Библиотека / Красовский основы электропривода

5.7. DC-A С-преобразователи

Процесс преобразования постоянного напряжения в перемен­ ное является обратным выпрямлению и выполняется устройства­ ми, называемыми инверторами. Одним из вариантов DС-АС­ преобразователей являются рассмотренные ранее тиристорные

преобразователи, работающие в инверторном режиме. Напомним,

что в них частота изменения выходного переменного напряжения

неизменна и задается сетью переменного напряжения. Поэтому

такие преобразователи называют зависимыми инверторами и вы­

полняют по единым принципам с выпрямителями.

Однако в электроприводе часто возникает потребность в пре­

образовании постоянного напряжения в регулируемое по частоте и амплитуде однофазное или многофазное переменное напряжение.

Эту функцию выполняют DС-АС-преобразователи, которые рабо­ тают при отсутствии каких-либо источников переменного напря­ жения на их выходе. В таких преобразователях, получивших

название автономных инверторов напряжения, частота изменения

выходного напряжения задается соответствующим изменением

управляющих сигналов, т. е. по каналу управления. Именно о них

и пойдет речь в данном разделе.

5.7.1. Однофазные DC-A С-преобразователи

Для преобразования постоянного напряжения в регулируемое однофазное переменное напряжение в электроприводе обычно

используют рассмотренную ранее мостовую схему реверсивного

ШИП (см. рис. 5.39) с соответствующей нагрузкой, например фазной обмоткой двигателя переменного тока. Представив его

выходной ток как периодически реверсируемый и изменяемый по

амплитуде за счет ШИМ ток, при плавном по синусоидальному

закону изменении скважности импульсов напряжения на нагруз­

ке можно обеспечить такой же закон изменения его среднего зна­

чения.

Для характеристики закона изменения выходных параметров

автономных инверторов напряжения DС-АС-преобразователей ча­

сто используют понятие гладкой составляющей периодической

импульсной функции, под которой понимают функцию, образо­

ванную непрерывной аппроксимацией средних значений (на ин­

тервале периода коммутации Т) кривой мгновенного напряжения

построенные по такому принципу многофазные инверторы в отно­

сительно мощных промышленных электроприводах практически

не используют. Тем не менее такие многоканальные инверторы с

числом фаз от двух и более (обычно до пяти) иногда используются

в маломощных, например шаговых, электроприводах в целях по­

вышения гибкости управления.

Наиболее часто применяемая схема трехфазного автономного мостового инвертора напряжения показана на рис. 5.45. Все три фазы инвертора получают питание от общего силового источника

постоянного напряжения Иа с, причем каждая из них образована

двумя последовательно соединенными управляемыми ключами

(транзисторами), зашунтированными обратными диодами. Транзи­ сторы обеспечивают протекание тока через ключи в прямом направлении, а диоды - в обратном.

Рис. 5.45. Схема трехфазного автономного мостового инвер­

тора напряжения

Обратные диоды создают цепь протекания тока при коммута­ ции ключей и в тормозных режимах работы электрических машин, являющихся нагрузкой преобразователя. Обычно параллельное

соединение транзистора и диода в силовой электронике называют

стойками. Обратим внимание на то, что эта схема содержит всего

шесть силовых ключей, т. е. в 2 раза меньше, чем предыдущая.

Трехфазная нагрузка, соединенная в звезду или треугольник, под­ ключается к средним точкам фазных стоек.

Как видно, среднее его значение за период будет равно Ud cf2,

а максимальная амплитуда его гладкой переменной составляющей

также будет равна Ud J2. Гладкие составляющие средних значений

напряжений Иь и Ис на фазах Ь и с будут изменяться аналогичным

образом с соответствующими фазовыми сдвигами относительно напряжения Иа.

Гладкие составляющие линейных напряжений между фазами

Иаь = Иа -Иь, Иьс = Иь -Uc и Иса = Ис -Ua будут также изме­

няться по синусоидальному закону, но без постоянной составляю­

щей и с амплитудой, в З раз большей амплитуды гладкой со­

ставляющей фазных напряжений.

