Казачковський_аппч2

Оскільки струм в індуктивності не може змінитись стрибком, паралельно їй ввімкнутий резистор, який зменшує перенапруження в моменти зміни знаку вихідного струму (цю функцію міг би виконувати і конденсатор).

Одразу після перемикання ключів через резистор іде не тільки весь вихідний струм інвертора, а й розрядний струм індуктивності, яка віддає йому накопичену на попередньому півперіоді енергію. Тому початковий струм резистора більший за струм АІС. Якби не було чергової комутації, в індуктивність перейшов би весь струм інвертора, а струм резистора впав би до нуля.

Як видно з рис. 4.5…4.7, за незмінної форми вихідного струму АІС форма його вихідної напруги суттєво залежить від характеру навантаження. Як і слід було чекати, за активно-ємнісного навантаження струм випереджає напругу, за активно-індуктивного – навпаки.

Форма вихідного струму однофазного АІС така сама, як форма вихідної напруги однофазного мостового АІН (п. 3.2). Тому й гармонічний склад у них аналогічний. Амплітуда першої гармоніки вихідного струму

Im(1) 4Id .

Середнє та діюче значення струму співпадають:

I Ic I d .

Коефіцієнти викривлень та гармонік струму

Співвідношення між вхідною та діючою вихідною напругами знайдемо з рівняння енергетичного балансу (за умови нехтування втратами в інверторі)

Ud Id U(1) I(1) cos н .

Звідси

Б) Інвертор струму на одноопераційних тиристорах

Для успішного протікання процесу комутації в інверторі струму на одноопераційних тиристорах (рис. 4.8) необхідне виконання трьох умов:

напруга в процесі комутації на тиристорі, що вмикається, позитивна;

напруга в процесі комутації на тиристорі, що вимикається, негативна;

струм через тиристор, що вимикається, після відкривання наступного тиристора знижується до нуля.

Як видно з рис. 4.5…4.7, перші дві умови виконуються тоді, коли паралельно виходу АІС ввімкнений конденсатор (тому такий інвертор називають

172

вмикати на виході АІС додатковий конденсатор для забезпечення процесу комутації (особливо за індуктивного навантаження).

4.3. Трифазні автономні інвертори струму 

Трифазні АІС, які використовуються в електроприводі, виконуються виключно на основі мостових схем. Алгоритм перемикання ключів – із тривалістю відкритого стану 120.

ic

t

Рис. 4.9. Вихідні струми трифазного АІС

173

Під час розгляду процесів у трифазних АІС припускатимемо, що індуктивність дроселя в контурі постійного струму достатньо велика для того, щоб вважати вхідний струм АІС гладким та незмінним під час комутаційних процесів. Незмінною також вважається амплітуда проти-ЕРС навантаження. Часові діаграми вихідних струмів трифазного АІС без урахування комутаційних процесів зображені на рис. 4.9.

Амплітуда першої гармоніки вихідного струму

Iфm(1) 2 3 Id =1,102 I d .

Діюче та середнє значення вихідного струму

I 23 Id 0,816Id ;

Ic 23 Id .

Коефіцієнти викривлень та гармонік струму

I 3 0,9549;

kгI =0,3108.

Із рівняння енергетичного балансу

Ud Id 3Uф(1) Iф(1) cos н

отримаємо вираз, який пов’язує вхідну та лінійну вихідну напруги АІС:

Ud 3 2 U л(1) 1,35U л(1) .

Приклад 4.1. Форма струму АІС та втрати у навантаженні

Те ж саме навантаження, що й у прикладі 3.3, живиться від трифазного мостового інвертора струму. Для забезпечення тієї ж самої активної потужності навантаження амплітуда першої гармоніки струму АІС має бути такою самою, як і в АІН ( Iфm(1) =1333,39 А). Розрахувати, наскільки зростуть втрати в наван-

таженні за використання АІС. Середній вхідний струм АІС

Id Im(1) 1333,39 =1210 А. 1,102 1,102

Діюче значення вихідного струму АІС

I 0,816 I d =0,8161210=987,3 А.

Втрати в навантаженні пропорційні квадрату діючого струму. Тому ступінь зростання втрат

174

Хоча в контурі перезарядження є індуктивність, унаслідок незмінності

коливний, оскільки в контурі є і індуктивні, і ємнісні елементи. Цей процес описується рівняннями

iC13 C13 duC13 ;

dt

uC13 eab iC13 (ra rb ) (La Lb ) diC13 . dt

176

Струм фази А в процесі дозарядження зменшується, а струм ib збільшу-

ється таким чином, щоб їх сума дорівнювала струму фази С та вхідному струму АІС ( ia ib ic Id ). Коли вся електромагнітна енергія фази А переходить до

конденсатора, дозарядження закінчується, струм у фазі А зникає, діод VD1 закривається, а вхідний струм АІС увесь переходить до фази В.

