4.4. Трёхфазный аит с «отсекающими» диодами

Трёхфазный АИТ предназначен для питания регулируемых по частоте трёхфазных асинхронных двигателей. Схема инвертора приведена на рис. 4.8, а. Инвертор состоит из шести тиристоров VS1–VS6, отсекающих диодов VD1–VD6 и коммутирующих конденсаторов. Вентили VS1, VS3 и VS5 соединены анодами и образуют анодную группу инвертора, а вентили VS2, VS4, и VS6 – катодную. Для переключения тиристоров инвертор содержит две группы коммутирующих конденсаторов: С₁₃, С₃₅ и С₁₅ – для переключения тиристоров анодной группы, а С₂₄, С₄₆ и С₂₆ – для вентилей катодной группы. Конденсаторы отделены от цепи нагрузки отсекающими диодами VD1–VD6. Нагрузка в виде асинхронного двигателя подключена к выходным фазам А, В, С инвертора.

Алгоритм управления тиристорами инвертора показан на рис. 4.9. В любой момент времени в проводящем состоянии находятся два тиристора, причем один – из анодной, а другой – из катодной группы инвертора. Через открытые вентили образуется цепь токов нагрузки i_A–i_C, величина которых определяется входным током инвертора I_d.

В начальный момент времени t = 0, согласно рис. 4.9, включаются тиристоры VS1 и VS4. Входной ток инвертора через открытые тиристоры VS1, VS4 и диоды VD1, VD4 протекает через фазы А и В нагрузки. При этом ток i_А= I_d фазы А нагрузки протекает через нее в положительном направлении, ток i_В = –I_d фазы В имеет противоположное направление. В момент времени t₁, определяемый углом 60^о, включается тиристор VS6, что вызывает коммутацию тока с тиристора VS4 на VS6. Вначале будем считать, что переключение вентилей происходит мгновенно. В результате коммутации происходит закрытие тиристора VS4, а ток нагрузки замыкается через цепь тиристоров VS1 и VS6 и вентилей VD1, VD6. После этого ток инвертора I_d протекает уже через фазы А и С нагрузки, причем направление и величина тока i_A остались прежними, а ток i_С имеет отрицательное значение (интервал t₁ – t₂ на рис. 4.9). После коммутации тиристоров и закрытия вентиля VS4 ток i_В фазы В уменьшается до нуля. Для исключения разрыва токовой цепи производится одновременная подача импульсов управления на вступающий в работу тиристор VS6 и находящийся в проводящем состоянии вентиль VS1. В момент t₂ включается тиристор VS3 и происходит коммутация тока тиристоров VS1, VS3 анодной группы. Одновременно на вентиль VS6 катодной группы подается второй управляющий импульс.

Рис. 4.8. Трёхфазный инвертор тока: а – схема инвертора; б – диаграммы напряжений и токов

При таком алгоритме управления инвертором на его выходе формируется трёхфазная система токов. Токи нагрузки i_А–i_С смещены на 120 эл. град, образуя симметричную систему токов. Такая очередность протекания токов по фазам двигателя приводит к перемещению вектора магнитодвижущей силы, приводящей к вращению ротора асинхронного двигателя.

Рис. 4.9. Диаграммы работы трёхфазного АИТ с отсекающими диодами:

VS1–VS6 – импульсы управления тиристорами; i_А, i_В, i_С – диаграммы выходных токов

Процесс коммутации в трёхфазном аит

Рассмотрим более подробно процесс коммутации тиристоров инвертора на примере переключения тока вентилей VS1 и VS3 анодной группы. Этому процессу соответствуют схемы замещения инвертора (рис. 4.10) и диаграммы токов и напряжений (рис. 4.8, б). Перед началом коммутации, соответствующем моменту времени t₂ на диаграмме рис. 4.9, контур тока нагрузки образуют включенные тиристоры VS1, VS6 и диоды VD1, VD6, через фазные обмотки двигателя протекают токи: i_А = I_d; i_С = –I_d. Рассматриваемому интервалу времени соответствует схема замещения инвертора (рис. 4.10, а). При этом конденсаторы С₁₃ и С₁₅ заряжены с полярностью напряжения U_СО, указанной на рис. 4.10, а без скобок.

