Силовая схема трехфазного инвертора напряжения

Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее простой схемы трехфазного транзисторного инвертора напряжения, схема которого приведена на рисунке 19. Трехфазный инвертор напряжения можно представить состоящим из трех однофазных одноплечевых инверторов, присоединенных параллельно к одному источ­нику питания [4].

Полностью управляемые вентили (VT1-VT6) называются группой вентилей прямого тока, а неуправляемые вентили (VD1-VD6) называются группой вентилей обратного тока. Нагрузка такого инвертора включается либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора вызывает изменение напряжения на всех фазах. Это обстоятельство сильно ус­ложняет анализ электромагнитных процессов, В настоящее время известно большое число различных способов управления силовыми транзисторами инвертора.

Рисунок 19. Транзисторный трехфазный инвертор напряжения

Напомним, что транзисторы являются полностью управляемыми полупроводниковыми элементами. Открываются они при подаче на них импульса управления, закрываются - при снятии с них импульса управления. С учетом этого, при наличии временных диаграмм импульсов управления не составляет особого труда проследить цепи, по которым протекает ток от положительного полюса источника питания к отрицательному полюсу его.

Трехфазные инверторы напряжения могут работать как с неизменной длительностью сигналов управления, подаваемых на транзисторы силовой схемы, так и с переменной (регулируемой) длительностью этих сигналов. В этом случае, так же, как и в случае однофазных инверторов, возможно применение широтных и широтно - импульсных способов управления.

В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразде­ляются на два класса: инверторы с постоянной структурой силовой цепи и с переменной структурой силовой цепи [6]. В схемах первого класса управляющие сигналы подаются всегда на три силовых транзистора, что обуславливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах второго класса число транзисто­ров, на которые подаются управляющие сигналы, может быть мень­ше трех. Простейшим способом управления транзисторными ключами VТ1 — VТ6 инвертора (рисунок 19), обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи, является способ с λ_и.у = 180°, представлен­ный на рисунке 20. Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения (в течение пе­риода повторяемости Т_пвт)включены три транзистора. Последователь­ность управления следующая: 123, 234, 345, 456, 561, 612.

Определим действующее значение выходного напряжения фазы инвертора напряжения при λ_и.у = 180°. Как видно из рисунка 20 фазное напряжение в этом случае имеет двухступенчатую форму кривой. Амплитуда степеней равна 1/3U_п и 2/3U_п. Длительность каждой ступени равна 2π/3.

(49)

Проинтегрировав полученное выражение, окончательно получим

(50)

Форма кривой линейного напряжения представляет собой прямоугольный импульс длительностью равной (2/3)π на интервале каждого из полупериодов. Амплитуда этих импульсов равна напряжению источника питания, U_П. Действующее значение этого напряжения равно

(51)

Форма напряжения нагрузки при таком алгоритме управления постоянна и не зависит от коэффициента мощности нагрузки.

Простейшими способами управления транзисторами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы с λ_и.у = 120°, λ_и.у = 150°. Последовательность управления транзисторами при

λ_и.у = 120° следующая: 12, 23, 34, 45, 56, 61. При λ_и.у =150° транзи­сторы переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234, 34, 345,45,456, 56, 561, 61, 612.

На рисунке 21 приведены следующие временные диаграммы инвертора напряжения при длительности импульсов управления λ_и.у.=120⁰:

а, б, в, г, д, е – импульсы управления транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, соответственно;

ж- кривая напряжения фазы а (u_а) и кривая тока фазы а (i_a) инвертора, соответственно;

з- кривая напряжения фазы в инвертора;

и- кривая линейного напряжения u_ав.

При λ_и.у = 120° и активном характере нагрузки форма кривой фазного напряжения имеет одноступенчатый импульс на интервале каждого полупериода, амплитуда которого равна (1/2)U_п. Действующее значение фазного напряжения в этом случае равно

(52)

Действующее значение напряжения в этом случае равно

(53)

Сравнивая значения фазных напряжений при длительности импульса

λ_и.у = 180° и λ_и.у = 120°, можно видеть что фазное напряжение при λ_и.у = 180° больше в 1,15 раза.

Рисунок 20. Временные диаграммы, поясняющие управление трехфазного инвертора напряжения с постоянной и равной 180⁰ длительностью импульсов управления (λ_и.у.=180⁰).

