3.2.2. Автономные инверторы напряжения

Однофазный инвертор напряжения по структуре не отличаются от реверсивного импульсного преобразователя, применяемого в приводе постоянного тока и изображенного на рис. 2.2 и рис.3.3 Если в последнем попеременно отпирать четную и нечётную диагонали транзисторов с равными промежутками времени ( t₁ = t_{2 )} то на нагрузке будет формироваться переменное прямоугольное напряжение ( Рис.3.3. б), частоту которого можно регулировать частотой переключения транзисторов Величина этого переменного напряжения определяется величиной постоянного напряжения на входе инвертора, которое регулируется управляемым выпрямителем. Обязательным признаком инвертора напряжения является конденсатор фильтра на выводах постоянного тока ( С_ф ) и обратные диоды, включённые встречно-параллельно по отношению к транзисторам Благодаря этому при запирании транзисторов какой-либо диагонали

ток в активно-индуктивной нагрузке в первый момент времени может сохранить

Рис.3.3 Принципиальная схема а) и диаграмма напряжения

однофазного инвертора напряжении

прежнее направление, замыкаясь через обратные диоды. Вследствие этого величина и форма напряжения на нагрузке не зависит от величины и характера нагрузки.

Аналогично строится и трёхфазный преобразователь, принципиальная схема которого показана на рис. 3.4.

Рис.3.4 Принципиальная схема трёхфазного инвертора напряжения а); схемы включения обмоток двигателя на интервалах б);

диаграммы напряжений на обмотках двигателя в).

Со стороны питающей сети включён неуправляемый выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. Оно сглаживается LC фильтром, и поступает на вход трёхфазного инвертора, выполненного на транзисторах VT1 – VT6. Параллельно транзисторам включены диоды VD1 – VD6, образующие обратный выпрямитель. Паральлельно конденсатору фильтра подключена цепь из транзистора VT7 и резистора R_T , ипользуемая в тормозном режиме.

Формирование переменного напряжения на выходе трехфазного инвертора осуществляется путем циклического переключения ключей в определенной последовательности. При этом обмотки статора будут определенным образом подключаться к выводам постоянного напряжения.

Предположим, что обмотки статора соединены в звезду. Схемы подключения обмоток статора к выводам постоянного напряжения при различных комбинациях замкнутых ключей показаны на рис 3.4.б. На рис. 3.4.в показаны диаграммы напряжений на обмотках фаз статора Из диаграмм следует, что на обмотках формируются одинаковые по величине и форме напряжения, сдвинутые по отношению друг к другу на ⅓ периода

Обмотки статора двигателя обладают индуктивностью. По законам коммутации ток в обмотках при переключении вентилей мгновенно измениться не может. Поэтому для обеспечения непрерывности тока каждый транзистор зашунтирован встречно включенным (обратным) диодом, которые в совокупности образуют обратный выпрямитель. Рассмотрим процесс переключения вентилей VT1 и VT6 При этом происходит смена полярности на обмотке фазы A2. Пока открыт транзистор VT1 ток по обмотке A2 проходит по цепи: «+»→ транзистор VT1 → фаза A2. При запирании транзистора VT1 и отпирании транзистора VT6 направление тока в обмотке фазы A2 не изменится и он будет протекать по цепи: «-»→ диод VD6 → фаза A2, и будет уменьшаться по величине. После изменения направления тока он будет протекать по цепи: фаза А2→ транзистор VT6 → «-». Благодаря обратным диодам форма и величина напряжения на нагрузке не зависят от величины и характера нагрузки, т.е. такой инвертор обладает свойствами источника напряжения.

Изменение направления вращения двигателя осуществляется путем изменения порядка переключения вентилей инвертора. Если вместо показанного на рис. 3.4.б порядка переключать вентили в порядке 1,2,3 →1,2,4 →1,4,5 →4,5,6 →3,5,6 →2,3,6,… то направление вращения двигателя изменится на противоположное.

