Казачковський_аппч2

жини є переміщення кінця вектора струму I вздовж вектора похибки I до допустимої області ДО. Здійснити це можна, ввімкнувши той чи інший стан інвертора. Найкращим із станів буде той, що забезпечить найшвидше скорочення вектора похибки. Оцінити швидкість зміни вектора струму можна за допомогою похідної узагальненого вектора струму

dI Ui E Ir , dt L

а точніше – його проекції на вісь вектора похибки. На рис. 3.81,в для прикладу наведені сумарний вектор E Ir ЕРС навантаження та спаду напруги в його активному опорі, а також два вектори вихідних напруг АІН. Можна бачити, що використання стану АІН, що відповідає вектору U2 , забезпечує переміщення кінця

вектора струму до центру ДО (проекція вектора L dI dt 2 на вісь похибки позитивна). Навпаки, подавання до навантаження напруги U3 призведе до збільшення похибки, оскільки проекція вектора L dI dt 3 на вісь похибки має протилежний знак. До подібного результату призведе порівняння стану №2 з іншими станами АІН (проекції відповідних векторів L dI dt i на вісь вектора похибки будуть менші або взагалі матимуть інший знак). Таким чином, той вектор напруги U2 , у секторі притягання якого розташований вектор похибки , забезпечує найшвидше зменшення похибки та її входження у межі допустимої області.

I, A; E, B

iзВ

iзA

t, c

Рис. 3.82. Приклад діаграм заданих і дійсних фазних струмів

Протягом періоду вихідного струму вектор похибки проходить через усі сектори притягання, завдяки чому і відбувається послідовне перемикання станів АІН. Форма фазних струмів трифазного інвертора з ERL-навантаженням за такого алгоритму керування наведена на рис. 3.82, годографи (траєкторії кінців) векторів заданого та дійсного струмів, а також похибки регулювання – на рис. 3.83.

161

Існують різні варіанти розглянутого алгоритму, які відрізняються формою допустимої області та секторів притягання, можливістю використання нульових станів АІН [36…38].

Рис. 3.83. Годографи заданого та дійсного векторів струму (а) і похибки регулювання струму (б)

Інший алгоритм релейного керування вихідним струмом трифазного інвертора напруги є спорідненим як із щойно розглянутим, так і з відомим алгоритмом прямого керування моментом (Direct Torque Control, DTC) двигуна змінного струму [40]. На відміну від попереднього алгоритму, система керування струмом реалізована не в нерухомій системі координат, пов’язаній зі статором, а в системі координат, яка обертається. Звичайно ця обертова система координат пов’язана з полем ротора двигуна. Відомо, що узагальнений вектор будь-якої трифазної змінної може бути поданий як векторна сума проекцій у довільній системі координат. Так, на рис. 3.84,а показані проекції вектора напруги U i на нерухомі осі та обертові dq. Перехід від однієї системи координат до іншої означає перехід від одних проекцій до інших за відомими тригонометричними співвідношеннями з урахуванням кута між системами координат.

162

На рис. 3.84,б система координат dq, подовжня вісь якої d збігається з подовжньою віссю поля ротора, зображена на фоні вже знайомих нам просторових векторів вихідної напруги АІН . Кут повороту цієї системи відносно нерухомого статора безперервно вимірюється спеціальним давачем або розраховується.

Рис. 3.85. Система прямого керування струмом трифазного АІН

Система керування (рис. 3.85) складається з двох релейних регуляторів струму (РСd та РСq) із невеликим гістерезисом , які регулюють проекції струму на осі d та q. Завдання на струми id* та iq* надходять від регуляторів зовнішніх контурів керування (відповідно потоку та швидкості). Поточні значення проекцій струму id та iq визначаються за допомогою давачів фазних струмів та

перетворювача координат (ABC dq).

Потрібний стан АІН обирається залежно від знаків похибок керування струмів id та iq . Так, якщо похибка регулювання струму id id* id , для

збільшення проекції id необхідно обирати ті стани АІН, вектори напруги яких мають позитивні проекції на вісь d. Якщо вісь d розташована в секторі притягання вектора U 1 (як на рис. 3.84,б), такими станами будуть U 1 , U 2 та U 6 :

Так само для збільшення проекції струму iq за такого розташування осі

d обирають стани U 2 або U 3 , проекції яких на вісь q позитивні (вектор U 4 не використовується, оскільки знак його проекції uq залежить від положення осі d

усередині сектора притягання):

Для одночасного керування обома проекціями струму умови (4.17) та (4.18) слід використовувати також одночасно (за логічною схемою «І»). Тоді сукупність знаків похибок за струмом однозначно визначатиме потрібний стан.