Для обмеження темпу зміни струму тиристорів під час комутації послідовно з кожним із них іноді вмикають дроселі невеликої індуктивності.

Слід зауважити, що струм фази, що виходить із роботи, не може одразу після закривання відповідного тиристора перейти на зворотний діод (унаслідок їх відсутності в АІС). Тому комутація в інверторах струму на відміну від АІН завжди двоступінчаста (навіть за однакових їхніх схем).

Напруга на конденсаторі наприкінці процесу комутації залежить від струму фази А перед її початком, тобто від навантаження АІС. Тому за малих струмів навантаження цієї напруги може не вистачити для закривання наступного тиристора, а за великих навантажень на конденсаторі виникають перенапруги. Тому ємність конденсаторів вибирають виходячи з забезпечення комутації за найменших можливих навантажень, а для обмеження перенапруг вживають спеціальних заходів.

Б) Трифазний АІС із комутуючими тиристорами

Схема інвертора зображена на рис. 4.13. Порядок роботи силових тиристорів VS1…VS6 такий, як і в попередній схемі. Перед початком комутації тиристора VS1 конденсатор С1 заряджений із полярністю, вказаною на рис. 4.13.

177

Якщо порівнювати схеми рис. 4.10 та 4.13, слід відзначити такі переваги останньої:

потужність комутаційних тиристорів менша за потужність відсікальних діодів у схемі рис. 4.10, оскільки тиристорами тече лише комутаційний струм, а діодами – і струм навантаження;

сумарна ємність конденсаторів на 25% менша.

Проте допоміжні тиристори повинні бути розраховані на більшу напругу, ніж діоди. Таким чином, обидві схеми близькі за своїми показниками.

4.4. Комутаційні перенапруги в АІС та їх обмеження

Перенапруги, які виникають на другому етапі комутації в АІС, обумовлені коливним характером перезарядження комутуючих конденсаторів.

Енергія, яку мав конденсатор на початку другого етапу

A0 CkUC2 0 2 ,

де UC0 – напруга на конденсаторі на початку другого етапу комутації (дорівнює

миттєвій лінійній проти-ЕРС статора, рис. 4.11).

Протягом другого етапу конденсатор отримує від індуктивних елементів навантаження додаткову порцію енергії

AL Id2 Lн 2,

де Lн – індуктивність навантаження.

Напругу на конденсаторі наприкінці комутації (тобто максимально можливу) знайдемо виходячи з сумарної енергії:

За досить великих індуктивностей навантаження та вихідних струмів АІС ця напруга може сягнути небажаних значень.

Комутаційні процеси викликають також перенапруги на виході АІС унаслідок появи ЕРС самоіндукції при зміні струму у фазах статора, які приймають участь у процесі комутації. У фазній напрузі, яка є сумою проти-ЕРС наванта-

ження та спаду напруги в індуктивності ua ea L didta , виникають комутаційні

стрибки (рис. 4.14). Вони можуть стати причиною пробою ізоляції обмотки статора.

Схеми обмеження комутаційних перенапруг призначені для скидання надлишків енергії комутаційних конденсаторів. Потужність, яка проходить через схему обмеження, складає 5…8% номінальної потужності асинхронного двигуна. Тому за невеликих потужностей двигуна використовують досить прості схеми обмеження (рис. 4.15).

Конденсатор C0 та баластний резистор R0 ввімкнені через випрямляч В

паралельно комутуючим конденсаторам АІС. Якщо напруга на конденсаторі занадто велика, відкриваються два відповідні діоди випрямляча В і надлишок

178

енергії фази, яка вимикається, скидається на резистор R0 . Конденсатор C0

згладжує пульсації напруги на виході випрямляча В.

Для інверторів великої потужності замість баластного резистора використовують залежний (ведений мережею) тиристорний інвертор ЗІ (рис. 4.16).

ea ua

ia

Ldia /dt

t

Рис. 4.14. Комутаційні стрибки вихідної напруги АІС

C0

Рис. 4.15. Схема обмеження комутаційних перенапруг

Рис. 4.16. Схема обмеження комутаційних перенапруг із рекуперацією

179

Надлишки комутаційної енергії замість того, щоб втрачатися у вигляді тепла в баластному резисторі, інвертуються через малопотужний залежний інвертор ЗІ до живильної мережі.

4.5. Робота інвертора струму на проти-ЕРС

Рис. 4.18. Робота інвертора струму за синфазних вихідного струму та проти-ЕРС

180