Курсовая / MU_po_LR_SE

Рисунок 26 - Диаграммы напряжений и токов в трехфазном мостовом автономном инверторе напряжения при угле проводимости вентилей 180

эл.град и различных коэффициентах мощности нагрузки: а) > 0,528;

б) < 0,528

где - среднее значение тока потребляемого от источника питания. Коэффициент полезного действия (КПД) идеального преобразователя

= 1.

Тогда можно записать уравнение баланса мощностей на входе и выходе АИН

Отметим, что в равенстве мы пренебрегли всеми высшими гармониками. Поэтому фактически всегда

Равенство выполняется тем точнее, чем ближе по форме к синусоиде ток .

Из равенства с учетом следует:

=.

Амплитуда тока через полупроводниковый ключ

где - амплитуда фазного тока.

Амплитуда напряжения на полупроводниковом ключе

.

41

3. Регулирование величины и формы напряжения в АИН. Импульсная модуляция в АИН

Регулирование напряжения на выходе АИН может осуществляться с помощью импульсной модуляции. Из импульсных методов регулирования выходного напряжения наибольшее распространение получили широтноимпульсное регулирование (ШИР) и широтно-импульсная модуляция (ШИМ) Частота модуляции (несущая частота) должна быть хотя бы на порядок выше, чем наибольшая частота выходного напряжения.

Модуляция при ШИМ и ШИР осуществляется подачей на вход системы управления напряжения управления (модулирующего напряжения) определенной формы. Это напряжение сравнивается с пилообразным опорным напряжением (развертывающим напряжением). При изменении амплитуды модулирующего напряжения изменяется величина выходного напряжения.

При ШИР кривая выходного напряжения инвертора формируется в виде серии импульсов определенной частоты и одинаковой амплитуды и длительности. Регулирование напряжения осуществляется изменением относительной длительности импульсов. На рис. 27 а показан вид напряжения на выходе однофазных АИН, выполненных по однофазной мостовой схеме или схеме с разделенным источником питания. Там же показана гладкая составляющая , полученная усреднением средних значений напряжения за период модуляции. Она остается прямоугольной и повторяет форму управляющего (модулирующего) напряжения.

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) одновременно обеспечивается регулирование напряжения на выходе АИН и изменение его по квазисинусоидальному закону. На рисунке 27 б показан вид напряжения Uн на выходе однофазных АИН, выполненных по однофазной мостовой схеме или схеме с разделенным источником питания. При ШИМ кривая выходного напряжения формируется в виде импульсов переменной длительности, модулированных чаще всего по синусоидальному закону.

Регулирование напряжения осуществляется изменением длительности импульсов при сохранении закона модуляции (см. рис. 27 б). Там же показана гладкая составляющая , полученная усреднением средних значений напряжения за период модуляции. Она оказывается синусоидальной и повторяет форму управляющего (модулирующего) напряжения. По существу это первая гармоника напряжения.

Модуляция может быть синхронной, когда несущая частота кратна частоте управления и изменяется одновременно с ней. При асинхронной модуляции несущая частота неизменна при изменении частоты управления, не всегда хотя бы на порядок выше наивысшей частоты управления. Наиболее широко применяется асинхронная модуляция.

42

Опорное напряжение при импульсной модуляции в автономных преобразователях всегда имеет пилообразную форму.

Однако, форма «пилы» может быть разной. В зависимости от формы «пилы» модуляция управляющего импульса происходит по переднему фронту, как показано на рис. 28 а, или аналогично по заднему фронту.

Рисунок 27 – Диаграммы напряжений на нагрузке (Un), опорного (Uоп) и управляющего (Uy) в однофазном мостовом инверторе напряжения

при ШИР (а) и ШИМ (б)

Рисунок 28 – Фронтовая (а) и центрированная (б) ШИМ

43

Рисунок 29 – Формирование времени задержки

Такая модуляция обычно применяется в однофазных схемах и в преобразователях постоянного напряжения.

В трехфазных АИН для исключения одновременного переключения транзисторов в разных фазах применяют модуляцию по обоим фронтам. Эту ШИМ называют центрированной (см. рисунок

30 б).