В момент времени t₂ = 120^о открывается тиристор VS3 и за счет энергии конденсатора С₁₃ происходит коммутация тока инвертора I_d с вентиля VS1 на VS3. В связи с отсутствием индуктивности в контуре коммутации процесс переключения тиристоров VS1, VS3 происходит практически мгновенно. После окончания процесса коммутации анодной группе инвертора соответствует схема замещения (рис. 4.10, б). Ток инвертора I_d протекает через тиристор VS3, а далее распределяется между цепями коммутирующих конденсаторов С₁₃, С₃₅ и С₁₅ обратно пропорционально их сопротивлениям: z_C=1/С. Общая ёмкость последовательно включенных конденсаторов С₃₅ и С₁₅ составляет половину ёмкости одного коммутирующего конденсатора С₁₃. В этой связи токи i_С13, i_С35 и i_С15, протекающие в цепях соответствующих конденсаторов С₁₃, С₃₅ и С₁₅, определяются выражениями:

; . (4.9)

Конденсатор С₁₃ перезаряжается постоянным током i_С13=2/3 I_d, поэтому напряжение на его обкладках изменяется по линейному закону:

. (4.10)

Пока напряжение u_С13 больше нуля, к тиристору VS1 через открытый вентиль VS3 прикладывается обратное напряжение. Время восстановления управляющих свойств t_выкл тиристора VS1 определяется интервалом t₂ – t₈ (рис. 4.8, б) уменьшения до нуля напряжения u_С13, которое можно найти из (4.10), приравняв u_С13 нулю:

;

откуда . (4.11)

Во время перезаряда конденсаторов анодной группы напряжение на них изменяется на противоположное (полярность указана в скобках на рис. 4.10, б). В контуре, отмеченном утолщенной линией на рис. 4.10, в, к вентилю VS3 прикладывается напряжение u_С13 коммутирующего конденсатора С₁₃ и линейное напряжение двигателя u_АВ, величина которого, согласно [11], определяется выражением

(4.12)

где U_ABm – амплитуда линейного напряжения двигателя; φ – фазовый угол между током и напряжением.

Полярность напряжения u_С13 является для вентиля VS3 прямой, а u_АВ – обратной. В момент времени t₉ (рис. 4.8, б) напряжение u_С13 превышает напряжение u_АВ, что приводит к открытию вентиля VS3 и закрытию VS1. Коммутация токов вентилей происходит на интервале t₉-t₁₀ за время коммутации t_γ. Закрытие вентиля VS1 и открытие VS3 приводит, соответственно, к уменьшению до нуля тока i_А двигателя и увеличению до I_d тока i_В фазы В. Поскольку в контур коммутации, кроме коммутирующих конденсаторов С_к, входят индуктивности рассеяния L_σ двигателя, характер изменения фазных токов i_А, i_В приобретает колебательный характер и описывается уравнениями:

(4.13)

где – собственная частота контура коммутации.

После окончания коммутации ток инвертора замыкается через вентили VS3, VD3 (рис. 4.10, г), образуя цепь протекания тока I_d в фазе В нагрузки. Действующее значение фазных токов нагрузки, например фазы А, определяется соотношением [11]:

, (4.14)

а его первая гармоника вычисляется по формуле

. (4.15)

Таким образом, как и в предыдущей рассмотренной схеме инвертора тока (рис. 4.8, а), с помощью коммутирующих конденсаторов осуществляется закрытие ранее проводивших ток тиристоров только на интервалах коммутации. На остальных интервалах времени они отключены от цепи инвертора отсекающими диодами VD1–VD6.