2.3 Принцип пространственно-векторной модуляции

Асинхронный электропривод, управляемый АИН и ШИМ, как и любой электропривод с частотным управлением, кроме системы управления АИН, содержит систему регулирования, обеспечивающую взаимосвязанное изменение частоты и напряжения на двигателе в статических и динамических режимах и тем самым формирующего требуемые характеристики электропривода. В простейшем случае, система регулирования может состоять из задающего и нелинейного блоков, обеспечивающих связь между частотой и напряжением. Однако такие системы не позволяют обеспечить высокое качество статических и динамических характеристик при широком диапазоне регулирования скорости.

Более совершенные современные системы с векторным управлением основываются на пространственной ориентации вектора напряжения. Для этого необходимо точное позиционирование вектора напряжения, особенно при низких частотах вращения вала ротора.

Достичь этого можно с помощью специальных алгоритмов коммутации силовых ключей, например, ШИМ с синусоидальным распределением длительности импульсов (см. рис. 2.4,а). Однако при таком способе максимальное значение вектора напряжения равно половине напряжения в цепи постоянного тока U_П. Для увеличения максимального значения вектора напряжения, а, следовательно, и КПД системы, АИН-АД, целесообразно использовать пространственно-векторную модуляцию.

Пространственно-векторная модуляция (ПВМ) основана на принципе ШИМ. Представленный на рис. 2.5 типовой АИН служит для создания питающего напряжения двигателя. Анализ этой схемы позволяет сделать вывод, что при трёх одновременно открытых ключах существует восемь возможных комбинаций протекания тока через обмотки двигателя, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2- Комбинации протекания тока через обмотки двигателя

Позиция, комбинация	L1	L2	L3
I	+	-	-
II	+	+	-
III	-	+	-
IV	-	+	+
V	-	-	+
VI	+	-	+
VII	+	+	+
VIII	-	-	-

В табл. 1 знак "+" соответствует закрытому верхнему ключу в данной фазе, а знак "-" соответствует закрытому нижнему ключу. Указанные комбинации замкнутых ключей соответствуют позиции вектора напряжения , который в результате вращается вдоль круговой траектории. Транзисторы или полностью управляемые тиристоры с диодами составляют электронные коммутаторы. В работе фазы инвертора управляются таким образом, что его выходные зажимы соединяются один за другим в соответствии с определенным циклом с положительным и отрицательным зажимами (полюсом) промежуточной цепи (рис. 2.5).

Сигналы управления трех фаз фиксируют с точностью величину выходного напряжения и таким образом величину напряжения питания двигателя. В общем случае различают 8 состояний коммутации (табл. 1), дей­ствие которых на двигатель может быть представлено посредством векторов напряжений (рис. 2.4, б).

В случае комбинации I, потенциалы на зажимах двигателя соответствуют вектору напряжения, ориентированному в направлении оси обмотки фазы А, длиной, пропорциональной напряжению промежуточной цепи постоянного тока.

а)

в)

б)

Рисунок 2.5 – АИН с пространственно-векторной модуляцией:

а) схема АИН; б) векторное представление результирующего напряжения двигателя; в) представление идеального

вектора напряжения при ПВМ

При переходе к комбинации II, вектор смещается на угол 60⁰, изменяя потенциал зажима L₂. Его длина остается неизменной. Комбинации с III по VI порождают таким же образом векторы U₃ по U₆; комбинации VII и VIII производят одинаковый потенциал напряжения на всех зажимах. Векторы U₇ и U₈ имеют нулевую длину (величину).

Мгновенное значение вектора напряжения может быть получено формированием последовательности из соседних комбинаций. Например, для получения мгновенного вектора , который располагается между векторами и , может быть получен вектор

, (2.23)

где Т - период ШИМ-сигнала (Т = t₁ + t₂ + t₀);

t₁ - время действия вектора U₁;

t₂ - время действия вектора U2;

t₀- время, соответствующее нулевым векторам U₇ и U_8.

Максимальное значение вектора напряжения

(2.24)

Угол вектора напряжения регулируется непосредственно изменением отношения между продолжительностями импульсов соседних векторов напряжений и амплитудой этого напряжения, изменяя продолжительность нулевого вектора напряжения.

Благодаря высокой частоте импульсов и отрицательному выбору систем модуляции может быть получена трехфазная система напряжений со слабым уровнем гармоник и минимальными потерями коммутации, т.е. практически идеальная.

Основным недостатком инверторов с ШИМ является сложность системы управления, особенно при использовании тиристоров. Наиболее целесообразно применять такие инверторы для глубокого регулирования частоты вращения двигателя переменного тока, особенно в системах с векторным управлением.