163

Варіанти вибору станів для всіх шести секторів наведені у табл. 4.8. Якщо ж обидві похибки не перевищують за модулем , стан інвертора не змінюється.

Вибір станів у системі рис. 3.85 здійснює блок ТП (таблиця перемикань), результатом роботи якого є сукупність шести логічних сигналів керування ключами, які через драйвери Др надходять до інвертора.

З метою зниження частоти перемикань ключів для зменшення струму iq

(два останні рядки табл. 4.8) іноді використовують не стани, показані в таблиці, а нульові стани АІН (див. п. 3.12).

Алгоритми прямого керування струмом, так само, як і алгоритм векторного релейного регулятора струму, призначені для мікропроцесорної реалізації.

Контрольні запитання

1.Хто за активно-індуктивного навантаження АІН відкритий протягом більш тривалого часу: тиристори чи зворотні діоди?

2.Звідки та куди направлений потік енергії одразу після закривання пари ключів однофазного мостового АІН?

3.Чому дорівнює середній вхідний струм АІН із суто індуктивним навантаженням?

4.Яким шляхом змінюється амплітуда та частота вихідної напруги АІН з амплітудною модуляцією?

5.У яких різновидах АІН можна міняти рівень вихідної напруги за незмінної вхідної?

6.Чому в інверторах із ШІМ зі зменшенням основної частоти за незмінної частоти модуляції покращується форма струму?

7.Як частота коливань вхідного струму однота трифазного мостових АІН пов’язана з частотою вихідної напруги?

8.Скільки разів за період вихідної напруги відбувається чергова комутація ключів у трифазному АІН з амплітудною модуляцією?

9.Яким шляхом протікає струм фази А трифазного АІН (рис. 3.8) одразу після закривання ключа VS2?

10.Коли при роботі АІН на машину змінного струму тривалість роботи тиристорів найменша: якщо машина працює в режимі двигуна, рекуперативному чи в режимі ідеального холостого ходу?

11.Чому при роботі електричної машини в режимі рекуперації (рис. 3.18) вихідний струм АІН одразу після чергової комутації змінюється повільніше, ніж у режимі двигуна (рис. 3.16)?

164

12.Чому для передачі від АІН до мережі змінного струму рекуперованої енергії потрібен ведений мережею інвертор?

13.Який тиристор треба відкрити, щоб закрити VS4 у трифазному АІН із міжфазною комутацією (рис. 3.19) і яким шляхом протікатиме комутаційний струм?

14.Чи можуть бути реалізовані у трифазних АІН із пофазною та спільною комутацією алгоритми керування з =180 та =120 ?

15.Чи може бути реалізована у трифазних АІН із міжфазною, пофазною та спільною комутацією широтно-імпульсна модуляція вихідної напруги?

16.Якими шляхами протікатимуть фазні струми трифазного АІН одразу після закривання VS1, якщо відкриті також VS4 та VS6? Чому в цій ситуації дорівнюватимуть вихідні фазні напруги?

17.Якими шляхами протікатимуть фазні струми трифазного АІН одразу після одночасного закривання VS1, VS4 та VS6? Чому в цій ситуації дорівнюватимуть вихідні фазні напруги?

18.До яких позитивних та негативних наслідків призводить збільшення частоти синусоїдальної ШІМ в інверторах?

19.Струмові якої фази дорівнюватиме вхідний струм iвх0 трифазного трирівне-

вого АІН ( кр 150о ) одразу після закривання ключа VS5?

20.З якої мінімальної кількості яких транзисторних модулів рис. 1.17 можна зібрати схему трифазного трирівневого інвертора рис. 3.53?

21.Яка з форм вихідної напруги однофазного АІН має більший коефіцієнт гармонік напруги: рис. 3.4 або рис. 3.30?

22.Чому для керування ключами АІН потрібні широкі керуючі імпульси, а у випрямлячі та АІС достатньо коротких?

23.Куди передається енергія, накопичена в індуктивних елементах трансформатора схеми рис. 3.6, після закривання ключа?

Відповіді.