Из рис. 30 видно, что при выключении одного транзистора сразу подается сигнал на включение противофазного. При этом возможно короткое замыкание источника питания на время переходного процесса переключения транзисторов. Для исключения возникающего при этом выброса тока применяют задержку включения очередного транзистора. На рис. 29 показано, как формируется время задержки. Это время составляет несколько микросекунд или доли микросекунды в зависимости от частотных свойств транзисторов.

4. Регулирование напряжения в трехфазных АИН

В трехфазных АИН может применяться как ШИР, так и ШИМ. Наибольшее применение в

настоящее время имеет ШИМ. Поэтому в основном только она рассматривается ниже. Существует много способов реализации ШИМ. Мы

1)формирование средних напряжений на выводах (формирование средних за период несущей частоты напряжений по отношению к средней точке источника питания);

2)формирование фазных напряжений с помощью пространственного вектора;

3)формирование фазных токов.

Формирование напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания

Рисунок 31 – Трехфазный АИН с симметричным источником питания

На рис. 31 изображен трехфазный АИН с симметричным источником питания. Средняя точка источника питания (нуль источника питания) может быть искусственной, то есть созданной одинаковыми резисторами или конденсаторами.

Кроме значимых состояний (нормальных), есть состояния закорачивания фаз либо включением вентилей V1, V3, V5, либо V2, V4, V6. При этом напряжение на выходе равно нулю.

На каждом фазном выводе независимо от других фаз формируется синусоидальное напряжение по отношению к средней точке источника питания.

При этом процессы полностью аналогичны ШИМ в однофазных АИН. На рис. 32 видно, что напряжения на фазных выводах по отношению к средней точке источника питания вырезаются из соответствующих напряжений, приведенных на рис. 31. При ШИР и ШИМ гладкие составляющие (средние за период несущей частоты значения) повторяют управляющие напряжения .

В линейном напряжении U АВ при суммировании U А0, Ub0 исчезли отрицательные прямоугольные участки, то есть улучшилась форма напряжения.

Максимальная амплитуда напряжения на фазном выводе по

45

отношению к средней точке источника питания, как следует из описания способа модуляции

Его действующее значение, определенное по гладкой составляющей:

Тогда максимальное действующее значение линейного напряжения, создаваемое сдвинутыми на 120° фазными напряжениями

:

Тогда максимальное действующее значение фазного напряжения:

Из формул видно, что максимальное действующее значение фазного напряжения, измеренного относи тельно нуля нагрузки, соединенной звездой определенное по гладкой составляющей, равно максимальному действующему значению фазного напряжения, измеренного относительно средней точки источника питания . Следовательно, напряжение, действующее между средней точкой источника питания и нулем нагрузки, не содержит основной гармоники. Между ними действуют только высшие гармоники, создаваемые разностью мгновенных значений этих напряжений.

Для регулирования напряжения на выходе АИН необходимо регулировать амплитуду управляющего (модулирующего напряжения) .

Глубина регулирования определяется коэффициентом модуляции

46

Рисунок 32 – Диаграммы напряжений в трехфазном АИН с симметричным источником питания при ШИР (а) и ШИМ (б)

Коэффициент модуляции — это отношение амплитуды фазного напряжения при данном управляющем напряжении к максимальной амплитуде фазного напряжения. За максимальную амплитуду принята амплитуда прямоугольного напряжения при отсутствии ШИМ равная Ud/2. При таком подходе казалось бы всегда должно выполняться условие . Однако это не так. Можно и дальше увеличивать амплитуду управляющего напряжения. При этом модуляция будет прекращаться в центральной части прямоугольного выходного напряжения, что приводит к появлению низкочастотных гармоник (пятая, седьмая и т.д.), для борьбы с которыми требуются фильтры больших габаритов, но одновременно происходит снижение коммутационных потерь в транзисторах и рост первой гармоники выходного напряжения. При этом ее максимальное значение в

синусоидальная ШИМ, а при > 1 ШИМ перестает быть синусоидальной. Что выбрать, должен решать инженер. Это задача оптимального выбора.

Все приведенные выше максимальные значения соответствуют только синусоидальной ШИМ.

На рис. 33 приведена схема управления, позволяющая реализовать

максимальных управляющих напряжений фаз ФУН А, ФУН В, ФУН С. В множительных устройствах МУ47мгновенные значения

максимальных управляющих напряжений фаз умножаются на заданный коэффициент модуляции цз и на входах компараторов К сравниваются с опорным напряжением, подаваемым от генератора опорного напряжения ГОН.

