2 Автономные инверторы напряжения

2.1 Принцип работы трехфазного автономного инвертора напряжения

Для питания трехфазных потребителей переменного тока, например, асинхронных двигателей, могут быть использованы автономные инверторы, построенные по тем же схемам, какие применяются для преобразователей постоянного тока. Инвертирование, т.е. преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение необходимой частоты, осуществляется переключением в определенной последовательности и с заданной частотой ключей (тиристоров, транзисторов) в плечах моста. Форма выходного напряжения зависит от характера нагрузки и, прежде всего, от закона переключения ключей, т.е. закона коммутации.

Наибольшее распространение для инверторов получила трехфазная мостовая схема (рис. 2.1). На схеме вентили VT1 -VT6 представляют собой полностью управляемые полупроводниковые вентили (запираемые тиристоры, транзисторы), которые обладают способностью открываться и закрываться под воздействием управляющего сигнала. Практически таким элементом является транзистор, работающий в ключевом режиме, а также тиристор в совокупности с устройством искусственной коммутации. Современные АИН выполняются на основе запираемых тиристоров GTO либо биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

Пусть инвертор работает на активную нагрузку. Порядковые номера на рисунке 2.1 и диаграммах рисунка 2.2 соответствуют очередности открытого состояния вентилей. Переключения вентилей в схеме происходят каждую 1/6 периода выходной частоты. При этом возможны два режима работы схемы:

- каждый вентиль открыт в течение 1/2 периода выходной частоты, т.е. угол проводимости θ =180°;

- вентиль открыт в течение 1/3 периода выходной частоты, т.е. θ =120°.

В первом случае, в каждый момент времени одновременно проводят ток 3 ключа (например, VT1, VT2, VT3; = + ), а во второй - два ключа. В каждый момент времени необходимо оценивать величину и направление токов в нагрузке (i_C = i_A + i_B; i_C = 2i_A =2 i_B ). Линейные напряжения могут быть определены в соответствии с уравнениями:

= - ; = - ; = - .

Диаграммы напряжений инвертора на выходе инвертора дли первого и второго режимов приведены на рис. 2.2, а) и б). В обоих случаях на нагрузке формируется симметричная трехфазная система напряжений прямоугольно-ступенчатой формы, первые гармоники которых имеют взаимный фазовый сдвиг в 120°.

Разлагая в ряд Фурье кривые фазных напряжений при θ =180° и линейных напряжений при θ=120° получаем следующее выражение:

, (2.1)

где = Е - амплитуда напряжения прямоугольно-ступенчатой формы.

Аналогично для кривых линейного напряжения при θ = 180° и фазного напряжения при θ = 120° имеем

. (2.2)

Рисунок 2.1 - Схема трехфазного автономного инвертора напряжения

Чаще всего применяется способ управления с продолжительностью замыкания ключей θ -180°. В этом случае в течение 1/6 периода выходного напряжения (60° - ной зоне) включены 3 ключа. Фазное напряжение при соединении нагрузки в звезду с изолированной нулевой точкой непрерывных токах нагрузки, в соответствии с (2.2) с учетом первой гармоники фазного напряжения может быть записано:

. (2.3)

Рисунок 2.2 - Диаграммы напряжений трехфазного автономного инвертора

Амплитуда гармоник фазных напряжений в раз меньше линейных. При учёте только первой гармоники тока средний ток через ключ (транзистор) найдется по соотношению:

. (2.4)

Средний ток, потребляемый инвертором

. (2.5)

Токи, коммутируемые ключами, находятся при φ=π [10].

, (2.6)

где σ - коэффициент рассеяния АД.

При работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку, например, асинхронный двигатель, должен обеспечиваться обмен реактивной энергией между двигателем и звеном постоянного тока. Для этой цели в схеме используются конденсатор С₀ и обратные диоды VD1 - VD6, включенные параллельно основным ключам VT1 - VT6. Через эти диоды протекает ток в момент возврата реактивной энергии от двигателя в емкость С₀. Ток в цели на участке между инвертором и емкостью С₀ при низких нагрузки может менять направление, следовательно, форма напряжения на выходе АИН определяется порядком подключения ключей VT1 -VT6. Фильтр обеспечивает сглаживание пульсаций напряжения на выходе выпрямителя В1.

Регулирование амплитуды выходного напряжения осуществляется управляемым выпрямителем на входе АИН, а частоты - переключением ключей. Такие АИН называют АИН с амплитудной модуляцией.