1: тиристори; 2: від навантаження через зворотні діоди до кола постійного струму; 3: нулю; 4: амплітуда – шляхом зміни рівня вхідної напруги, частота – шляхом зміни частоти перемикання ключів; 5: в АІН із ШІР та ШІМ; 6: внаслідок збільшення кратності fм f та частоти комбінаційних гармонік напру-

ги; 7: для однофазного fid 2 fвих , для трифазного fid 6 fвих ; 8: шість; 9: через VD1; 10: в рекуперативному режимі; 11: тому, що одразу після комутації різниця між напругою та проти-ЕРС менша; 12: тому, що вхідний струм у режимі рекуперації міняє знак; 13: VS2 або VS6, струм тектиме через VS4, тиристор, що відкрився, та ввімкнений між ними конденсатор; 14: так; 15: ні; 16: ia – через

VD2, ib – через VS4, ic – через VS6, напруги – ті самі, що й до комутації; 17:

струми – через діоди у своїх фазах та конденсатор, напруги міняють знак; 18: вихідний струм стає більш синусоїдальним, зменшується потрібна ємність конденсатора в ланці постійного струму, збільшується швидкодія інвертора, знижується шум (позитивні), зменшується максимальна досяжна вихідна напруга, зростають втрати в ключах (негативні); 19: струмові фази В; 20: модуль “р” – 6 шт., модуль “в” – 3 шт.; 21: рис. 3.4; 22: тому що в АІН з активно-індуктивним

165

навантаженням наступний ключ відкривається не одразу після закривання попереднього ключа, а після закривання зворотного діода; 23: через вторинну обмотку до навантаження.

Вправи

1.Побудуйте часові діаграми напруг та струмів трифазного АІН із =120 та тривалістю відкритого стану діодів 60.

2.Накресліть діаграму миттєвої вихідної напруги АІН із ШІМ, якщо співвідношення частоти модуляції та вихідної частоти fм fвих 8 .

3.Накресліть діаграму миттєвої вихідної напруги АІН з амплітудною модуляцією, якщо =180, а навантаження з’єднане у трикутник.

4.Накресліть діаграму миттєвих вихідних напруги та струму, а також вхідного струму АІН з амплітудною модуляцією, якщо =180, а н 60o (навантаження з’єднане у зірку).

5.Складіть таблицю перемикання ключів (подібну до табл. 3.8) для алгоритмів ПЛП0 та 0ПЛ0ЛП.

6.Для трифазного АІН із синусоїдальною ШІМ розрахувати мінімально необхідну напругу ланки постійного струму, якщо найбільша вихідна лінійна діюча напруга (перша гармоніка) інвертора 400 В, а максимальний коефіцієнт модуляції m =0,95. (Відповідь: 687,6 В)

7.Використовуючи умови прикладів 3.3. та 3.5, розрахуйте коефіцієнти гармонік струму kгI для основної частоти f =10 Гц. Порівняйте з результатами, отриманими в прикладах 3.3. і 3.5 та поясніть різницю.

8.Виходячи з рівняння енергетичного балансу трифазного АІН із синусоїдальною ШІМ (нехтуючи втратами в інверторі), вивести вираз, який пов’язує се-

редній вхідний струм із діючим значенням першої гармоніки фазного стру-

му. (Відповідь: Iвх 2 32 I(1) cosн ).

Висновки

У результаті опрацювання даного розділу студент повинен:

знати:

принципи побудови силових схем однота трифазних АІН;

закономірності формування електромагнітних та енергообмінних процесів у силових схемах АІН з різними видами навантаження;

основні принципи керування та структуру систем керування АІН;

основні співвідношення, які характеризують енергетичні та регулювальні властивості АІН;

уміти:

накреслити силові схеми найбільш поширених однофазних та т трифазних АІН;

здійснити якісний аналіз квазіусталених процесів у силових колах АІН;

розрахувати основні параметри силових схем та систем керування;

порівняти силові схеми та способи керування АІН за експлуатаційними показниками.

166

РОЗДІЛ 4. АВТОНОМНІ ІНВЕРТОРИ СТРУМУ

Навчальні цілі: вивчити побудову однофазних та трифазних інверторах струму та перебіг електромагнітних процесів в них

4.1. Особливості автономних інверторів струму

Силові схеми автономних інверторів струму (АІС) та АІН подібні. Головна їх відміна – у способі живлення: АІН живляться від джерела напруги через паралельний конденсаторний фільтр великої ємності, АІС – від джерела струму через послідовний індуктивний фільтр із великою індуктивністю. Саме цим обумовлені особливості перебігу електромагнітних процесів у цих інверторах.

Рис. 4.1. ЗХ джерел живлення та ВАХ навантаження

Якщо живити інвертор від джерела напруги (ДН), його вхідна та вихідна напруги не залежать від характеру навантаження, а обумовлюються властивостями ДН. На рис. 4.1,а зображені зовнішня характеристика (ЗХ) ідеального ДН Ud Ed (лінія 1) та вольтамперні характеристики (ВАХ) його навантаження

U d E Id Rн (лінії 2…5). Робочими точками є точки перетину ВАХ та ЗХ. Змі-

на опору навантаження (лінії 2, 3) або проти-ЕРС (лінії 2, 4, 5) призводить до зміни рівня і навіть знаку вихідного струму ДН (тобто вхідного струму АІН Id ),

але не напруги Ud .

