Способы формирования напряжения трехфазных АИН

Трехфазные АИН выполняются по мостовой схеме (рис.23.б), 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 включена звездой (можно треугольником). В качестве вентилей могут быть использованы одно- двухоперационные тиристоры или транзисторы.(рис.2.17.)

При рассмотрении процессов формирования кривой выходного напряжения все вентили считаются идеальными ключами. Трехфазные инверторы допускают те же способы формирования кривой выходного напряжения, что и однофазные. Рассмотрим наиболее распространенные способы.

Формирование и регулирование выходного напряжения инвертора при неизменной длительности проводимости тиристоров ψ =180⁰

Трехфазный автономный инвертор состоит из трех однофазных одноплечевых инверторов, присоединенных параллельно к одному источнику питания.

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. Данному способу формирования кривой выходного напряжения инвертора отвечает алгоритм переключения тиристоров приведенный на рис.2.2. Каждый тиристор проводит ток в течение ψ =180⁰. Последовательность вступления тиристоров в работу соответствует порядку следования их номеров при относительном фазовом сдвиге в 60⁰. Тиристоры относящиеся к одной фазе (Т₁ и Т₄ фазы А), не могут быть открыты одновременно. При рассматриваемом алгоритме переключение исключается также одновременное закрытое состояние тиристоров одной фазы.

Рис. 2.17. Схема 3-х фазного АИ при ψ=180⁰

В любой момент времени одновременно проводят три тиристора, два из которых относятся к какой-либо одной (катодной или анодной) группе, а один – к другой группе, т.е. 123, 234, 345, 456, 561, 612, и т.д. Для определения напряжения в фазах нагрузки покажем состояние схемы инвертора в различных интервалах времени

Рис.2.18.а Состояние схемы 3-фазного АИН для разных интервалов времени

Кривые линейных и фазных напряжений на нагрузке показаны на рис. 2.19. Кривая линейного напряжения состоит из импульсов с амплитудой Е чередующейся полярности длительностью в 120⁰, разделенных паузой в 60⁰. Напряжения U_ав, U_св, U_ас, сдвинуты по фазе на угол 120⁰. Импульсы напряжения с амплитудой Е положительной или отрицательной полярности создаются при проводимости накрест лежащих тиристоров двух фаз, определяющих рассматриваемое линейное напряжение.

Рис. 2.19. Формирование кривой выходного напряжения при ψ=180⁰

Например, в кривой U_ав, импульсы напряжения положительной полярности получаются при открытых тиристорах Т₃, Т₄, а импульсы отрицательной полярности – при открытых тиристорах Т₁, Т₆. Интервалам паузы в кривых линейных напряжений соответствуют открытые состояния тиристоров общей группы (катодной или анодной) двух фаз, формирующих линейное напряжение. Интервалы паузы в кривой U_ав, характеризуются одновременными открытыми тиристорами Т₁, Т₃, или Т₄,Т₆. Фазные напряжения U_а0, U_в0, U_с0, имеют вид ступенчатой кривой со значениями напряжения 1/3E и 2/3E. Это определяется тем, что в любой момент времени одновременно проводят ток три тиристора инвертора, подключающие нагрузки в фазах Z_a, Z_в, Z_с на напряжение источника питания Е. При этом, две из них включаются параллельно между собой и последовательно с третьей. В связи с этим, при условии равенства сопротивлений нагрузки в фазах напряжение фаз, которые включены параллельно, равны 2/3E. Фазные напряжения имеют так же взаимный фазовый сдвиг на 120⁰. 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. Низшими гармоническими являются 5-я и 7-я. Регулирование выходного напряжения инвертора при рассмотренной форме кривой производятся по цепи питания, например применением на входе инвертора управляемого выпрямителя или импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Широтно-импульсный способ формирования и регулирования
выходного напряжения інвертора

Принцип формирования кривой выходного напряжения трехфазных АИН при ШИР подобен однофазным АИН. В кривой линейного напряжения вместо одного импульса длительностью 2π/3 (рис.2.20.) при ψ =180⁰ необходимо получить несколько импульсов (например, два) длительностью α, регулируемой от 0 до π/3, с паузой между ними β=π/3-α.

