8.2.4 Трехфазный инвертор напряжения

Трехфазные АИН выполняют по мостовой схеме (рис. 8.23), состоящей из шести тиристоров Т1-Т6 и шести диодов Д1-Д6. Диоды включены встречно-параллельно тиристорам и выполняют ту же функцию, что и аналогичные диоды в однофазной схеме.

Нагрузка активно- индуктивного характера включается в звезду(или треугольник). В качестве вентилей могут служить одно- и двухоперационные тиристоры или транзисторы (коммутационные узлы, необходимые при использовании однооперационных тиристоров, на 8.23 не показаны)

Чаще всего используют трехфазную схему инвертора, состоящего из трех плеч, одного на каждую фазу, как показано на рис.8.23.

Поэтому выход например UAN (относительно отрицательной шины постоянного тока), зависит только от U_d и состояния вентиля; выходное напряжение не зависит от выходного тока нагрузки, так как один из двух вентилей в плече всегда включен в любой момент времени.

Рис. 8.23. Схема главных цепей трехфазного мостового АИН.

Здесь мы снова не учитываем временные задержки на переключение, полагая вентили идеальными. Поэтому выходное напряжение инвертора не зависит от направления тока нагрузки.

ШИМ в трехфазных инверторах напряжения

Как и в однофазных инверторах, целью трехфазных ШИМ инверторов является возможность формировать и управлять амплитудой и частотой трехфазного выходного напряжения при постоянном входном напряжении U_d. Для симметричного трехфазного выходного напряжения в трехфазном ШИМ инверторе пилообразное напряжение сравнивают с тремя синусоидальными сигналами управления, сдвинутыми на 120°, как показано на рис.8.24,а (для =15). Из рис.8.24,б также видно, что в выходных напряженияхU_AN и U_BN, измеренных относительно отрицательной шины, присутствует одна и та же средняя величина постоянного напряжения. Однако эти постоянные составляющие исчезают в линейных напряжениях, например, в U_AB, показанном на рис.8.24,б. То же происходит и в однофазном полномостовом инверторе, использующем ШИМ.

В трехфазных инверторах мы будем рассматривать только гармоники в линейном напряжении. Гармоники в выходном напряжении любого плеча инвертора, например, U_AN на рис.8.24,б сходны с гармониками в U_A0 на рис.8.16, где в полосах частот присутствуют только нечетные гармоники, сконцентрированные вокруг и кратных ему частот, при нечетном. При учете только гармоник при(то же относится и к его нечетным кратным) разница в фазе между гармоникойв U_AN и U_BN равна ()° .

Эта разность будет равна нулю (как помноженная на 360°), если нечетен и кратен трем. Как следствие, подавляется гармоника прив линейном напряжении U_AB.

То же относится и к подавлению нечетных гармоник, кратных , есливыбран нечетным и кратным трем (выбирают таким, так как при этом уничтожаются четные гармоники).

Рис. 8.24. Формы сигналов и гармонический спектр при трехфазном ШИМ

Следовательно, некоторые из основных гармоник в одноплечевом инверторе могут быть подавлены и в линейном напряжении трехфазного инвертора. Условия ШИМ_сдедующие:

1) для небольших , чтобы подавить четные гармоники, необходимо использовать симметричную ШИМ при целом нечетном. Кроме того,должен быть кратен трем для подавления и основных гармоник в линейном напряжении;

2) для больших остаются в силе комментарии в разделе 8.3.3. касающиеся однофазной ШИМ;

3) во время сверхмодуляции (>1,0), независимо от величинысоблюдаются условия, характерные для небольших.

Линейная зона модуляции (< 1,0)

В линейной области (< 1,0) основная частотная составляющая выходного напряжения меняется линейно с изменением коэффициента модуляции амплитуды та. Из рис.8.24,б амплитуда основной частотной составляющей в одном из плеч инвертора равна:

(8.58)

Поэтому линейное напряжение при основной частоте с учетом рассогласования по фазе между фазными напряжениями можно записать:

(8.59)

Сверхмодуляция (mа>1,0)

В данном режиме допускается величина сигнала управления, равная величине пилообразного сигнала или больше. В отличие от линейной области, в этом режиме величина основной гармоники не увеличивается пропорционально m_а. Это показано на рис.8.19, где показана величина действующего значения основной гармоники линейного напряжения U_Л1 как функция Как и в однофазной ШИМ, для довольно больших m_а ШИМ вырождается в режим прямоугольного напряжения, в результате чего максимальное значение U_Л1 равно 0,78U_d (как показано в следующем разделе).

В зоне сверхмодуляции по сравнению с областью m_a<1,0 появляются гармоники, сконцентрированные вокруг частот гармоник и кратных им, однако основные гармоники могут и не иметь больших амплитуд, по аналогии с рис. 8.20.

Режим прямоугольного напряжения в трехфазных инверторах

Если входное постоянное напряжение U_d управляемо, инвертор на рис.8.25,а может работать в режиме прямоугольного напряжения. Кроме того, при больших m_а ШИМ вырождается в режим прямоугольного напряжения. Здесь каждый вентиль может быть включен в течение 180° или 120°

Рис. 8.25. Схема трехфазного АИН

Длительность проводимости управляемых вентилей ψ=180°

Данному способу формирования кривой выходного напряжения инвертора отвечает алгоритм переключения вентилей на рис. 8.26, а.

