172

4.1.2 Автономні інвертори струму на повністю керованих ключах

Схема трифазного мостового АІС при імпульсному формуванні вихідного струму виконується на ключах з однобічною провідністю, що вимикаються за колом керування (на рис.4.10 - тиристори) і містить на вході дросель із значною індуктивністю (L_d), а також ємнісний фільтр вищих гармонік (С_ВИХ). Вхідний дросель не допускає миттєвого розриву кола постійного струму. Вихідний фільтр необхідний для сумісності інвертору як імпульсного джерела струму з індуктивним навантаженням, яка не допускає стрибкоподібної зміни струму і забезпечує комутацію струму навантаження при замиканні ключів АІТ.

Независимо от используемого алгоритма АИТ формирует в выходных фазах токи i_И импульсной формы, которые является суммой токов конденсатора i_С и нагрузки i_Н (i_И=i_С+i_Н). При импульсном выходном токе АИТ емкостный фильтр существенно меняет его режим работы, что усложняет задачу получения синусоидального тока нагрузки при использовании ШИМ.

Возможности АИТ по выходному напряжению ограничены, что может наложить ограничения для схемы ПЧ. Так, если на входе АИТ используется активний випрямляч струму з векторною ШІМ (см.п.5.3) предельное значение его выпрямленного напряжения U_d=2.12U_ФС (U_ФС – фазное напряжение сети). Максимальное требуемое значение напряжения на входе АИТ U_d можно определить исходя из равенства активной мощности на входе и выходе АИТ (потерями энергии в схеме АИТ пренебрегаем) (U_Ф - номинальное фазное напряжение нагрузки АИТ). В соответствии с векторной диаграммой для первых гармоник токов выходной фазы АИТ (рис.4.11) получаем . При использовании ШИМ и коэффициенте модуляции по амплитудеμ=1 значение .Звідки потрібне значення

. (4.9)

Если не используется полная компенсация реактивного тока нагрузки I_HP то соsβ<1 и имеется некоторый запас по напряжению. Таким образом, АВТ может использоваться без входного трансформатора при непосредственном подключении к сети переменного тока (при U_Ф=U_ФС).

При определении алгоритма управления АИТ необходимо учитывать следующие особенности использования схемы для коммутации тока источника I_d:

а) нельзя разрывать ток источника – всегда должны проводить ключи в двух плечах моста;

б) следует исключить к.з. нагрузки, когда замкнуты три ключа АИТ подключающие его выходы к одному зажиму источника;

в) при использовании бестоковых пауз (нулевых состояний) для регулирования выходного тока замыкаются ключи одного плеча для протекания тока источника.

4.1.2.1 Автономный инвертор тока с формированием в нагрузке

синусоидального тока

Исходим из того, что ток на входе АИТ постоянный i_d=I_d. Выходной ток фазы АИТ i_И при этом имеет форму импульсов положительной или отрицательной полярности и может принимать три значения I_d, 0, -I_d. При использовании ШИМ ключи АИТ переключаются с высокой частотой модуляции f_М. Изменяя длительность – ширину импульса можно задавать определенное среднее значение тока i_И за период модуляции Т=1/f_М (такт модуляции) I_ИСР. Предельное среднее значение I_ИСР=±I_d. Изменяя значение I_ИСР на каждом такте модуляции можно сформировать I_ИСР(t) по определенному закону. Таким образом, при синусоидальном законе получаем (i_И(1) – первая гармоника выходного тока, μ=(0-1) – коэффициент модуляции по амплитуде). Высшие гармоники тока замыкаются через конденсаторы фильтра, первая гармоника проходит в цепь нагрузки.

Використання ШІМ для трифазного АІТ має певні особливості у порівнянні з АІН. Розглянемо можливі варіанти реалізації ШІМ.

Вибіркова ШІМ (selected harmonic elimination (SHE) PWM) з обмеженням вищих гармонік струму низького порядка. Виходимо з того, що завжди відкриті ключі у двох плечах. На рис.4.,а показано діаграми струму у вихідних фазах АІТ при п’яти імпульсах у напівперіод вихідного струму. При цьому на інтервалі (0, π/3) імпульси струму фази с (i_c) є інверсією імпульсів струму фази а (i_а), а струм у фазі в (i_в) є безперервним. В той же час імпульси струму i_а на інтервалі (π/6, π/3) є інверсією відносно імпульсів i_а на інтервалі (0,π/6).