Рис.2.20. ШИР выходного напряжения 3-фазного инвертора.

Задача решается путем проведения в инверторе по окончании интервалов α дополнительных переключений так, чтобы на интервале β одновременно были открыты три тиристора, относящиеся к одной (катодной или анодной) группе. При этом проводящие тиристоры и шунтирующие их диоды на интервалах β создают короткозамкнутую связь всех трех фаз нагрузки на шине «+» или «-» источника питания, что обеспечивает равное нулю напряжение на нагрузке. Фазные токи активно-индуктивной нагрузки на интервалах β замыкаются между фазами в образовавшейся короткозамкнутой цепи. В связи с этим последовательность переключения тиристоров в инверторе с ШИМ при формировании кривой напряжения, должна быть: 123, 135,234, 246, 345, 135,456, 246, 561, 135, 612. и т.д. Рассмотрим принцип формирования и регулирования напряжения, обеспечиваемый режимом управления тиристорами (мал. 2.20.). На протяжении периода каждый тиристор находится в проводящем состоянии в течение трех интервалов длительностью 60⁰ + α, 60⁰, β. При этом открытому состоянию тиристора одной фазы отвечает закрытое состояние другого тиристора этой же фазы. Дополнительное переключение необходимо для осуществления одновременной проводимости трех тиристоров, относящихся к общей группе, т.е. для создания в кривой выходного напряжения интервалов паузы β. Так, на интервале от 60⁰ – β до 60⁰ открыты тиристоры Т₁, Т₃, Т₅, на интервале от 120⁰до 120⁰ – тиристоры Т₂, Т₄, Т₆, на интервале от 180⁰ – β до 180⁰ – тиристоры Т₁, Т₃, Т₅ и т. д. На интервалах α формирование импульсов в кривых линейного и фазного напряжений инвертора происходит так же, как и при алгоритме переключения тиристоров в соответствии с рис. В результате кривая линейного напряжения содержит четыре импульса на протяжении периода (К_л.н. = 4) с амплитудой Е, а кривая фазного напряжения – шесть импульсов (К_ф.н.=6) с амплитудой, равной 1/3 E и 2/3E.Трехфазные АИН допускают ШИР и при большем числе импульсов в кривых линейного и фазного напряжений. Поскольку в кривой фазного напряжения на интервале в 60⁰ в общем случае может быть целое число импульсов:

К_ф.н.60⁰ = 1, 2, 3, 4, 5, ….,

то число импульсов в этой кривой на протяжении периода

К_ф.н = 6, 12, 18, 24, 30, …,

и соответственно число импульсов в кривой линейного напряжения на протяжении периода

К_л.н =2/3К_ф.н = 4, 8, 12, 16, 20,..

Алгоритмы переключения тиристоров при К_л.н >2 выполняются по аналогии с рассмотренным режимом управления. Необходимость увеличения числа импульсов в кривой выходного напряжения инвертора обусловливается стремлением улучшить его гармонический состав при регулировании. Такой способ управления называется алгоритмом одиночного переключения (АОП).

Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе инвертора на частоте повторения и АОП осуществляется изменением относительной продолжительности включения нагрузки в цепь источника питания. Имеется и другая возможность ШИР на основной частоте, когда в паузе между импульсами запираются два силовых транзистора одной группы (алгоритм группового переключения АГП). Здесь при отпертых VT1, VT4, VT6 для создания паузы в напряжении на нагрузке запираютсяVT4 и VT6 и отпираются VT3, VT5.

При ШИР на частоте повторения гармонический состав выходного напряжения резко ухудшается в области малых напряжений и частот. Для исключения этого нежелательного явления, используется широтно-импульсное регулирование на несущей частоте.

Рис.2.22. Схема трехфазного АИН на транзистора

4.3 Автономный параллельный инвертор тока.

