11.3.2. Принцип работы трехфазного инвертора напряжения

Рассмотрим процесс преобразования постоянного напряжения в трехфазное периодическое напряжение с помощью АИН (рис. 11.11) /33/.

Инвертор состоит из транзисторных ключей V1-V6 и диодов обратного тока VD1—VD6, которые включены параллельно транзисторам (рис. 11.11,а). При таком соединении транзистор и диод пред­ставляют собой ключ с двусторонней проводимостью. Например, при подключении фазы а к «плюсу» источника постоянного напряжения U_d через транзистор VI может протекать ток нагрузки прямого направления (от точ­ки а к точке 0), а через диод VDI может протекать ток нагрузки обрат­ного направления.

Пренебрегая незначительным падением напряжения на транзисторе (и диоде) можно считать, что потенциал точек а, b, c равен или потенциалу положительного полюса источника (при проводя­щем состоянии транзисторов Vl, V3, V5), или потенциалу отрицательного полюса источника (при проводящем состоянии транзисторов V2, V4, V6).

Рассмотрим работу АИН в качестве преобразователя частоты напряжения со 180-градусным алгоритмом управления ключами и без внутреннего регулирования его амплитуды. Напряжение источника U_d принимаем идеально сглаженным.

Чтобы на выходе АИН была сформирована симметричная трехфаз­ная система напряжений, зоны проводимости транзисторов одноимен­ной группы должны быть сдвинуты относительно друг друга на 120° (рис. 11.11, б). За нулевой потенциал принимают потенциал средней точки источника U_d. В этом случае потенциалы фаз на выходе инвертора φ_а, φ_в, φ_с принимают значение +U_d /2 или значение -U_d /2 (рис. 11.11, в).

Линейные напряжения на фазах обмотки статора АТД , , . Они имеют вид прямоугольных импуль­сов длительностью 120° и амплитудой U_d.

Мгновенные значения напряжений на фазах обмотки статора двигателя

, , , (11.15)

где - потенциал средней точки

(11.16)

Потенциал име­ет вид прямоугольных импульсов с коммутационным интервалом (60 град. эл.) и амплитудой . С учетом (11.15) и (11.16) получаем, что мгновенные значения напряжений на фазах имеют вид двухступенчатой ломаной, причем мень­шая ступень имеет амплитуду U_d /3, а большая ступень — амплитуду 2U_d /3. Как и в случае однофазного инвертора, изменяя коммутационный интервал Т/6, можно менять частоту напряжения на выходе инвертор в любых пределах.

Рассмотрим работу инвертора, начиная с момента . Сразу же после выключения транзистора V1 и включения V2 произошло изменение полярности напряжения фазы а. Поскольку обмотка имеет индуктивность, после выключения транзистора V1, ток фазы а на интервале угла ) сохраня­ет прежнее направление. Транзистор V2 не может проводить ток фазы а такого направления. Поэтому после выключения транзистора VI всту­пает в работу диод VD2, через который ток фазы а протекает на ин­тервале . К транзистору V2 в это время приложе­но обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде VD2.

Напряжение на фазе а при этом равно – U_d /3. Отсюда следует, что в режиме 180-градусного управления ключами выходное напряжение АИН (значение и форма) не зависит от индуктивности нагрузки, т.е. АИН обладает свойствами источника напряжения.

Мгновенное значение фазного напряжения на выходе АИН может быть представлено в виде гармонического ряда

, (11.17)

где ν =5,7,11,13 – т.е. в фазном напряжении на выходе АИН присутствуют только нечетные и некратные трем высшие гармонические составляющие.

Первое слагаемое в (11.17) соответствует ос­новной гармонической напряжения инвертора. Со­отношения между постоянной составляющей напряжения на входе инверто­ра U_d, амплитудным U_1m и дей­ствующим U₁ значениями основной гармонической выходного на­пряжения АИН имеют вид:

;

. (11.18)

Кривая фазного тока обмотки статора двигателя на каждом участке коммутации транзисторов зависит от значений фазного напряжения и нагрузки (рис. 11.11.с). Мгновенные значения фазного тока также можно представить в виде основной составляющей тока i₁(ωt) и суммы высших гармо­нических составляющих i_k(ωt):

Значение среднего тока фазы на выходе инвертора можно получить, исходя из следующих соображений. Мощность постоянного тока на входе в инвертор . Пренебрегая потерями в инверторе активную мощность на его выходе (и на входе АТД) можно записать как , где и - число фаз обмотки статора и коэффициент мощности АТД. Поскольку и учитывая, что , средний ток фазы на выходе инвертора

. (11.19)

Таким образом, АИН формирует на выходе переменное напряжение прямо­угольно-ступенчатой формы, а форма кривой фазного тока определяется свой­ствами нагрузки.

11.4. Инвертор как преобразователь амплитуды напряжения

При использовании в ПЧ автономных инверторов напряжения применяют два основных способа регулирования амплитуды выходного напряже­ния (напряжения на обмотке статора АТД) /33/:

1) амплитудный способ, при котором амплитуда выходного напряжения регу­лируется путем изменения напряжения на входе инвертора U_d, (см. § 11.2.1).

При амплитудном регулировании выходного напряжения частота коммутаций ключей одной фазы инвертора равна частоте основной гармонической тока статора f₁, а форма кривых фазного и линейного напряжения соответствует диаграммам, представленным на рис. 11.11,с. Недостатком амплитудного способа регулирования является повы­шенный уровень пульсаций момента асинхронного тягового двигателя на режиме пуска.

2) широтно-импульсный способ, при котором выходное напряже­ние регулируется методом ШИМ при неизмен­ном входном напряжении U_d путем многократного переключения ключей инвертора за один период выходного напряжения (см. § 1.8). Инвертор, в котором применяют такой способ регулирования, называ­ют инвертором с широтно-импульсной модуляцией.

Для питания асинхронных тяговых двигателей в АИН используют два вида ШИМ: синусоидальную и прямоугольную. Прямоугольная ШИМ реализуется проще и называется широтно-импульсным регулированием ШИР.

Современные ПЧ с функцией широтно-импульсного регулирования амплитуды выходного напряжения практически повсеместно используются в асинхронном приводе мощностью от 0,5 до 100000 кВт. Современные инверторы могут работать с частотой коммутации ключей 2–20 кГц, что позволяет обеспечить высокую динамику привода и сформировать на обмотках статора двигателя практически синусоидальные напряжения и токи, работая в режиме источника напряжения или в режиме источника тока.