Амплітуда k-ї гармоніки струму (k=6l±1)

.

Відзначимо, що у даному виразі є дві змінні величини α₁ та α₂. Це дозволяє обмежити (виключити) з гармонійного складу струму фази АІТ дві гармоніки 5-у та 7-у. Так умова виключення гармонік U_m(5)=U_m(7)=0 виконується при α₁=7.93° и α₂=13.73°.

При трьох імпульсах (рис.4.,б) існує тільки одна змінна α₁, це дозволяє виключити 5-у гармоніку. Цьому відповідає значення α₁=18°.

При семи імпульсах (рис.4.,б) існує три змінних α₁, α₂, α₃, це дозволяє виключити 5-у, 7-у, 11-у гармоніки. Цьому відповідає значення α₁=2.24°, α₂=5.6°, и α₃=21.26°.

Регулювання амплітуди першої гармоніки вихідного струму АІТ передбачає регулювання постійного струму на вході АІТ або змінювання значень кутів α_i. У останньому випадку гармонійний склад вихідного струму погіршується, оскільки можливо лише часткове придушення гармонік низького порядку. Окрім того, регулювання можливо тільки в певних межах. Реалізація даного принципу керування потребує попередніх розрахунків і достатньо складна, проте він широко використовується у перетворювачах частоти (п.6.).

Трапецеїдальна ШІМ. Використовує той же підхід, що і вибіркова ШІМ при одночасному вмиканні ключів у двох плечах мосту. Проте її реалізація не потребує попередніх розрахунків і значно простіша. При цьому (рис.4.) на інтервалі (π/3, 2π/3) вихідний струм постійний, на інших імпульси формуються шляхом порівняння за рівнем заданої напруги трапецеїдальної форми u_ЗАД та модулюючої напруги трикутної форми u_ТР за умови, що u_ЗАД ≥u_ТР. Амплітуда u_ЗАД регулюється, що дозволяє в певних межах змінювати амплітуду першої гармоніки вихідного струму АІТ, або забезпечити придушення вищих гармонік. Так при кількості імпульсів у напівхвилі вихідного струму 21 і співвідношенні амплітуди напруги u_ЗАДm/u_ТРm=0.82 [] значення 5-ї гармоніки - нуль, а 7-ї, 11-ї та 13-ї гармонік, становить по відношенню до першої 4 %, 1 % і 2 %, відповідно.

Слід відзначити, що можливості розглянутих методів обмежені і це, головним чином, пов’язано з відсутністю регулювання вихідного струму на інтервалі (π/3, 2π/3).

Векторна ШІМ. Рассмотрим формирование выходного тока АИТ с использованием метода пространственного вектора (векторная ШИМ (ВШИМ)), который обеспечивает наиболее полное использование АИТ по току при минимальном количестве переключений ключей. Следует отметить, что формируется вектор выходного тока АИТ, вектора тока нагрузки и выходного напряжения определяются параметрами нагрузки и емкостью конденсаторов выходного фильтра.

Суть метода пространственного вектора применительно к формированию выходного напряжения АИН подробно рассмотрена в п.4.2.5.2. Рассмотрим особенности реализации применительно схемы АИТ.

Возможные состояния схемы АИТ (а+ означает замыкание верхнего ключа в плече а (фаза а), а- соответственно замыкание нижнего ключа), выходные токи и соответствующие им углы поворота β пространственного вектора тока представлены в табл.4.1. Построение вектора 1 иллюстрирует рис.4.12. При этом ось вещественных чисел совмещается с вектором тока фазы А, а результирующий вектор тока I_P опережает его на угол β=30º. При этом получаем 6 ненулевых векторов (табл.4.1) и три нулевых, когда нагрузка от АИТ отключена и замкнуты оба ключа в одном из плеч схемы. Положения вектора тока показаны на рис.4.13,а.