Схема однофазного мостового АИТ приведена на рис.2.23. В нее входит инверторный мост на тиристорах Т₁-Т₄, в диагональ которого включена активно-индуктивная нагрузка, а параллельно ей - конденсатор С. В цепи постоянного тока расположен дроссель L_d с достаточно большой индуктивностью. Кривая выходного напряжения u_н =u_с формируется путем периодического перезаряда конденсатора С в цепи с источником питания Е и дросселем L_d при поочередном отпирании накрест лежащих тиристоров инвертора. Конденсатор С, характер изменения напряжения во времени которого определяет u_н, осуществляет запирание проводившей пары тиристоров при отпирании другой пары. На рис.2.23.(а-и) показаны временные диаграммы для установившегося режима. Предположим, что до момента υ₁=ωt₁ (где ω - выходная частота инвертора) проводят ток тиристоры Т₁ и Т₂ (рис.2.23.а). При этом напряжение на конденсаторе имеет полярность, показанную на схеме без скобок. В момент времени υ₁ подачей управляющих импульсов отпираются тиристоры Т₃, Т₄, в результате чего конденсатор С подключается параллельно тиристорам Т₁ и Т_2. Под действием встречного тока конденсатора токи тиристоров Т₁ и Т₂ быстро спадают до нуля, к тиристорам прикладывается обратное напряжение, определяемое напряжением конденсатора С (2.23. з), и они переводятся в непроводящее состояние. Длительность действия обратного напряжения на тиристорах характеризуется интервалом, в течении которого напряжение отрицательной полярности на конденсаторе уменьшается до нуля в процессе его перезаряда в цепи с источником питания, дросселем L_d и открытыми тиристорами Т₃, Т₄, (рис.2.23.а). Этот интервал определяется углом Q=ωt_п.в.. Аналогично осуществляется запирание тиристоров Т₃, Т₄, при отпирании тиристоров Т₁, Т₂,. Кривая переменного напряжения на нагрузке (рис.в) состоит из участков, соответствующих каждому такту перезаряда конденсатора. Ток i_d (рис.4.23.г), потребляемый от источника питания, благодаря большой индуктивности дросселя достаточно хорошо сглажен и имеет малые пульсации. Этот ток, протекающий через пары накрест лежащих тиристоров определяет форму анодного тока и форму кривой тока инвертора, равного сумме токов i_н и i_с. (рис.2.23.д). При отпирании каждой пары тиристоров конденсатор подключается отрицательным полюсом к точке а и положительным полюсом к точке б, что определяет характер кривой u_аб, приведенной на рис. и. Кривая напряжения на дросселе равна u_L=L_di/dt. Если пренебречь активным сопротивлением обмотки дросселя, то его напряжение определяется переменной составляющей при равной нулю постоянной составляющей. Из этого следует, что постоянная составляющая напряжения u_аб равна Е. Это означает, что среднее значение напряжения на конденсаторе (нагрузке) в течение полупериода также равно Е. В виду того, что имеется три накопителя энергии (L_н, L_d, С) теоретический анализ инвертора приводит к громоздким вычислениям, поэтому при анализе используется приближенный метод основной гармоники. Этот метод состоит в замене кривых напряжения нагрузки и тока инвертора их первыми (основными) гармониками. Погрешность от такого упрощения не превышает 10%-15%. В АИТ индуктивность входного дросселя, как правило, высоко. При использовании метода основной гармоники индуктивность принимаем равной бесконечности. Это значит, ток i_d получается идеально сглаженным, а кривые токов тиристора и инвертора (.рис.223.д-е) имеют прямоугольную форму. Кривые напряжения на нагрузке и ток инвертора приведены на рис. 2.24. Первая гармоника равна ωt, где - действующее значение первой гармоники тока инвертора, I_d – ток входной цепи.

Таким образом, приняв напряжение и ток синусоидальными, анализ инвертора можно проводить по схеме замещения для первой гармоники (рис.2.24.б) используя векторную диаграмму (рис.2.24.в). Вектор напряжения направляют по вертикальной оси. Вектор тока активно-индуктивной нагрузки отстает от вектора на угол . Вектор тока опережает вектор напряжения на 90⁰. Следовательно, вектор тока , равный сумме , опережает вектор напряжения на угол Q. Векторная диаграмма показывает, что вектор имеет опережающий характер, что является обязательным для АИТ, так как угол Q определяет время, предоставляемое тиристорам для восстановления запирающих свойств

, где Т- период, f- выходная частота инвертора

Рис.2.23. Схема АІС

Рис.2.24. а,б,

Угол не может быть меньше величины Q_min, который соответствует минимально допустимое значение t_в.п., равное времени выключения (восстановления запирающих свойств) используемых тиристоров.

