4.1.2.2 Автономний інвертор струму у режимі джерела

синусоідальної напруги

Как видно из приведенных на рис.4.14 осциллограмм, выходное напряжение АИТ при использовании ШИМ практически синусоидальное, причем независимо от его частоты. Это является важным преимуществом АИТ в сравнении с АИН, где формирование синусоидального напряжения достигается существенным усложнением схемы инвертора. Кроме того, использование АИТ в режиме источника синусоидального напряжения позволяет применять хорошо отработанные на данный момент принципы реализации систем векторного управления для электроприводов переменного тока.

Рассмотрим один из возможных принципов управления, который обеспечивает работу АИТ в режиме источника синусоидального выходного напряжения. При этом в системе управления используются три релейных регулятора напряжения (РРН) для выходных фаз АИТ. На первые входы РРН подаются заданные синусоидальные напряжения для фаз нагрузки u_ЗАД, на вторые входы измеренные напряжения на конденсаторах фильтра (фазные напряжения нагрузки). Для РРН задается допустимое отклонение δ выходного фазного напряжения u_Ф относительно заданного значения u_ЗАД=U_1msinωt. Для положительной полуволны u_Ф, если u_Ф<(u_ЗАД+δ), то РРН формируется сигнал Р=1 на включение ключа, обеспечивающего протекание в выходной фазе АИТ тока i_И положительной полярности. При этом напряжение фазы АИТ плавно нарастает до достижения значения u_Ф≥(u_ЗАД+δ), когда на выходе РРН устанавливается Р=0, что приводит к отключению ключа. Напряжение конденсатора соответствующей фазы АИТ снижается, при достижении им значения u_Ф<(u_ЗАД – δ) вновь устанавливается Р=1. Таким образом, напряжение u_Ф поддерживается в «коридоре» значений (u_ЗАД-δ)≤u_Ф≤(u_ЗАД+δ). Для отрицательной полуволны u_Ф аналогичным образом формируется сигнал N на включение ключа, обеспечивающего протекание в выходной фазе АИТ тока отрицательной полярности.

Формирование импульсов управления ключами АИТ осуществляется в соответствии с первой гармоникой тока i_И (рис.4.11), которая отстает на угол β от напряжения u_Ф.

Принцип формирования выходного напряжения АИТ иллюстрирует рис.4.15, где период выходного напряжения разбит на шесть интервалов (τ₁-τ₆). На интервале τ₁ токи в выходных фазах а и с положительны и формируются при отпирании ключей VT1 и VT5 соответствующими релейными регуляторами (Р_а и Р_с). Ток в фазе в при этом отрицательный и протекает через постоянно открытый ключ VT4. При запирании ключей VT1 и VT5 отпирается ключ VT3 в фазе в, обеспечивая протекание тока источника через ключи VT3 и VT4.

Напряжения управления ключами АИТ формируются в соответствии с уравнениями:

, (4.12)

,

, ,

,

.

Так, состояние ключа VT1 (К1) фазы а в соответствии с (4.12) на интервалах τ₁ и τ₃ определяется релейным регулятором этой фазы Р_а , на интервале τ₂ ключ открыт. Указанные интервалы соответствуют положительной полуволне выходного тока. Данный ключ включается также и при формировании отрицательной полуволны тока на интервале τ₅ вместе с ключом VT2 (К2), когда ключи в фазах в и с АИТ отключены. Этим обеспечивается замыкание тока на входе АИТ при отключенных выходных фазах.

Значения переменных τ_i, принимающих единичное значение τ_i=1 на соответствующих интервалах (τ₁-τ₆) определяются с учетом угла сдвига фаз β выходного тока АИТ относительно напряжения задания (u_ФА) . Следует отметить, что данный алгоритм предполагает минимальное количество переключений ключей, поскольку в течение 1/6 периода выходной частоты переключения отсутствуют и соответствующий ключ АИТ открыт постоянно.

Осциллограммы выходного напряжения АИТ (u_Ф), токов i_Н, i_И, i_С, напряжения на входе АИТ u_d при f_ВЫХ=50 Гц для двигательного и генераторного режимов работы приведены на рис.4.16.

Недостатком рассмотренного принципа управления является использование угла β, определяющего фазу выходного тока АИТ.

Избежать привязки распределения импульсов управления к выходному току АИТ позволяет следующий принцип управления.

Суть его состоит в следующем.