Во втором способе, разработанном в середине 1990-х годов в

связи с расширением возможностей микропроцессорного управле­

ния и известном как векторная ШИМ, вместо одновременной

коммутации всех шести ключей происходит коммутация между

несколькими, заранее выбранными состояниями инвертора, каж­

дое из которых соответствует определенному пространственному

положению вектора результирующего напряжения, приложенного

к двигателю. Для пояснения сути векторной ШИМ обратимся к

схеме на рис. 5.45 и к временной диаграмме на рис. 5.46. Каждому из шести возможных состояний схемы в соответ­

ствии с диаграммой на рис. 5.46 можно поставить в соответствие

пространственный вектор результирующего напряжения трехфаз­ ного двигателя И, проекции которого на оси фазных обмоток в

любой момент времени равны мгновенным значениям напряжений

на этих фазах. Тогда при каждом последовательном изменении

состояний ключей инвертора в соответствии с временной диа­ граммой переключений на рис. 5.46 данный результирующий век­

тор длиной 2/3Иdс будет дискретно поворачиваться на угол в 60°. Заметим, что годографом конца этого вектора является правиль­

ный шестиугольник.

Совокупность векторов, проведенных из начала координат к

вершинам данного шестиугольника, образует шесть базовых век­ торов. На рис. 5.49 каждый из этих векторов имеет обозначение И

с индексом, соответствующим номерам замкнутых ключей в схеме

на рис. 5.45. К ним добавляют два так называемых нулевых векто­ ра, когда все три фазы двигателя подключаются ключами к плюсо­

вой или минусовой шине источника постоянного напряжения.

В итоге приходят к восьми базовым векторам, соответствующим

290 Глава 5. Силовые электрические преобразователи...

преобразуется в энергию переменного напряжения с регулируе­

мыми амплитудой и частотой.

В случае применения управляемого выпрямителя на него воз­ лагается функция регулирования амплитуды выходного напряже­

ния преобразователя, а автономный инвертор обеспечивает только

нужную частоту изменения выходного напряжения. При исполь­

зовании нерегулируемого выпрямителя изменение и амплитуды, и

частоты выходного напряжения обеспечивает автономный инвер­

тор, работающий в режиме ШИМ. В последние годы благодаря

появлению мощных ключей на IGВТ-транзисторах этот тип пре­

образователей частоты стал преобладающим.

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в зару­ бежной литературе часто называемые циклоконвертерами, также преимущественно выполняют трехфазными. Они обеспечивают

однократное преобразование электрической энергии сети пере­

менного напряжения в регулируемое по амплитуде и частоте пе­

ременное напряжение. В них выходное напряжение формируется

из участков синусоид сетевого напряжения, поэтому выходной сигнал имеет пониженную частоту по сравнению с частотой пита­

ющей сети. Нагрузка через открытые ключи преобразователя ока­

зывается непосредственно подключенной к источнику питания.

Эти преобразователи строятся на основе рассмотренных ранее ре­

версивных тиристорных преобразователей (управляемых выпря­

мителей). Для иллюстрации в самом общем виде принципа по­ строения и работы НПЧ рассмотрим схему на рис. 5.50, а и вре­ менные диаграммы на рис. 5.50, 6 и в.

Предположим, что в простейшем случае в однофазной ревер­ сивной нулевой схеме на рис. 5.50, а, работающей на активную нагрузку Rн, управляющие импульсы поочередно подаются либо на тиристоры VDI и VD2, либо на тиристоры VDЗ и VD4 в момент их естественного открывания. Тогда, как показано на рис. 5.50, 6, на выходе схемы формируется пульсирующее напряжение ud, об­

разованное попеременно то положительными, то отрицательными

полуволнами напряжений и21 и u22 на вторичных обмотках транс­ форматора. Усредняя прикладываемое к нагрузке напряжение ud

на интервале проводящего состояния каждой пары тиристоров,

видим, что при переходе от одной пары тиристоров к другой оно

изменяет знак, т. е. является разнополярным (на рис. 5.50, б это напряжение обозначено как Ud).