Q_min = 360⁰ f t_в.

Для АИТ наибольший интерес представляет зависимость его выходного напряжения от тока нагрузки (выходная характеристика). Она определяется из анализа векторной диаграммы (рис. 2.24). Определим проекции вектора тока на вертикальную и горизонтальную оси.

Смысл полученных выражений будет более ясен, если обе части соотношений умножить на U_н. Первое будет характеризовать баланс в схеме активной энергии, а второе – реактивной энергии. Активная энергия, отдаваемая инвертором, потребляется нагрузкой, а реактивная – потребляемая инвертором, равна разности мощностей генерируемой конденсатором и потребляемой нагрузкой. Для дальнейшего анализа введем коэффициент В=I_н/I_с – коэффициент нагрузки. Используя уравнение баланса активной мощности в инверторе, согласно которому в отсутствии потерь вся энергия, потребляемая от источника питания, отдается в нагрузку

EI_d = U_нI_и(1)cosQ

Выразив I_и(1) через I_d придем к выражению

,

которое является частным случаем важнейшего соотношения для АИТ

, где а_и – коэффициент, определяемый схемой инвертора.

Это выражение позволяет выявить очень важную зависимость для автономных инверторов тока.

U_и = U_нcosQ, где U_и=E/a_и – расчетное напряжение инвертора, зависящее только от напряжения питания Е и схемы инвертора.

Указать напряжение U_и непосредственно на схеме нельзя, но им удобно пользоваться на векторных диаграммах (рис.2.25.).

Рис.2.25. Векторные диаграммы АИТ.

Из выражения (U_и) следует, что вектор напряжения совпадает по направлению вектором тока геометрическое место конца вектора, например при изменении параметров нагрузки и стабилизации напряжения путем регулирования напряжения Е, будет окружность, построенная на векторе как на диаметре. Выражение, описывающее выходные характеристики имеет вид:

Графическое изображение отражает зависимость относительного напряжения на нагрузке от коэффициента нагрузки В и характеризуется семейством характеристик рис.2.26 при фиксированных значениях cosφ.

Рис. 2.26. Зависимость относительного напряжения нагрузки от коэффициента

нагрузки.

На рис.2.27. показаны кривые напряжения на конденсаторе (нагрузке) и на тиристоре інвертора для одной из точек средней области выходной характеристики. Вид кривих характеризуется экспоненциальным процессом перезаряда конденсатора с постоянной времени τ=R_нС. Напряжение на конденсаторе в начале и конце каждого полупериода равны по величине и противоположны по знаку, а его среднее значение в течении полупериода равно Е. При переходе в область малых значение коэффициента В (больших сопротивлений и, следовательно малых токов нагрузки) постоянная времени перезаряда конденсатора увеличивается (2.27.б.), что приводит к возрастанию угла θ, стремящегося при В-0 к T/4. Кривая напряжения на конденсаторе приближается к треугольной форме. Равенство среднего за полупериод значения выходного напряжения напряжению Е достигается за счет увеличения амплитуды выходного напряжения. При переходе к режиму холостого хода напряжение на выходе инвертора неограничено возрастает и может превысить допустимые педелы для нормальной работы элементов схемы. Ввиду опасности выхода из строя элементов схемы режим холостого хода в инверторах такого типа неприемлем. При переходе инвертора к режим больших токов нагрузки за счет уменьшения R_н постоянная времени перезаряда конденсатора уменьшается, вызывая уменьшение угла θ. При том же напряжении питания Е уменьшается напряжение на выходе инвертора и приближается к прямоугольной форме. Однако режим а_и/Е*U_н=1 для инвертора невозможно, поскольку угол θ здесь будет равен нулю.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод, что для рассматриваемой схемы инвертора недопустим режим холостого хода и имеется предел увеличения тока нагрузки.

Рис.2.27. Кривые напряжения на емкости и на тиристоре.

Часто применяют схему с трансформаторным включением нагрузки. Схема трехфазного параллельного АИТ (рис.2.28.) выполнена по принципу однофазного. Временные диаграммы такого АИТ приведены на рис.2.28.

Рис.2.28. Схема АИТ с трансформаторным включением.