Отпирание ключа в плече АИТ происходит:

- при наличии сигнала соответствующей полярности с выхода релейного регулятора данной фазы;

- при наличии сигналов с выходов релейных регуляторов других фаз на отпирание в них ключей, обеспечивающих протекание тока противоположной полярности;

- при отсутствии сигналов управления с выходов релейных регуляторов (замыкание цепи для протекания тока в звене постоянного тока).

В любой момент времени ток протекает в двух выходных фазах, т.е. его формирование осуществляется одним из двух релейных регуляторов напряжения этих фаз. Выбор работающего регулятора (из двух регуляторов) осуществляется в соответствии с наибольшим значением отклонения напряжения фазы нагрузки u_ФН от заданного значения u_ЗАД . При этом вводятсяпеременныеКа, Кb, Кс принимающие единичное значение, если для данной фазы (δ – заданное для релейного регулятора отклонение напряжения). Для выбора используются три функции RS триггера с приоритетом по входу S, выходная переменная которых Q принимает значения: Q=1, если S=1, R=0 или R=1; Q=0, если S=0, R=1. При этом S₁=Kc, R₁=Ka, S₂=Kb, R₂=Kc, S₃=Ka, R₃=Kb. Сигналы разрешения для регуляторов фаз АИТ: , , .

Напряжения управления ключами АИТ формируются в соответствии с уравнениями:

, (4.13)

,

,

,

,

При использовании рассмотренного выше алгоритма с заданной фазой тока, формируемого АИТ, количество переключений ключей минимально, поскольку известно какой ключ может включаться на данном интервале времени – так при формировании положительной полуволны тока фазы (1- й гармоники) включается верхний ключ моста, а нижний только для замыкания тока дросселя. Кроме того, на одном из тактов (1/6 периода) ключ постоянно замкнут.

В данном случае количество переключений увеличивается, поскольку для увеличения напряжения включается один ключ плеча (ток i_И>0 см. рис.4.17 – діаграма для i_И2), для уменьшения – другой, когда ток i_И меняет направление (т.е. Р=1, затем N=1). Вместе с тем, напряжение на отключенной фазе нагрузки за счет конденсатора выходного фильтра не может изменяться мгновенно и в ряде случаев изменения его значения «вписывается» в коридор значений отрабатываемых релейным регулятором данной фазы. Можно использовать релейный регулятор с тремя уровнями выходного напряжения Р=1 (N=0), Р=N=0 и N=1 (Р=0). Так при увеличении напряжения (Р=1) и достижении заданного значения отклонения регулятор переключается в нулевое состояние (ключ отключается и i_И=0 см. рис.4.17 - діаграма для i_И3). Если через определенное время (τ на рис.4.17) снижение напряжения не произошло, регулятор переключается в состояние N=1 (включается другой ключ плеча моста). Это позволит избежать лишних переключений ключей. На рис.4.17 показана отработка напряжения фазы нагрузки (напряжения на конденсаторе фильтра) u₂ и выходной ток данной фазы АИТ i₂ при использовании двухуровневого релейного регулятора напряжения, а также напряжение фазы нагрузки u₃ и выходной ток фазы АИТ i₃ при использовании трехуровневого регулятора.

Также для ограничения частоты переключения ключей f_ГР на интервалах, где изменение напряжения фазы АИТ происходит в зоне значений близких к заданному уровню ∆ минимальная длительность переменных Ка, Кb, Кс ограничивается и не может быть меньше 1/f_ГР .

АИТ с релейным регулятором в режиме источника синусоидального напряжения не критичен к значению тока в звене постоянного тока I_d. Его значение может быть любым при условии I_d>I_dМИН (I_dМИН - минимальное значение тока, при котором возможна отработка заданного значения выходного напряжения).

При неизменной нагрузке и увеличении значения I_d увеличивается частота переключений ключей в плечах и длительность «нулевых» состояний для поддержания постоянным амплитуды первой гармоники выходного тока АИТ. В «нулевых» состояниях, когда нагрузка отключена от источника, ток дросселя I_d замыкается через ключи одного из плеч АИТ. В случае использования реального источника тока (с конечным значением выходного сопротивления и напряжения на входе) ток I_d в «нулевых» состояниях возрастает, что приводит к его увеличению и увеличению длительности «нулевых» состояний. Таким образом, система является неустойчивой при неконтролируемом увеличении тока I_d. Следует отметить, что задача стабилизации тока I_d не может быть решена использованием внешнего регулятора для источника питания. Стабилизация возможна, если при увеличении тока в «нулевом» состоянии увеличивать продолжительность «ненулевых» состояний, компенсирующих это увеличение тока. Это может быть достигнуто соответствующим увеличением напряжения задания, когда увеличивается продолжительность работы релейного регулятора по его отработке. Для этого можно использовать коррекцию по заданию для АИТ в функции мгновенного значения тока i_d.