На рис. 4.1,б лінією 1 позначена ЗХ ідеального джерела струму (ДС), а лінії 2…5 зображують ВАХ навантаження. Зі зміною опору навантаження (лінії 2, 3) або проти-ЕРС (лінії 2, 4, 5) джерело струму з метою підтримки незмінного струму I d змінює рівень, а в разі необхідності і знак своєї вихідної напруги.

Роль джерела струму найчастіше виконує нереверсивний керований випрямляч, охоплений негативним зворотним зв’язком за випрямленим струмом. Наявність зворотного зв’язку забезпечує автоматичну стабілізацію струму шляхом зміни кута керування. Зміна знаку випрямленої напруги здійснюється переводом випрямляча до інверторного режиму.

Розглянемо процес комутації у двох однакових однофазних мостових інверторах на цілком керованих ключах (рис. 4.2), які живляться від джерел різного типу.

Нехай спочатку відкриті ключі VS1, VS4. Струм навантаження обох інверторів тече шляхом “джерело живлення (ДН або ДС) – VS1 – навантаження –

167

VS4 – джерело живлення”. Після закривання ключів VS1, VS4 та отримання керуючих імпульсів іншою парою тиристорів вихідний струм інверторів починає зменшуватись, що призводить до виникнення у навантаженні ЕРС самоіндукції

eL Lн dtdi , яка направлена згідно зі струмом. Далі процеси відбуваються таким чином:

Рис. 4.2. Однофазні мостові інвертори

В інверторі напруги (рис. 4.2,а) під дією ЕРС самоіндукції відкриваються зворотні діоди VD2 та VD3. Струм навантаження тече в тому ж напрямку, але шляхом, позначеним на рис. 4.2,а. Струм id у ланці постійного струму і вихідна напруга інвертора змінюють знак. Енергія, накопичена на попередньому етапі в індуктивності, віддається конденсатору Cф , підзаряджаючи його. Ключі VS2 та VS3 зможуть відкритись лише після зменшення зарядного струму до нуля.

В інверторі струму (рис. 4.2,б) ЕРС самоіндукції навантаження не в змозі відкрити зворотні діоди та змінити знак струму на вході інвертора. Цьому про-

тидіє джерело струму, яке збільшує випрямлену напругу, підтримуючи струм на незмінному рівні, а також ЕРС самоіндукції дроселя eLd eL , що направлена згідно з випрямленим струмом. Тому випрямлений струм, залишаючись незмінним, переходить до наступної пари тиристорів і протікає шляхом, позначеним на рис. 4.2,б. Вихідний струм інвертора при цьому змінює знак. Як видно, зворотні діоди в АІС не потрібні.

Утабл. 4.1 зведені характерні особливості АІН та АІС, які відрізняють їх один від одного (деякі з них будуть розглянуті пізніше).

168

керованого випрямляча, що й АІН, випрямлячу надані властивості джерела струму. Для цього він охоплений негативним зворотним зв’язком за випрямленим струмом, який є складовою частиною системи автоматичного керування електроприводом (на схемі не показаний), і призначений для стабілізації струму незалежно від навантаження. Крім того, замість конденсаторного фільтра, ввім-

169

денсаторі не може мінятися стрибком. Діаграма вхідної напруги АІС на кожному парному півперіоді має інший знак, ніж вихідна, завдяки вмиканню іншої діагоналі. Саме такий вигляд повинна мати вхідна напруга, щоб вхідний струм підтримувався незмінним. До закритого тиристора VS1 через відкритий VS2 прикладається вся вхідна напруга.

Рис. 4.5. Процеси в АІС із навантаженням за рис. 4.4,а

На рис. 4.6 зображені часові діаграми для навантаження з паралельним з’єднанням конденсатора та резистора (рис. 4.4,б). Вони побудовані з урахуванням того, що вихідна напруга є одночасно напругою на конденсаторі, і тому не має розривів, як і струм через резистор, пропорційний їй. Одразу після комутації напруга на конденсаторі збігається за знаком зі струмом інвертора. Тому початковий струм конденсатора близький до 2I d , оскільки через нього протікає

не тільки весь струм інвертора (починається перезарядження конденсатора), а і його власний струм розряду через резистор, який має той самий напрямок.

Діаграми для активно-індуктивного навантаження (рис. 4.4,в) мають вигляд, наведений на рис. 4.7.

170