Устройства силовой электроники. Учебное пособие

В момент времени 1, вследствие того что ЭДС самоиндукции становится меньше напряжения источника питания, ток нагрузки спадает до нуля. После момента времени 1 до момента времени 2 ток нагрузки протекает в прямом направлении через транзисторы VT2, VT4 по той же цепи, что и при активной нагрузке. Временные диаграммы анодных токов силовых ключей представлены на рис. 4.

Выходное напряжение АИН из-за малой длительности процесса коммутации (около 200 мкс) по форме близко к прямоугольному и не зависит от тока нагрузки. В результате внешняя характеристика АИН – прямая с малым наклоном. Выходной ток АИН при наличии в нагрузке индуктивности становится знакопеременным, т. е. происходит постоянный обмен энергией между нагрузкой и источником ЭДС.

Регулирование выходного напряжения

Для регулирования частоты напряжения в нагрузке изменяют период формирования управляющих сигналов на силовые ключи.

Для регулирования амплитуды выходного напряжения изменяют величину напряжения источника, поскольку Uн(1) 1,27E sin( t). Дру-

гой способ заключается в изменении алгоритма управления тиристорами. В этом случае используется либо ШИР, либо ШИМ.

При широтно-импульсном регулировании (ШИР) за период выходного напряжения формируется N импульсов с одинаковой дли-

тельностью . Например, на рис. 5 изображено формирование выходного

напряжения N = 8, = π/8. Разложение кривой выходного напряжения в ряд Фурье позволит определить ам-

плитуду основной гармоники Uн для

конкретной длительности . Для регулирования амплитуды выходного напряжения изменяют длительность всех импульсов от 0 до 2π/N. При ну-

левой длительности импульсов (т. е. их отсутствии) напряжение на нагрузке будет равно нулю, а при длительности импульсов, равной 2π/N, в нагрузке будет формироваться максимальное напряжение

Uн(1) 1,27E sin( t).

11

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формируются импульсы разной ширины, длительность каждого импульса зависит от требуемой величины мгновенного значения напряжения.

На рис. 6 показано формирование однополярной импульсной последовательности при широтно-импульсной модуляции с N = 10. В первый полупериод при открывании полупроводниковых ключей VT2, VT4 формируются положительные импульсы выходного

напряжения. Ток нагрузки протекает по цепи +E – VT2 – Zн – VT4 – –E.

Формирование «пауз», т. е. нулевых значений напряжения на нагрузке, происходит при запирании одного из этих ключей. Например, если закрыть ключ VT4, оставив открытым ключ VT2, то ток нагрузки про-

должит протекать по цепи el – VD7 – VT2 – el . Если закрыть

ключ VT2, оставив открытым ключ VT4, то ток нагрузки продолжит протекать по цепи el – VT4 – VD5 – el .

Во второй полупериод при открыванииполупроводниковых ключей VT1, VT3 формируются отрицательные импульсы выходного напря-

жения. Ток нагрузки протекает по цепи +E – VT3 – Zн – VT1 – –E.

Формирование «пауз», т. е. нулевых значений напряжения на нагрузке, происходит при запирании одного из этих ключей. Например, если закрыть ключ VT3, оставив открытым ключ VT1, то ток нагрузки про-

должит протекать по цепи el – VT1 – VD8 – el . Если закрыть ключ

VT1, оставивоткрытымключVT3, тотокнагрузкипродолжитпротекать

по цепи el – VD6 – VT3 – el .

Предлагаем читателям с помощью изученных ранее методов математического анализа самим оценить гармонический спектр полученного напряжения (рис. 6) и выделить основную гармонику.

Рис. 6. Временные диаграммы при однополярной ШИМ

12

На рис. 7 показано формирование двуполярной импульсной последовательности при широтно-импульсной модуляции с N = 10. За период повторения поочередно формируются положительные и отрицательные уровни выходного напряжения без нулевых «пауз». Для получения такой формы напряжения на нагрузке на диагональные пары силовых ключей (VT2, VT4 и VT1, VT3) формируются инверсные сигналы управления, т. е. если одна пара открыта, то другая закрыта, и наоборот. Процессы протекания токов через силовые ключи в режиме формирования двуполярной импульсной последовательности при ШИМ аналогичны описанным выше для режима работы на активно-индуктивную нагрузку.

Рис. 7. Временны´ е диаграммы при двуполярной ШИМ

ШИР с зависящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения

Длительность открытого состояния силовых вентилей меняется от 0 до π. За период выходного напряжения имеются интервалы, когда закрыты все четыре транзистора. Рассмотрим именно эти моменты, так как, когда вентили проводят ток нагрузки, процессы в схеме аналогичны рассмотренным ранее.