Каждый вентиль проводит ток в течение °. Последовательность вступления вентилей в работу соответствует порядку следования их номеров (рис. 8.26) при относительном фазовом сдвиге в 60°. Вентили, относящиеся к одной фазе (например,VS1иVS4 фазы А), не могут быть открытыми одновременно.

При рассматриваемом алгоритме переключения исключается также одновременное закрытое состояние тиристоров одной фазы. В любой момент времени одновременно проводят ток три тиристора, два из которых относятся к какой либо одной (катодной или анодной) группе, а один – к другой (соответственно анодной или катодной) группе, т. е. 123, 234, 345, 456 и т. д.

Кривые линейных напряжений на нагрузке показаны на рис. 8.26, б-г, а кривые фазных напряжений – на рис. 8.26, д-ж.

Кривая линейного напряжения состоит из импульсов с амплитудой Е чередующейся полярности длительностью в 120°разделенных паузой в 60°.

Напряжения U_AB, U_DC, U_CA сдвинуты по фазе на угол в120°. Импульсы напряжения с амплитудой Е положительной или отрицательной полярности создаются при проводимости накрест лежащих тиристоров двух фаз, определяющих рассматриваемое линейное напряжение.

Рис.8.26. Временные диаграммы при

Так, например, в кривой UAB (рис. 8.26,б) импульсы напряжения положительной полярности получаются при открытых тиристорах VS3 и VS4, а импульсы напряжения отрицательной полярности – при открытых тиристорах VS1и VS6. Интервалам паузы в кривых линейных напряжений соответствуют открытые состояния тиристоров общей группы (катодной или анодной) двух фаз, формирующих линейное напряжение. Интервалы паузы в кривой UAB характеризуются одновременно открытыми тиристорами VS1 и VS3 или VS4 и VS6. Фазные напряжения UAO, UBO, UCO (рис. 8.26, д-ж) имеют вид ступенчатой кривой со значениями напряжения 1/3 Е и 2/3 Е. определяется тем, что в любой момент времени одновременно проводят ток три тиристора инвертора, подключающие нагрузки в фазах ZA, ZB, ZC на напряжение источника питания Е таким образом, что две из них (например, ZA, и ZC на интервале 0-60°, рис. 8.25, а) включаются параллельно между собой и последовательно с третьей (в данном случае ZB) нагрузкой. В связи с этим очевидно, что в условиях равенства сопротивлений нагрузки в фазах ZA=ZB=ZC (нагрузка симметричная)

напряжения фаз, нагрузки которых включены параллельно, равны 1/3 Е, а напряжение фазы, нагрузка которой включена последовательно, равно 2/3Е. Фазные напряжения также имеют взаимный фазовый сдвиг в 120°.

Форма кривой выходного напряжения инвертора является удовлетворительной для работы ряда нагрузок, в частности для питания асинхронных двигателей. В кривой выходного напряжения отсутствуют четные гармоники, а также гармоники, кратные трем.

Основные расчетные соотношения для напряжений и токов при ψ=180° зависят от схемы соединения нагрузки в звезду или треугольник.

Рис.8.27. Эквивалентные схемы соединения нагрузок

а) При соединении нагрузки в треугольник (на рис.8.27 нагрузка обозначена сплошными линиями)

Действующее значение напряжения на нагрузке

(8. 60)

Мгновенные значения фазных токов

(8. 61)

(8. 62)

Фазные токи иопределяются аналогично, но с учетом

Линейные токи определяются как сумма фазных токов

где ;- параметр цепи нагрузки;.

б) При соединении нагрузки в звезду (на рис. 8. 27 нагрузка обозначена пунктирными линиями).

(8. 66)

Мгновенное значение токов

(8. 67)

(8. 68)

(8. 69)

Действующее значение тока фазы

, (8. 70)

где ;- базисный ток

Среднее значение тока в цепи источника

(8. 71)

Активная мощность нагрузки

(8. 72)

Полная мощность нагрузки

(8. 73)

Коэффициент мощности нагрузки

(8. 74)

Соотношение при соединении нагрузки в треугольник и звезду

(8. 75)

Трехфазный инвертор при длительности включения вентилей

Диаграмма работы вентилей приведена на рис. 8. 28

Рис. 8. 28. Диаграмма работы вентилей при

При ψ=120⁰ одновременно открыты два вентиля. Как и при ψ=180⁰ в схеме с ψ=120⁰ возможно шесть сочетаний. Каждому сочетанию соответствует своя эквивалентная схема (для соединений нагрузки в треугольник и звезду).

а) соединение б) соединение  в) соединение

Рис.8.29. Эквивалентные схемы соединений нагрузки при

При чисто активной нагрузке эквивалентная схема соединений при нагрузке приведена на рис. 8.29,а,б, а при индуктивной – на рис. 8.29,в.

При индуктивной нагрузке (рис. 8.29,в) ток в нагрузке замыкается через обратный диод фазы С.

Напряжение при активной нагрузке при соединении амплитуда напряжения равна , при соединении к каждой фазе прикладывается напряжение и(см. рис. 8.29,а,б).

При активно-индуктивной нагрузке форма фазного напряжения изменяется, т.к. надо учитывать ЭДС самоиндукции на участке короткого замыкания фазы (фаза Z_с с током через диод ВД)

Для инвертора с ψ=120⁰ при cosφ_н<0,53, когда реактивный ток замыкается через фазы нагрузки через обратные диоды, соотношения для фазных токов такие же, как при ψ=180⁰ при соединении нагрузки в звезду.