Трехфазный инвертор напряжения – — — specable.ru

78. Трехфазный автономный инвертор.

Автономный инвертор – это преобразователь постоянного тока в однофазный или многофазный переменный ток, частота которого определяется системой управления, а величина и форма выходного напряжения зависит от характера и параметров нагрузки. В отличие от зависимого инвертора, частота которого определяется частотой сети, на выходе автономного инвертора получают переменный ток любой частоты, а напряжение плавно изменяется от нуля до максимально допустимого значения.

Коммутация тока в инверторах при использовании тиристоров производится независимо от процессов во внешних электрических цепях, благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. Автономные инверторы классифицируются в зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки. По характеру обмена энергией между источником питания и нагрузкой автономные инверторы подразделяются на автономные инверторы напряжения (АИН), тока (АИТ) и автономные резонансные инверторы (АИР).

Характерной особенностью автономного инвертора напряжения является то, что он получает питание от источника напряжения, на входе АИН включается конденсатор большой емкости. Вторая особенность АИН заключается в использовании в качестве ключей полностью управляемых вентилей, зашунтированных диодами обратного тока. АИН формирует в нагрузке напряжение прямоугольной формы, а форма тока определяется характером нагрузки. АИН находит большое применение в преобразовательной технике, его иначе называют универсальным модулем преобразования электроэнергии. На его основе выполняются регуляторы переменного напряжения, непосредственные преобразователи частоты, активные фильтры напряжения и тока, компенсаторы реактивной мощности.

Характерными признаками автономного инвертора тока является питание от источника тока. Тогда в цепь источника включается дроссель большой индуктивности. В простейших резонансных инверторах нагрузка, состоящая из последовательно включенного с катушкой индуктивности конденсатора, подключается к источнику с помощью основного тиристора. Затем вспомогательный тиристор коммутирует основной, при этом ток через нагрузку течет в противоположном направлении.

В зависимости от числа коммутаций тока различают инверторы с одно – и двухступенчатой коммутацией. При одноступенчатой коммутации ток нагрузки сразу переходит на вступающий в работу тиристор, при двухступенчатой коммутации нагрузка сначала переключается во вспомогательную цепь, а затем в основную. При использовании однооперационных тиристоров схемы дополняются специальными узлами принудительной коммутации. В автономных инверторах на тиристорах полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую выполняется в несколько этапов. Сначала происходит уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, затем задержка приложения прямого напряжения на нем до полного восстановления запирающей способности и далее нарастание прямого тока во втором тиристоре.

Как и выпрямители, автономные инверторы в зависимости от числа фаз подразделяют на однофазные и многофазные. В настоящее время в системе электроснабжения железных дорог переменного тока и метрополитенов используется асинхронный тяговый электропривод, одним из основных элементов которого является мостовой автономный инвертор.

Силовая часть трехфазного автономного инвертора напряжения содержит шесть транзисторных ключей VT1–VT6 с шестью диодами обратного тока VD1–VD6, образующих мостовую схему и присоединенных параллельно к источнику питания. Упрощенная схема трехфазного мостового АИН с использованием IGBT-транзисторов изображена на рис. 8.1.

Как известно, по способу построения силовой цепи инверторы подразделяются на инверторы с постоянной и переменной структурой силовой цепи. В схемах с постоянной структурой управляющие сигналы подаются всегда одновременно на три силовых транзистора, что обуславливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах с переменной структурой число транзисторов, на которые подаются управляющие сигналы, может быть меньше трех.

Длительность переключения транзисторных ключей и, следовательно, частота выходного напряжения определяется системой управления. На интервале одного периода выходного напряжения транзисторы анодной и катодной групп могут переключаться однократно и многократно. При однократном переключении транзисторы могут находиться в открытом состоянии в течение 120, 150 или 180° эл. Простейшим способом управления транзисторными ключами VT1–VT6 инвертора, обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи, является способ с a = 180° эл. Простейшими способами управления транзисторами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы с a = 120° и a = 150° эл. При этих способах управления в схеме выходного каскада образуются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста. 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 a = 120° также будет зависеть от характера нагрузки. При a = 120° структура силовой цепи остается неизменной, если cosφн ≤ 0,55. Форма напряжения на нагрузке в этом случае аналогична форме при a = 180°. Общим недостатком этих способов является необходимость применения управляемых вентилей. Нагрузка трехфазного АИН включается либо по схеме звезды, либо по схеме треугольника. Эффективное значение фазного напряжения при соединении нагрузки звездой определяется по формуле

; где – напряжение источника питания.