На интервале времени (1,2) (рис. 8) проводят тиристоры VS2, VS4. Ток протекает по цепи +E – VS2 – Zн – VS4 – –E. В момент времени 2

все вентили закрываются. Из-за наличия индуктивности в цепи нагрузки ток продолжает протекать через открывшиеся диоды VD5,

VD7 по цепи el – VD7 – C – VD5 – el . Пока эти диоды открыты, в

нагрузку прикладывается отрицательное напряжение источника питания. Энергия, накопленная в индуктивности, отдается в источник и в нагрузку, а величина тока снижается по экспоненциальному закону. В момент времени 3 ток нагрузки снижается до нуля, диоды запира-

13

ются, и напряжение на нагрузке становится равным нулю. Вследствие проводимости диодов в нагрузке возникают нежелательные импульсы напряжения, так как их длительность зависит от постоянной времени

цепи нагрузки (tн Lн / Rн).

Рис. 8. Временны´ е диаграммы ШИР

Аналогичные процессы происходят в моменты времени 4-5-6 с участием силовых ключей VS1, VS3 и VD6, VD8.

Возможны такие ситуации, когда при увеличении постоянной времени ток нагрузки вмоменты времени 3 и6 не будет снижаться до нуля, и инвертор станет нерегулируемым, т. е. повышение длительности проводящего состояния вентилей не приведет к регулированию напряжения и тока нагрузки.

ШИР с независящей от параметров нагрузки формой кривой выходного напряжения

Независимость от нагрузки и сохранение интервалов пауз для регулирования достигаются, если на интервале паузы обеспечить одновременную проводимость двух тиристоров, относящихся к одной группе инверторного моста (см. рис. 1). При этом нагрузка будет закорочена и напряжение на ней равно нулю.

Отличие от предыдущего способа наблюдается на интервале пауз

14

по цепи el – VS1 – VD8 – el ; на интервале (6, 7) ток нагрузки протекает по цепи el – VD6 – C – VD8 – el .

Рис. 9. Временны´ е диаграммы ШИР

Амплитуда -й гармоники определится как

Um 4E sin( / 2) .

Видно, что амплитуда третьей гармоники достаточно велика (Um3 0,424E). Для улучшения гармонического состава применяют

ШИР с N > 2 (обычно N = 8).

Содержание гармоник существенно снижается при применении ШИМ, когда кривая выходного напряжения формируется по синусоидальному закону. Выходное напряжение регулируется изменением ширины выходных импульсов.

1.2. Трехфазный АИН

Схема реализации трехфазного АИН на тиристорах показана на рис. 10, а с использованием транзисторов – на рис. 11. При анализе схемы вентили рассматриваются как идеальные. Нагрузка включена в звезду.

15

угол π/3. Седьмая диаграмма показывает закон изменения линейного напряжения между фазами A и B нагрузки, а восьмая диаграмма – изменение напряжения на фазе A относительно общей точки фазных нагрузок.

Рис. 12. Временные диаграммы АИН

( = π)

На интервале от 0 до /3 в анодной группе ток нагрузки проводит один тиристор VS6, а в катодной группе — два тиристора (VS1 и VS5). Схема замещения представлена на рис. 13, из которой виден путь протекания тока нагрузки: +E – Zb – Za//Zc – –E.

Сопротивление параллельно включенных фазных нагрузок при симметричной нагрузке (Za = Zb = Zc = Z) равно половине сопротивления фазной нагрузки Za//Zc = Z/2. Таким образом, суммарное сопро-

тивление цепи протекания тока Z = Z + Z/2 = 3Z/2.

Согласно второму закону Кирхгофа сумма напряжения U A на нагрузке фаз А и С, которые включены параллельно, и напряжения UB

на включенной с ними последовательно нагрузке фазы В равна величине ЭДС E. Поскольку сопротивление фазы B в два раза больше, чем

сопротивление включенных параллельно фаз A и C, то UB в два раза больше, чем U A. Следовательно, U A = Е/3, а UB = 2Е/3.

Величина линейных напряжений АВ и ВС определится значением Е, причем U АВ будет отрицательно, а U ВС – положительно. Линейное

17

напряжение АС будет равно нулю, так как точки А и С закорочены открытыми тиристорами VS1, VS5.

Кроме того, на рис. 13 приведена также схема замещения на интер-

вале ( /3, 2 /3). Путь протекания тока нагрузки: +E – Zb//Zc – Za – –E. В анодной группе проводят два тиристора: VS2, VS6. В катодной

группе проводит один тиристор VS1. Следовательно, величина напряжения приложенного в нагрузку фазы А равна 2Е/3, а в нагрузку фаз В и С приложено Е/3.