Рисунок 21. Временные диаграммы, поясняющие управление трехфазного инвертора напряжения с постоянной и равной 120⁰ длительностью импульсов управления (λ_и.у.=120⁰)

Рисунок 22. Временные диаграммы основных гармоник фазных токов, напряжений и мощности инвертора напряжения

При этих способах управления в схеме выходного каскада образу­ются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста, обладающие односторонней проводимостью. Структура выходной цепи такого инвертора будет зависеть от направления тока в этих ветвях. В свою очередь момент изменения тока в той или иной ветви схемы зависит от характера нагрузки. Поэтому форма выходного напряжения при λ_и.у = 120° и λ_и.у = 150° также зависит от характера нагрузки. При λ_и.у = 120° структура силовой цепи остается неизменной, если cosφ_нг≤0,72. Форма напряжения на нагрузке в этом случае ана­логична форме с λ_и.у = 180° (рисунок 20).

Общим недостатком этих способов является необходимость при­менения управляемого выпрямителя (или широтно - импульсного преобразователя постоянного напряжения) во входной цепи инвертора для регулирования напряжения на выходе инвертора.

Рассмотрим подробнее особенности работы инвертора напряжения с λ_и.у = 120° (рисунок 21) [2].

Анализ взаимного рас­положения первых гармоник напряжения и тока в фазе нагрузки u_A1, i_A1, нанесенных на рисунке 22, по­казывает, что в течение ин­тервалов π-φ, когда u_A1, и i_A1 имеют соглас­ное направление, протека­ние тока i_A1 осуществляет­ся через группу управляе­мых вентилей прямого тока. В течение интервалов φ, когда u_A1, и i_A1 направлены встречно, фазный ток i_A1 замыкается через груп­пу диодов обратного тока и встречно по отношению к по­лярности напряжения источника питания U_d2. Аналогично, на основании кривой колебания мгновенной мощности фазы А P_A1=u_A1i_A1можно установить, что поло­жительным значениям P_A1 соответствует потребление энергии от источника через вентили прямого тока и накопление ее в электромагнитном поле индуктивности нагрузки. Отрицательный зна­чениям соответствует возврат накопленной энергии через группу вентилей обратного тока в источник. В совокупности такой не­прерывно повторяющийся процесс определяет сущность обмена реактивной энергией между нагрузкой и питающими источниками постоянного тока и особенность такого процесса передачи реактивной энергии от традицион­ного разложения кажущейся мощности на активную и реактивную по гео­метрическим составляющим активного и реактивного тока. При активной нагрузке инвертора форма кривой выходного напряже­ния становится прямоугольной, а ток через вентили груп­пы обратного тока не протекает, что связано с отсутствием запаса реактивной энергии в фазах нагрузки.

Изменение формы фазного напряжения при переходе от индуктивной к активной нагрузке в таком инверторе напряжения сопровождается
уменьшением действующего значения фазного напряжения на 13,5%, однако гармонический состав фазного напряжения остается неизменным. Такой режим будет ха­рактеризоваться постоянством мгновенной мощности, передаваемой в на­грузкуи уравновешенностью основно­го питающего источника P_d1=const, i_d1=const.

При работе инвертора в режиме 0,720≤cosφ_нг≤0,892 имеют мес­то промежуточные формы токов и напряжений в ветвях схемы. Так, в частности, ток, протекающий через диоды обратного тока становится прерывистым, спадающим до нуля в те­чение каждого такта между коммутациями управляемых вентилей (транзисторов). На рисунке 23 показана зависимость относительной продолжительности интер­вала работы диодов обратного тока на каждом такте Ψ^'=Ψ/θ от коэффициента мощности на­грузки, наглядно иллюстрирую­щая указанный диапазон переход­ных форм кривой выходного на­пряжения при параллельном со­единении элементов активно-ин­дуктивной нагрузки в конкрет­ной схеме трехфазного мостово­го инвертора.

При cosφ_нг≥0,892 диодная группа обратного тока в работе не участвует, т.к. вследствие несинусоидальности выходного напряжения и тока энергия, запасаемая в индук­тивных сопротивлениях нагрузки, рассеивается в параллельных активных сопротивлениях. Форма кривой выходного напряжения в этом режиме та­кая же, как при активной нагрузке.

При cosφ_нг=0 входной ток i_d равен разности то­ков вентильных групп прямого и обратного тока i_d = i_d1- i_d2. При этом режиме работы инвертора входной ток i_d будет двухполярным пульсирующим током с нулевой постоянной составляющей [2].

Рисунок 23. Зависимость длительности работы вентилей обратного тока от коэффициента мощности нагрузки

Следо­вательно, при пренебрежении потерями мощности в инверторе, средняя мощность, потребляемая от источника, равна средней мощности нагрузки и равна нулю:

Характерным свойством инвертора напряжения является его работо­способность при нагрузке активно-емкостного характера и при отрица­тельных значениях активных сопротивления в фазах нагрузки r_A=r_B=r_C<0, т.е. в генераторном режиме нагрузки. При емкостном характере нагрузки изменяется очередность работы диодов обратного тока по отношению к управляемым вентилям. При генераторной нагрузке, напри­мер при рекуперативном торможении асинхронного двигателя, группа управляемых вентилей проводит фазный ток в течение относительно ко­ротких интервалов времени π-φ_нг, так как φ_нг> π/2.. Эти вентили совместно с диодами обратного тока обеспечивают протекание через статорную обмотку машины реактивного намагничивающего тока. Рекуперируе­мая с вала машины активная мощность передается в цепь питающих источников через диоды обратного тока [2].