Соответственно эффективное значение линейного напряжения равно

(8.2)

Форма тока выходной цепи зависит от характера нагрузки. При активно-индуктивной нагрузке она представляет собой ломанную кривую, состоящую из четырех экспонент на участке, равном половине периода. Эффективное значение тока нагрузки определяется путем интегрирования характерных участков кривой тока.

При соединении нагрузки звездой действующее значение тока равно; где коэффициентобратно пропорционален постоянной времени, а параметр

. Выражение (8.3) справедливо для промежутка времени

Требуемую форму тока нагрузки, в том числе и синусоидальную, можно получить путем многократного включения и отключения управляемых вентилей на интервале одного периода. При этом плавно изменяется эффективное значение напряжения на нагрузке.

Для регулирования выходного напряжения с помощью инвертора наибольшее применение находит широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с формированием огибающей в виде прямоугольника, трапеции или синусоиды. Прямоугольную модуляцию иначе называют широтно-импульсным регулированием (ШИР). Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе инвертора на основной частоте осуществляется изменением относительной продолжительности включения нагрузки в цепь источника питания. Находит применение ШИР, когда в паузе между импульсами запираются два силовых транзистора одной группы. Тогда при открытых транзисторах VT1, VT2, VT3 для создания паузы в напряжении на нагрузке запираются VT1 и VT3. Алгоритм одиночного переключения способен формировать паузу в выходном напряжении инвертора при любых значениях постоянной времени

При алгоритме группового переключения создается пауза в напряжении на нагрузке, если к моменту запирания двух транзисторов группы ток изменит знак. Это явление может быть при небольших значениях постоянных времени нагрузки. Если значение велико и к рассматриваемому моменту ток не изменит знака, то паузу в выходном напряжении сформировать не удастся. При ШИР на основной частоте гармонический состав выходного напряжения и тока резко ухудшается в области малых напряжений и частот. Для исключения этого нежелательного явления используется широтно-импульсное регулирование на несущей частоте. Наибольшее снижение содержания высших гармоник достигается при широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону. При этом в схеме управления формируется опорное напряжение треугольной формы, которое сравнивается с модулирующей кривой синусоидальной формы. Длительность импульса выходного напряжения определяется точками пересечения этих кривых.

studfile.net

8.2.4 Трехфазный инвертор напряжения

Трехфазные АИН выполняют по мостовой схеме (рис. 8.23), 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 включается в звезду(или треугольник). В качестве вентилей могут служить одно- и двухоперационные тиристоры или транзисторы (коммутационные узлы, необходимые при использовании однооперационных тиристоров, на 8.23 не показаны)

Чаще всего используют трехфазную схему инвертора, состоящего из трех плеч, одного на каждую фазу, как показано на рис.8.23.

Поэтому выход например UAN (относительно отрицательной шины постоянного тока), зависит только от U_dи состояния вентиля; выходное напряжение не зависит от выходного тока нагрузки, так как один из двух вентилей в плече всегда включен в любой момент времени.

Рис. 8.23. Схема главных цепей трехфазного мостового АИН.

Здесь мы снова не учитываем временные задержки на переключение, полагая вентили идеальными. Поэтому выходное напряжение инвертора не зависит от направления тока нагрузки.

ШИМ в трехфазных инверторах напряжения

Как и в однофазных инверторах, целью трехфазных ШИМ инверторов является возможность формировать и управлять амплитудой и частотой трехфазного выходного напряжения при постоянном входном напряжении U_d. Для симметричного трехфазного выходного напряжения в трехфазном ШИМ инверторе пилообразное напряжение сравнивают с тремя синусоидальными сигналами управления, сдвинутыми на 120°, как показано на рис.8.24,а (для =15). Из рис.8.24,б также видно, что в выходных напряженияхU_AN и U_BN, измеренных относительно отрицательной шины, присутствует одна и та же средняя величина постоянного напряжения. Однако эти постоянные составляющие исчезают в линейных напряжениях, например, в U_AB, показанном на рис.8.24,б. То же происходит и в однофазном полномостовом инверторе, использующем ШИМ.

В трехфазных инверторах мы будем рассматривать только гармоники в линейном напряжении. