4.6. Трёхфазный автономный инвертор напряжения

В схему трёхфазного АИН (рис. 4.12, а) входят транзисторы VS1–VS6 и включенные параллельно им обратные диоды VD1–VD4. Нагрузка z_А – z_С подключена к общей точке соединения транзисторов VS1, VS3, VS5 анодной и VS2, VS4, VS6 катодной групп инвертора. Параллельно источнику напряжения E_d включен конденсатор C_d большой емкости, через который протекают высшие гармоники входного тока. В результате работы инвертора на его выходе (фазы А, В и С) формируется трёхфазная симметричная система напряжений u_А, u_В и u_С нагрузки. Диаграмма управления транзисторами инвертора показана на рис. 4.13, а, б, в, г, д, е. Импульсы управления транзисторами анодной и катодной групп смещены относительно друг друга на треть периода Т работы инвертора (120 эл. град), при этом управление транзисторами одной фазы сводится к попеременному включению (выключению) транзисторов анодной и катодной группы фазы инвертора.

Рис. 4.12. Трёхфазный инвертор напряжения: а – схема инвертора; б – схемы замещения

Рис. 4.13. Диаграммы работы трёхфазного АИН: а, б, в, г, д, е – импульсы управления транзисторами; ж, з, и – диаграммы выходных напряжений

Рассмотрим работу инвертора на отдельных интервалах времени, отмеченных на рис. 4.13. На первом интервале (0 – t₁) во включенном состоянии (рис. 4.13 а, г, д) находятся транзисторы VS1, VS4, и VS5. Этому интервалу соответствуют мгновенная схема замещения инвертора, показанная на рис. 4.12, б. Транзисторы VS1 и VS5 подключают сопротивления фаз z_А и z_С к «плюсу» входного источника, через открытый транзистор VS4 фаза В нагрузки соединена с «минусовой» шиной Е_d. Напряжение источника Е_d распределяется пропорционально величинам сопротивлений z_А – z_С цепи нагрузки. Если принять одинаковыми сопротивления нагрузки фаз инвертора, то общее сопротивление параллельно включенных фаз z_А и z_С будет вдвое меньше сопротивления z_В фазы В. В этой связи к z_В прикладывается вдвое большая часть напряжения Е_d по сравнению с фазами А и С, т. е. u_А = u_С = 1/3Е_d, а u_В = –2/3Е_d. Знаки напряжений нагрузки определяются полярностью вывода источника, c которыми в это время они соединены. Поскольку, в соответствии с рис. 4.12, б, на интервале 0  – t₁ фазы z_А и z_С подключены к «плюсу» Е_d, напряжение на них составляет: u_А = u_С > 0, фаза В связана с «минусом» Е_d, поэтому u_В<0. Этому соответствуют величины и полярность напряжений u_А-u_С, показанны на рис. 4.13, ж, з, и.

На втором интервале (t₁ – t₂) включенные вентили VS1, VS4 и VS6 образуют конфигурацию цепи нагрузки, показанную на рис. 4.12, б. В этом случае u_А = 2/3Е_d, а u_В = u_С = –1/3Е_d. Дальнейшее изменение схемы инвертора происходит в соответствии диаграммой управления рис. 4.13, а–е. В результате на выходе инвертора получают трёхфазную симметричную систему переменного напряжения с частотой f = 1/Т, определяемой периодом Т открытия (закрытия) транзисторов. При активно-индуктивной нагрузке формы токов нагрузки i_A–i_C близки к синусоидальной.

Трёхфазная нагрузка инвертора напряжения может быть соединена как по схеме «звезда» (рис. 4.12, а), так и «треугольник». При этом для соединения «звезда» не требуется наличие средней (нулевой) точки у источника питания для соединения с «нулем» нагрузки. В случае соединения нагрузки в «треугольник» к ее фазам прикладывается линейное напряжение с выхода А, В и С инвертора. Диаграммы линейного напряжения нагрузки можно получить, используя кривые фазных напряжений u_А – u_С. Так межфазное (линейное) напряжение между фазами А и В u_АВ получается в результате вычитания ординат кривых фазных напряжений u_А и u_В. Например, на первом интервале 0 – t₁:

u_АВ = u_А – u_В = 1/3Е_d – (–2/3Е_d) = Е_d. (4.23)

В результате построений получены линейные напряжения нагрузки u_АВ, u_ВС и u_СА, показанные на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Линейные напряжения на выходе инвертора

Из анализа рис. 4.14 следует, что амплитуды линейных напряжений возросли до величины напряжения входного источника Е_d, но при этом в форме кривой появились участки с нулевым линейным напряжением, ухудшающие его форму. В этой связи представляет интерес исследование гармонического состава напряжения нагрузки при различных схемах ее соединения. В результате моделирования работы схемы инвертора с помощью пакета DL [13] получен спектр напряжения нагрузки при ее соединении «звездой» и «треугольником». В расчете величина напряжения входного источника инвертора принята Е_d = 100 В. Результаты моделирования приведены на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Гармонический состав выходного напряжения инвертора

Из анализа рис. 4.15 следует, что спектр напряжений u_k в обоих случаях состоит из нечетных гармоник, в которых отсутствуют гармоники, кратные трем (3, 9, 15 и т. д.). При соединении «треугольником» амплитуда первой гармонической составляющей напряжения u₁ = 1,1E_d в 1,74 раза больше значения u₁ = 0,63E_d в случае соединения фаз нагрузки «звездой», однако во втором случае форма напряжения более приближена к синусоидальной форме. Вместе с тем, установлено (рис. 4.15), что доля высших гармоник по отношению к первой гармонической составляющей напряжения для соединения «звезда» и «треугольник» одинаковы. Значения коэффициента несинусоидальности напряжения при / [1] для этих соединений составляет 0,29.

Таким образом, схема соединения нагрузки не влияет на состав высших гармонических составляющих напряжения.