Частота переменного напряжения на зажимах статора определяется частотой переключения ключей. Величина переменного напряжения на статоре при такой форме напряжения однозначно определяется величиной напряжения в цепи постоянного тока. Поскольку частота и напряжение на обмотках статора должны регулироваться совместно, выпрямленное напряжение также должно регулироваться. Для этого на входе преобразователя частоты при указанном порядке переключения транзисторов должен бы стоять управляемый выпрямитель. Рассмотренная структура преобразователя частоты применялась на ранних стадиях использования частотного электропривода, но выявились её недостатки. Прямоугольно – ступенчатое напряжение на выходе преобразователя ( рис 3.4.в.) может быть разложено на гармоники. Порядок гармоник определяется соотношением: n=6k±1, k=1,2,3…,

а амплитуда гармоник убывает обратно пропорционально их номеру. Наибольшую величину в выходном напряжении инвертора имеют 5-я и 7-я гармоники. Высшие гармоники напряжения создают в воздушном зазоре асинхронного двигателя вращающиеся магнитные поля, частота вращения которых превышает частоту вращения основного поля кратно номеру гармоники. Ротор двигателя относительно этих дополнительных магнитных полей вращается с большим скольжением, что вызывает дополнительные потери. В результате кпд двигателя снижается на 2÷3 %. Кроме того, при низких частотах прямоугольно – ступенчатая форма напряжения приводит к неравномерному вращению магнитного поля и ротора. Возникает так называемый шаговый режим движения ротора. При малых частотах вращения ротора напряжение на статоре и, следовательно, напряжение в звене постоянного тока должно быть небольшим. Для этого входной выпрямитель должен работать с большим углом α, что вызывает низкий коэффициент мощности преобразователя со стороны питающей сети.

В современных преобразователях на основе инвертора напряжения частота выходного напряжения и его величина одновременно регулируются вентилями инвертора, благодаря чему входной выпрямитель может быть выполнен неуправляемым. Это упрощает схему и повышает коэффициент мощности во всех режимах. Регулирование напряжения по величине осуществляется путем его широтно-импульсной модуляции. Рассмотрим этот принцип на примере однофазного инвертора. ( Рис.3.3 а )

Д ля регулирования выходного напряжения используется несимметричное управление транзисторами. Например, транзисторы VТ2 и VТ3 переключаются с низкой частотой, равной выходной частоте инвертора, а транзисторы VТ1 и VТ4 переключаются со значительно большей частотой, называемой несущей. Пусть открыт транзистор VТ3. При отпирании ключа VТ1 на нагрузке будет положительное напряжение. При запирании VТ1 и отпирании ключа VТ4 напряжение будет ровно нулю. При переключении VТ1 и VТ4 с несущей частотой на нагрузке будет образована последовательность однополярных импульсов напряжения. Если переключить транзисторы VТ2 и VТ3, то аналогичным образом будет получена последовательность импульсов противоположной полярности.

Рис. 3.5 Диаграмма выходного напряжения однофазного инвертора

с ШИМ.

В результате на нагрузке получится знакопеременное напряжение, каждый полупериод которого состоит из последовательности однополярных импульсов. Величина переменного напряжения регулируется длительностью импульса.. Наибольшее приближение тока нагрузки к синусоидальному достигается в инверторах с широтно-импульсной модуляцией, осуществляемой по синусоидальному закону

( Рис.3.5 ) , когда в течение каждого полупериода длительность импульсов

возрастает до середины полупериода, а затем убывает. Как следует из рис. 3.5 полупериод выходной частоты инвертора должен состоять из целого числа периодов несущей частоты. Обычно Т/τ = 10 ÷ 20 и более.

Рис. 3.6. Выходное напряжение инвертора с ШИМ при различных

значениях выходной частоты

Регулирование выходной частоты может осуществляться изменением несущей частоты (плавно), либо изменением отношения T/ τ (грубо), либо комбинацией этих способов. Рис. 3.6 Из рисунка видно, что при понижении выходной чистоты отношение T/ τ возрастает.

