11.2.2. Алгоритмы управления инверторами

Для нормальной работы тяговых асинхронных электродвигателей необходимы инверторы, генерирующие трехфазное синусоидальное напряжение или симметричное несинусоидальное напряжение, у которого может быть выделена основная гармоническая, значительно преобладающая над высшими гармоническими (§ 3.5, рис. 3.11). Трехфазное напряжение широкого диапазона частоты можно получить в обмотках статора АТД с помощью схемы, представленной на рис. 11.8.

Условно инвертор может быть представлен системой из шести ключей К1-К6, включенной на источник постоянного напряжения (рис. 11.8,а). Для получения трехфазного напряжения на обмотках статора двигателя и формирования вращающейся магнитодвижущей силы F необходимо в определенной последовательности замыкать ключи.

Пусть при замкнуты ключи К2,К3,К6. Тогда по обмоткам фаз статора будет протекать ток , и ; причем ток будет разветвляется на и (рис. 11.18,б). Под действием токов , и сформируется м.д.с. и займет положение F1. Если через разомкнуть ключи К2,К3,К6 и замкнуть ключи К2,К3,К5, направления токов , , изменятся, а м.д.с. повернется по часовой стрелке на угол и займет положение F2. Таким образом, замыкая ключи инвертора в определенной последовательности можно получить вращение магнитного потока обмотки статора (см. § 11.1), необходимое для создания электромагнитного момента двигателя. При таком алгоритме управления одновременно замкнуты три ключа системы, во всех фазах статорной обмотки двигателя непрерывно протекает ток, а напряжение на фазах будет иметь ступенчатую форму. Из кривой фазного напряжения может быть выделена основная гармоническая составляющая (штриховая линия на рис. 11.8,б), частота которой определяется частотой переключения ключей. Поскольку при таком алгоритме за полупериод к каждой фазе обмотки статора напряжение приложено на интервале 180⁰, он и называется 180-градусным алгоритмом управления инвертором.

В инверторах применяется и 120-градусный алгоритм управления (рис. 11.8,в), когда в каждый момент времени замкнуты только два ключа и ток протекает только по двум фазам обмотки статора. Например, пусть в замкнуты ключи К3,К2; при этом ток будет протекать по фазам а и с обмотки. Под действием этих токов сформируется м.д.с., которая з аймет положение F1. Если теперь разомкнуть ключи К3,К2 и замкнуть ключи К2,К5, ток в обмотке статора будет протекать в фазах b и c, а м.д.с. повернется по часовой стрелке на угол и займет положение F2. Таким образом, и при 120-градусном алгоритме управления ключами инвертора создается вращение магнитного поля, только в данном случае к фазе обмотки статора напряжение будет приложено не весь полупериод, а только , т.е. 120⁰. При такой форме фазного напряжения также может быть выделена основная гармоническая составляющая (штриховая линия на рис. 11.8,в), которая и определит электромагнитный момент двигателя.

В настоящее время на локомотивах преимущественно применяются двухзвенные преобразователи частоты с инвертором напряжения и 180-градусным алгоритмом управления. Это объясняется тем, что 180-градусный алгоритм управления позволяет получить лучший гармонический состав переменного напряжения на фазах обмотки статора электродвигателя и уменьшить его потери.

11.3. Инвертор как преобразователь частоты напряжения

Для работы АТД требуется трехфазное напряжение, поэтому в энергетических цепях локомотивов используются трехфазные АИН. Но и однофазные АИН используются на электровозе в приводе вспомогательных систем.

Рассмотрим сначала работу АИН в качестве преобразователя частоты напряжения без внутреннего регулирования его амплитуды. Напряжение источника U_d принимаем идеально сглаженным.

11.3.1. Принцип работы однофазного инвертора напряжения

Рассмотрим принцип работы однофазного АИН на простейшей схеме, состоящей из четырех идеальных ключей К1-К4 и активной нагрузки r; схема включена на источник постоянного напряжения (рис.11.9.а) /32/. Пусть при замыкаются ключи К1 и К4; тогда нагрузка окажется включена на напряжение , под действием которого через нее потечет ток (рис. 11.9.б). Если при ключи К1,К4 разомкнуть, а ключи К3,К2 замкнуть, то полярность напряжение на нагрузке изменится, т.е. будет , и ток изменит свое направление. Таким образом, при попарной коммутации ключей К1,К4– К3,К2 – К1,К4 и т.д. через к резистору r будет прикладываться переменное напряжение прямоугольной формы с частотой . Ток при активной нагрузке будет повторять форму напряжения. Изменяя коммутационный интервал Т/2, можно менять частоту в любых пределах.

При активно-индуктивной нагрузке размыкание ключа недопустимо без дополнительных мер, поскольку энергия, запасенная в индуктивности, при размыкании цепи вызовет большие перенапряжения (рис. 11.10.а). Поэтому при размыкании ключей должны оставаться контуры, по которым продолжал бы протекать ток в прежнем направлении, и энергия, запасенная в индуктивности, передавалась в другой накопитель, например, емкость С. Для этого параллельно ключам устанавливают диоды обратного тока D1 – D4; вместе с конденсатором С они образуют контуры для обмена энергией при коммутации ключей (рис. 11.10.б).

Пусть в начальный момент времени были замкнуты ключи К3,К2 и ток протекал по цепи - ключ К3 – нагрузка - ключ К2 - . В момент ключи К3,К2 размыкаются и замыкаются ключи К1,К4 и полярность напряжения на нагрузке меняется. После коммутации ключей под действием э.д.с. самоиндукции ток на некотором интервале времени продолжает протекать в прежнем направлении (обратном по отношению к напряжению), замыкаясь по цепи диодов обратного тока D1,D4 и емкости С (схема I).

Уравнение энергетического баланса на этом режиме /2/

.

Под действием напряжения ток экспоненциально увеличивается, и когда его текущее значение достигает нуля, схема переходит в состояние II, ток меняет свое направление, а нагрузка включается на напряжение . Уравнение энергетического баланса на этом режиме

. (11.14)

Решение уравнения (11.14) относительно значения дает результат

,

где - - вынужденная составляющая тока, - свободная составляющая тока.

Принимая, что при , получим выражение для тока нагрузки

.

При ключи К1,К4 размыкаются и замыкаются ключи К3,К2, а к нагрузке прикладывается напряжения обратной полярности (схема III). Под действием э.д.с. самоиндукции ток постепенно уменьшается, замыкаясь через диоды D3, D2 и емкость С. Когда мгновенное значение тока достигает схема переходит в состояние IV.

Важно отметить, что коммутация ключей происходит как и в схеме с активной нагрузкой (рис. 11.9), однако формы напряжения и тока при нагрузке существенно различны, и ток в силу индуктивного характера нагрузки отстает от напряжения.