8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения

Схема трехфазного инвертора напряжения представлена на рис. 8.8, где ключи S1, S2 идентичны ключам в ранее рассмотренных схемах однофазных инверторов. В схеме на рис. 8.8 выделен узел 0, образованный соединением конденсаторов С1 и С2, относительно которого можно рассматривать фазные напряжения u_a0, u_b0, и u_c0.

Рис. 8.8. Трехфазная мостовая схема инвертора напряжения

В сбалансированной трехфазной системе фазные напряжения и токи одинаковы в каждой фазе (с учетом междуфазного сдвига) и сумма их значений для двух любых фаз определяет значение напряжения и тока в третьей фазе. Это необходимо учитывать при задании опорных сигналов модуляции. Как и в однофазных, в трехфазных схемах можно организовать модуляцию, используя в качестве опорных модулирующих сигналов синусоидальные сигналы и сигналы несущей частоты треугольной формы.

В процессе модуляции в схеме имеет место восемь состояний ключей S1—S6, указанных в табл. 8.2. В традиционных методах синусоидальной ШИМ для формирования выходных напряжений используется шесть состояний ключей (I—VI).

Таблица 8.2

Состояние ключей и напряжений фаз a и b в схеме трехфазного инвертора напряжения (0 — выключенное, 1 — включенное)

Номер	Состояние ключей						Значения напряжений
состояния	S1	S3	S5	S4	S6	S2	ua0	ub0	uc0
VIII	0	0	0	1	1	1	0	0	0
I	1	0	0	0	1	1			Ud
II	1	1	0	0	0	1			0
III	0	1	0	1	0	1			-Ud
IV	0	1	1	1	0	0			-Ud
V	0	0	1	1	1	0			0
VI	1	0	1	0	1	0			Ud
VII	1	1	1	0	0	0	0	0	0

В состояниях VII и VIII выходное напряжение равно нулю. Смена состояний ключей во времени происходит в зависимости от соотношения текущих значений опорного и несущего сигналов. Рассмотрим формирование линейных напряжений на выходе инвертора. В целях единообразия трехфазной и однофазной схем будем рассматривать линейное напряжение u_ab как разность напряжений фаз а и б, определенных относительно точки 0. Выбор общей точки не имеет принципиального значения. Например, в качестве такой точки можно взять точку с потенциалом минусовой шины постоянного тока или какую-нибудь другую. С учетом выбора общей точки 0 линейное напряжение u_ab равно разности фазных напряжений u_ab и т. е. u_ab = u_a0 - u_b0 . Напряжения фаз u_a0 и u_b0 могут принимать следующие значения:

• на интервалах включенного состояния ключа S1 фаза а соединяется с шинами +U_d и , а на интервалах с включенным состоянием S4 фаза а соединяется с шинами -U_d и ;

• на интервалах с включенным состоянием ключей S3 и S6 для фазы b и .

Из табл. 8.2 видно, что состояния ключей S1, S3 и S5 противоположны состояниям ключей S4, S6 и S2. Это упрощает алгоритм управления инвертором и его схемотехническую реализацию.

С учетом значений при модуляции (рис. 8.8) условия изменения состояний ключей S1 и S2 на интервале положительных полуволн напряжений следующие:

u_Ma (θ) > u_H (θ)- S1 включен; u_Ma (θ) < u_H (θ)- S1 выключен;

u_Mb (θ) > u_H (θ)- S3 включен; u_Mb (θ) < u_H (θ)- S3 выключен;

На интервалах отрицательных полуволн u_Ma, u_Mb условия изменении состояний справедливы для ключей S4 (фаза а) и S6 (фаза b) (рис.8.9). При этом в положительный полупериод напряжений u_Ma и u_Mb потенциалы фаз а и b равны U_d /2 при включенных ключах S1 и S3 и равны -U_d /2 при выключенных ключах. На интервалах отрицательных полуволн потенциалы фаз а и b изменяются от -U_d/2 до U_d/2 в зависимости от состояния ключей (см. табл. 8.2). Равенство нулю потенциалов фаз а и b соответствует проводимости ключей других плеч и обратных диодов подобно тому, как это имело место в однофазных инверторах напряжения. Согласно табл. 8.2 амплитуда первой гармоники линейного напряжения инвер­тора U_alm1 при коэффициенте амплитудной модуляции 0 < М_a < 1 может быть записана в виде

^. (8.10)

При переходе в режим сверх модуляции (М_а >1) амплитуды первых гармоник линейных напряжений возрастают (8.9) до значения

^. (8.11)

Учитывая, что в частотном спектре линейных напряжений отсутствуют гармо­ники кратные трем, частоту несущего сигнала выбирают кратной трем относи­тельно нечетных чисел (M_f = 9, 15, 21 ...), округляя при малых значениях M_f до целого числа.

г

Рис. 8.9. Диаграммы синусоидальной ШИМ в трехфазном инверторе: а — напряжение модулирующих сигналов; б — напряжение фаз u_a0; в — напряжение фаз u_b0; г — линейное напряжение u_ab

В трехфазных инверторах, как и в однофазных, нагрузку ключей по току можно оценить по средним значениям токов в них на интервале одного периода. Оче­видно, что усредненные значения токов ключей S1—S6 и диодов D1—D6 будут соответствовать отрезкам синусоидальных токов фаз, т. е. первым гармоникам этих токов. При этом следует учитывать, что на интервалах включенных состоя­ний ключей общий ток фазы при активно-индуктивной нагрузке распределяется, например, между ключом S1 и обратным диодом D1. Таким образом,

через ключ S1 ток поступает в нагрузку, а при изменении знака возвращается в источник через обратный диод D1. Момент смены знака тока определяется коэффициентом сдвига основных гармоник тока и напряжения cosφ. Поэтому, учитывая только основную гармонику токов, несложно произвести расчет статических потерь мощности в ком­мутационных элементах и обратных диодах ключей.