Структурная схема системы управления АИТ, реализующая рассмотренные принципы приведена на рис.4.18. Она включает три трехуровневых релейных регулятора напряжения РРН. Цепь коррекции задания включает блок деления (БД) и блок умножения (БУ2). Формирование импульсов управления ключами АИТ в соответствии с (4.13) осуществляется блоком распределения импульсов (БРИ).

Важным достоинством использования релейного принципа формирования напряжения АИТ является то, что качество отработки выходного напряжения практически не зависит от амплитуды пульсаций входного токаi_d. Это позволяет существенно уменьшить индуктивность сглаживающего дросселя в сравнении с использованием ШИМ. В схеме управления выпрямителем желательно использовать астатическую по среднему значению i_d систему регулирования. Вместе с тем, следует учитывать то, что увеличение амплитуды пульсаций входного тока i_d обуславливает дополнительные переключения ключей АИТ.

Значение емкости С конденсаторов выходного фильтра. Может выбираться из различных соображений. Чем больше С, тем меньше скорость изменения напряжения и ниже частота переключения ключей АИТ. Однако предельное значение С определяется исходя из ограниченных возможностей АИТ по выходному напряжению (4.9). Соотношение (4.9) получено для идеализированной схемы АИТ. В реальной схеме АИТ с АВТ на входе при непосредственном питании от сети (без трансформатора) и U_ФС=U_Ф необходимо обеспечить запас по выходному напряжению с учетом падения напряжения в силовых цепях и возможного снижения напряжения сети на 5-10%. С учетом этого значение .При этом реактивная мощность фильтра не превышает 60-65% от реактивной мощности двигателя.

Задание значения тока I_d на входе АИТ. Хотя АИТ и работает в режиме источника напряжения, но формирует при этом ток I_И импульсной формы с амплитудой I_d. При использовании ШИМ и коэффициенте модуляции по амплитуде μ=1 значение первой гармоники . Минимальное значение I_d, при котором достигается отработка заданного значения выходного напряжения АИТ определяется первой гармоникой выходного тока I_dмин=I_иm(1). Этому соответствует коэффициент модуляции по амплитуде μ=1 и минимальное количество переключений ключей АИТ. Реактивная мощность выходного емкостного фильтра АИТ Q_C=КQ_HOM (Q_HOM - номинальная реактивная мощность нагрузки), при этом I_С(1)=КI_ННОМР=КI_ННОМsinφ_HOM (I_ННОМ, I_ННОМР - ток нагрузки в номинальном режиме и его реактивная составляющая). Полагаем, что регулирование осуществляется из условия U/f=const и частота выходного напряжения f=νf_НОМ, при этом емкостное сопротивление , соответственно, первая гармоника тока конденсатора. В соответствии с векторной диаграммой (рис.4.11) значение первой гармоники выходного тока АИТ (где). Предположим, что K=0.5 и регулирование осуществляется при постоянном токе I_HHOM и коэффициенте мощности нагрузки cosφ=0.8, тогда при номинальной частоте I_d=0.854√2I_HHOM, при снижении частоты вдвое I_d=0.956√2I_HHOM. При дальнейшем снижении частоты значение I_d приближается к амплитуде тока нагрузки.

Частота переключения ключей АИТ f_K. Определяет потери энергии в ключах, что особенно важно при использовании высоковольтных ключей. Кроме рассмотренных факторов значение f_K также определяется заданным значением отклонения δ и растет при его уменьшении. И здесь нужен разумный компромисс между достигаемым качеством выходного напряжения (достигается при уменьшении δ), выбором значения I_d и частоты переключения ключей. При снижении амплитуды выходного напряжения напряжение U_d на входе АИТ пропорционально снижается - потери переключения в ключах уменьшаются, и значение f_K можно увеличивать.

Осциллограммы выходного напряжения АИТ u_Фa, тока i_d, выходного тока фазы АИТ i_И, тока фазы нагрузки i_а, а также напряжение для ключа К1 приведены на рис.4.19 при f₂=50 Гц.