Величина линейных напряжений АВ и AС определится уровнем Е, причем U АВ и U AС будут отрицательны. Линейное напряжение BС

будет равно нулю, так как точки B и С закорочены открытыми тиристорами VS2, VS6.

Рис. 13. К работе трехфазного АИН

Построим схемы замещения и, используя аналогичные рассуждения, проанализируем работу схемы за весь период повторяемости и получим законы изменения всех фазных и линейных напряжений.

На интервале (2 /3, ) в катодной группе ток нагрузки проводят тиристоры VS1 и VS3, а в анодной группе – тиристор VS2. Путь протекания тока нагрузки: +E – Zc – Zb//Za – –E. Следовательно, величина напряжения, приложенного в нагрузку фазы C, равна 2Е/3, а в нагрузку фаз A и B приложено напряжение Е/3. Величина линейных напряжений

ВC и AС определится уровнем Е, причем U ВC и U AС будут отрица-

18

тельны. ЛинейноенапряжениеAB будетравнонулю, таккакточкиA иB закорочены открытыми тиристорами VS1, VS3.

На интервале ( , 4 /3) в катодной группе ток нагрузки проводит тиристор VS3, а в анодной группе – тиристоры VS2 и VS4. Путь протекания тока нагрузки: +E – Za//Zc – Zb – –E. Величина напряжения, приложенного в нагрузку фазы B, равна 2Е/3, а в нагрузку фаз A и C приложено напряжение Е/3. Величина линейных напряжений ВC и AB

определится значением Е, причем U ВC будет отрицательно, а U AB –

положительно. Линейное напряжение AC будет равно нулю, так как точки A и C закорочены открытыми тиристорами VS2, VS4.

На интервале (4 /3, 5 /3) в анодной группе ток нагрузки проводит тиристор VS4, а в катодной группе – тиристоры VS3 и VS5. Путь протекания тока нагрузки: +E – Za – Zb//Zc – –E. Величина напряжения, приложенного в нагрузку фазы A, равна 2Е/3, а в нагрузку фаз B и C приложено напряжение Е/3. Величина линейных напряжений AC и AB

определится напряжением источника Е, причем U АВ и U AС будут

положительны. Линейное напряжение BC будет равно нулю, так как точки B и C закорочены открытыми тиристорами VS3, VS5.

На интервале (5 /3, 2 ) в катодной группе ток нагрузки проводит тиристор VS5, а в анодной группе – тиристоры VS4 и VS6. Путь протекания тока нагрузки: +E – Za//Zb – Zc – –E. Величина напряжения, приложенного в нагрузку фазы C, равна 2Е/3, а в нагрузку фаз A и B напряжение равно Е/3. Величина линейных напряжений BC и AC

определится значением Е, причем UBC и U AС будут положительны.

Линейное напряжение AB будет равно нулю, так как точки A и B закорочены открытыми тиристорами VS4, VS6.

Построенные по результатам анализа фазное напряжение U A и линейное напряжение U AB показаны на рис. 12. Предлагаем читате-

лям самостоятельно произвести гармонический анализ полученных кривых.

Регулирование амплитуды выходного напряжения АИН производят по цепи источника питания, для чего используют управляемый выпрямитель переменного тока или импульсный преобразователь постоянного напряжения.

Регулирование частоты выходного напряжения АИН осуществляют изменением периода следования управляющих импульсов.

19

Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения АИН

Принцип ШИР для трехфазных АИН тот же, что и в однофазных АИН. В нагрузке (см. рис. 10) формируется кривая линейного напря-

жения из нескольких импульсов регулируемой длительности от 0 до /3, с паузой между ними = /3 – . Для формирования паузы в

моменты времени открываем три тиристора, принадлежащие к одной группе (анодной или катодной).

Временны´ е диаграммы при широтно-импульсном способе регулирования показканы на рис. 14. Первые шесть временны´ х диаграмм показывают сигналы управления на силовые ключи. В данном случае используется следующий алгоритм управления силовым ключом: открытπ/2 – закрытπ/6 – открытπ/3 – закрытπ/2 – открытπ/6 – закрытπ/3. Импульсы управления на каждый последующий вентиль сдвинуты на π/3.

Анализ функционирования схемы произведем аналогично приведенному ранее. Для удобства результаты анализа сведем в таблицу. В первом столбце указан интервал в периоде повторения; во втором – номера силовых вентилей, на которые подан отпирающий сигнал; в остальных – указаны величины линейных и фазных напряжений на соответствующих периодах.

Напряжения при работе АИН (ШИР)

20