Величина выходного напряжения изменяется регулированием максимального значения скважности импульсов напряжения.

В трехфазных инверторах, построенных по схеме рис. 3.4.а также может осуществляться ШИМ по синусоидальному закону, что достигается

более сложным алгоритмом переключения вентилей, чем это показано на рис 3.4.в. Форма напряжения трехфазного инвертора с ШИМ показана на рис 3.7, где пунктирной линией показана огибающая напряжения основной частоты.

Благодаря обратным диодам в схеме инвертора напряжения возможен возврат электрической энергии от двигателя (тормозной режим) в цепь постоянного тока. Однако через неуправляемый выпрямитель энергия торможения не может быть возвращена в цепь переменного тока. Поэтому к выводам выпрямителя подключен последовательно с транзистором VT7 тормозной резистор R_T, как это показано на рис.3.4.а , в котором рассеивается энергия торможения.

Рис. 3.7 Диаграмма выходного напряжения (фазного )

трёхфазного инвертора с ШИМ

. Для перевода двигателя в режим торможения понижается выходная частота инвертора. Скорость вращения поля становится меньше скорости вращения ротора, и двигатель переходит в режим рекуперативного торможения, когда энергия торможения будет возвращаться в цепь постоянного тока. Это вызовет повышение напряжения на конденсаторе фильтра С_Ф При повышении напряжения до некоторого уровня отпирается тормозной транзистор VT7, и конденсатор начинает разряжаться на тормозной резистор Rт. При снижении напряжения тормозной транзистор запирается, и конденсатор начинает вновь заряжаться. Таким образом, энергия торможения двигателя будет рассеиваться в тормозном резисторе. R_T

Возможен также режим динамического торможения . Для этого циклическое переключение транзисторов прекращается, но открываются, например, транзисторы VT1, VT2 и VT6.При этом по обмоткам статора будет протекать постоянный ток, величина которого регулируется широтно-импульсным способом с помощью указанных транзисторов. Интенсивность торможения регулируется величиной постоянного тока. При динамическом торможении энергия торможения выделяется внутри двигателя.

Инверторы напряжения с ШИМ обладают высоким кпд и коэффициентом мощности. Благодаря высокой несущей частоте емкость конденсатора фильтра мала, что определяет небольшие габариты преобразователя. Преобразователи с инвертором напряжения позволяют подключать параллельно несколько двигателей. Благодаря всем этим достоинствам преобразователи частоты с инвертором напряжения наиболее часто используются в электроприводе.

В инверторах с ШИМ используются IGBT- транзисторы, способные переключаться с частотой до 50кГц Эта технология позволяет изготавливать транзисторные модули с рабочим напряжением свыше 3000 В на ток до

1200 А. Такие параметры транзисторов позволяют получать на выходе инвертора мощность до 10000 кВт

Множество фирм освоили выпуск этих преобразователей мощностью от сотен ватт до тысяч киловатт. Благодаря существенному снижению стоимости преобразователей частотно регулируемый электропривод получает всё большее распространение и вытесняет регулируемый привод постоянного тока.

3.1 Преобразователи с непосредственной связью.

Структура этих преобразователей аналогична структуре реверсивного преобразователя в приводе постоянного тока .На рис.3.8 приведена принципиальная схема такого преобразователя, преобразующего трёхфазное напряжение питающей сети в однофазное напряжение на нагрузке Z_Н Преобразователь состоит из двух управляемых выпрямителей UZ1 и UZ2, подключённых параллельно к сети переменного тока, и встречно-параллельно через уравнительные реакторы- к нагрузке. Один из преобразователей работает в выпрямительном режиме с α₁<90, другой – в инверторном с α > 90 . При этом должно

в ыполняться требование согласованного управления: α₁+α₂=180

Предположим, что преобразователи UZ1 и UZ2 выполнены по трехфазной мостовой схеме

Если периодически менять углы управления комплектами вентилей

Рис. 3.8 Структура преобразова- этих преобразователей, переводя каж

теля с непосредственной связью дый из них из выпрямительного