті принципи, наведена на рис.4.20. Вона містить три трирівневих релейних регулятора напруги РРН. Коло корекції завдання включає блок ділення (БД) і блок множення (БМ2). Формування імпульсів управління ключами АІС відповідно до (4.13) здійснюється блоком розподілу імпульсів (БРІ).

Важливою властивістю використання релейного принципу формування напруги АІС є те, що якість відпрацьовування вихідної напруги практично не залежить від амплітуди пульсацій вхідного струму i_d. Це дозволяє істотно зменшити індуктивність згладжувального дроселя порівняно з використанням ШІМ. У схемі керування випрямлячем бажано використовувати астатичну за середнім значенням i_d систему регулювання. Разом з тим, слід враховувати те, що збільшення амплітуди пульсацій вхідного струму i_d обумовлює додаткові перемикання ключів АІС .

Значення ємності С конденсаторів вихідного фільтра.Може вибиратися з різних міркувань. Чим більше С, тим менше швидкість зміни напруги і нижче частота перемикання ключів АІС. Однак граничне значення С визначається виходячи з обмежених можливостей АІС по вихідній напрузі (4.9). Співвідношення (4.9) отримано для ідеалізованої схеми АІС. У реальній схемі АІС з АВС на вході при безпосередньому живленні від мережі (без трансформатора) і U_ФС=U_Ф необхідно забезпечити запас по вихідній напрузі з урахуванням падіння напруги в силових колах і можливого зниження напруги мережі на 5-10%. З урахуванням цього значення . При цьому реактивна потужність фільтра не перевищує 60-65% від реактивної потужності навантаження (двигуна).

Завдання значення струму I_d на вході АІС. Хоча АІС і працює в режимі джерела напруги, але формує при цьому струм I_И імпульсної форми з амплітудою I_d. При використанні ШІМ і коефіцієнті модуляції за амплітудою μ=1 значення першої гармоніки . Мінімальне значенняI_d, при якому досягається відпрацювання заданого значення вихідної напруги АІС визначається першою гармонікою вихідного струму I_dмин=I_иm(1). Цьому відповідає коефіцієнт модуляції за амплітудою μ=1 і мінімальна кількість перемикань ключів АІС. Реактивна потужність вихідного ємнісного фільтра АІС Q_C=КQ_HOM (Q_HOM - номінальна реактивна потужність навантаження), при цьому I_С(1)=КI_ННОМР=КI_ННОМsinφ_HOM (I_ННОМ, I_ННОМР - струм навантаження в номінальному режимі і його реактивна складова). Вважаємо, що регулювання здійснюється за умови U/f=const і частота вихідної напруги f=νf_НОМ, при цьому ємнісний опір , відповідно, перша гармоніка струму конденсатора. Відповідно до векторної діаграми (рис.4.11) значення першої гармоніки вихідного струму АІС (де). Припустимо, щоK=0.5 і регулювання здійснюється при постійному струмі I_HHOM і коефіцієнті потужності навантаження cosφ=0.8, тоді при номінальній частоті I_d=0.854√2I_HHOM, при зниженні частоти вдвічі I_d=0.956√2I_HHOM. При подальшому зниженні частоти значення I_d наближається до амплітуди струму навантаження.

Частота перемикання ключів АІС f_K. Визначає втрати енергії в ключах , що особливо важливо при використанні високовольтних ключів. Крім розглянутих факторів значення f_K також визначається заданим значенням відхилення δ і зростає при його зменшенні. І тут потрібен розумний компроміс між досягаємою якістю вихідної напруги (досягається при зменшенні δ), вибором значення I_d і частоти перемикання ключів. При зниженні амплітуди вихідної напруги напруга U_d на вході АІС пропорційно знижується - втрати перемикання в ключах зменшуються, і значення f_K можна збільшувати.

Осцилограми вихідної напруги АІСu_Фa, струму i_d, вихідного струму фази АІС i_И, струму фази навантаження i_а, а також напруга для ключа К1 наведені на рис. 4.21 при f₂=50 Гц.