Рисунок 33 – Функциональная схема системы управления, формирующей напряжения на выводах по отношению к средней точке

источника питания

Импульсы, сформированные на выходе компараторов, подаются на усилители мощности (не показанные на рисунке), а с усилителей мощности на верхние транзисторы (нечетные транзисторы) стоек АИН. Нижние транзисторы, работающие в противофазе, получают управляющие импульсы через инверторы И и соответствующие усилители мощности.

Формирование фазных напряжений с помощью пространственного вектора

Трехфазный АИН с ШИМ должен формировать мгновенные значения напряжений (средние за период несущей частоты) на трех фазах. Переключение каждого вентиля изменяет напряжения на всех фазах. Это осложняет разработку алгоритма управления вентилями. Управление упрощается, если формировать не фазные напряжения (векторы фазных напряжений), а перейти к формированию пространственного (не временного вектора), введенного в теории электрических машин. Согласно этой теории три симметричных фазных напряжения при отсутствии нулевого провода могут быть представлены одним пространственным вектором (space vector), однозначно определяющим эти напряжения. В литературе этот вектор называют также обобщенным вектором, результирующим вектором, коммутирующим вектором. Пространственный вектор U расположен в плоскости48перпендикулярной оси вращения

ротора.

Вектор, расположенный на плоскости, имеет две координаты. В полярной системе — это модуль и угол , отсчитываемый против часовой стрелки от полярной оси до направления вектора. В прямоугольной системе координат вектор выражается через проекции на вещественную ось и мнимую ось .

Вещественную ось обычно совмещают с осью фазы «А». Тогда для фазы «А» угол = 0. Для произвольного угла за период несущей частоты вектор запишется так

=U = .

Если известны мгновенные значения фазных напряжений , то пространственный вектор находится геометрическим суммированием мгновенных значений, направленных по осям фазных обмоток (сдвинутых на 120 град.), с последующим умножением на 2/3.

,

где a - оператор поворота на 120 град.

a = -0,5 + j = exp=120°.

Проекции вектора на фазные оси дают мгновенные значения фазных напряжений.

Это справедливо, если в трехфазной системе отсутствует нулевой провод и обеспечивается равенство нулю суммы мгновенных значений фазных напряжений

= 0.

Последовательный переход от одного базового вектора к другому соответствует ступенчатой форме фазных напряжений (см. рис. 34). Для получения формы фазных напряжений, близкой к синусоидальной, нужно, чтобы пространственный вектор напряжения двигался, если и не абсолютно плавно, то хотя бы малыми скачками, занимая положения и между базовыми векторами. Этого можно добиться, если внутри каждого периода широтно-импульсной модуляции использовать не один исходный базовый вектор, а линейную комбинацию исходного и следующего за ним ненулевого базового вектора, а также один из нулевых векторов. Пусть требуемый вектор расположен в секторе 2 (см. рис. 34). Тогда переключения осуществляются между векторами , и нулевым вектором , т.е. между замкнутыми состояниями ключей инвертора 1—

2—3, 2—3—4 и 2—4—6 (см. табл. 1)

49

Рисунок 34 – Базовые пространственные вектора

Задача управления инвертором формируется следующим образом: задано требуемое в данный момент времени положение пространственного вектора напряжения , т.е. его модель и угол поворота . Требуется найти весовые коэффициенты , , определяющие относительные продолжительности включения комбинации ключей инвертора, соответствующих используемым базовым векторам, т.е. относительные время включения ключей 1-2-3, 2-3-4 и 2-4-6 соответственно для случая работы инвертора во втором секторе. Данная задача решена в работе. Для второго сектора пространственный вектор напряжения может быть описан следующими уравнениями:

= + + 0;

+ =1

Здесь , , - относительные продолжительности включения комбинации ключей 1-2-3, 2-3-4 и 2-4-6, которые соответствуют базовым векторам .

Относительные продолжительности , , находятся следующим образом:

выполнение равенства означает, что сумма промежутков времени должна равняться периоду ШИМ. В дополнение приведенным уравнениям вводятся ограничения, указывающие на то, что относительные продолжительности включения не могут быть отрицательными:

0 1; 0 1; 0 1. 50