Используя временные диаграммы, приведенные на рисунке 22, можно вывести выражения для определения средних значений токов, потребляемого группой вентилей прямого тока, I_d1, и возвращаемого группой вентилей обратного тока в источник, I_d2:

(54) (55) где I_л1- действующее значение первой гармоники линейного тока нагрузки.

Результирующий ток, потребляемый инвертором от источника питания, I_d,:

(56)

Сравнительная оценка загрузки элементов трехфазного инвертора напряжения при λ_и.у = 180° и λ_и.у = 120°.

При проектировании инверторов необходимо знать соотношения между действующими значениями первых гармоник напряжения и тока нагрузки, а также тока и напряжения источника питания и связь их с максимальными значениями напряжения и тока транзисторов, поскольку транзисторы выбираются по максимально допустимым значениям тока и напряжения на коллекторе. Такие соотношения для трехфазного мостового инвертора напряжения при двух способах управления (λ_и.у = 180° и λ_и.у = 120°)и двух схемах соединения нагрузки (треугольником (Δ) или звездой (Υ)) приведены в таблице2.

Условные обозначения параметров, принятые в таблице 2: U_m- амплитуда прямоугольно- ступенчатого фазного напряжения на нагрузки;

I_m- амплитуда прямоугольно- ступенчатого фазного тока активной нагрузки;

U_п- напряжение источника питания инвертора;

U_1ф, I_1ф- действующие значения первых гармоник фазных напряжения и тока нагрузки, соответственно;

Р₁-действующее значение мощности (по первой гармонике) на выходе инвертора при чисто активной нагрузке и полном использовании транзисторов;

P_к=U_{к max}I_{к max}- предельная мощность переключения транзистора;

k_p= Р₁/(nP_к)- коэффициент использования инвертора по первой гармонике;

n-число установленных транзисторов.

Отметим, что соотношения для токов, приведенные в таблице 2, справедливы лишь при чисто активной нагрузке (cosφ_нг=1). Форма тока нагрузки при cosφ_нг=1 совпадает с формой напряжения нагрузки. Разложение тока в ряд Фурье в этом случае представляется теми же формулами, что и разложение напряжения. Поскольку действующие значения фазных напряжений и токов для разных схем инверторов и способов управления ими отличаются друг от друга, то важно оценить различаются ли при этом выходные мощности инверторов

(по первой гармонике). Такую оценку проще провести для случая чисто активной нагрузки. Оказывается, что действующее значение выходной мощности трехфазного инвертора (по первой гармонике) при чисто активной нагрузке не зависит от способа управления (Р₁/Р_п=0,915).

Соотношения расчетных параметров инвертора напряжения

Таблица 2

При активно – индуктивном характере нагрузки выходная мощность и коэффициент использования инвертора по первой гармонике будут меньше, так как форма тока будет не прямоугольно – ступенчатой, а ближе к треугольной и максимальное значение тока через транзистор будет больше при одинаковой величине первой гармонике тока нагрузки [8],[9].Приведем соотношения, по которым можно рассчитать максимальное значение коллекторного тока транзистора при λ_и.у = 180° и двух способах соединения нагрузки [9]:

- нагрузка соединена в треугольник

при 0,53≤ cosθ_нг≤1

(57)

При 0,53≥cosθ_нг≥0

(58)

При cosθ_нгн=0,53 формулы дают одинаковый результат.

При соединении нагрузки в звезду максимальные значения коллекторного тока транзисторов для инвертора напряжения с λ_и.у = 180°

при 0,53≤ cosθ_нг≤1

(59)

При 0,53≥cosθ_нг≥0

(60)

где а=е^-1/(6fT);

f- частота выходного напряжения инвертора;

Т=L_нг/R_нг- постоянная времени нагрузки.

(61)

где θ_нг представляет собой некоторый фиктивный угол.

При fT_нг<0,05 соsθ_нг=соsφ_нг.

Вопросы для самопроверки:

1. Сформулируйте назначение обратных диодов в трехфазном инверторе напряжения.

2. В чем заключается основное отличие между двумя режимами работы инвертора: а)-при λ_и.у.=180⁰ и б)- при λ_и.у.=120⁰.

3. При каком значении коэффициента мощности нагрузки форма кривой выходного напряжения при λ_и.у.=180⁰ и при λ_и.у.=120⁰ одинакова.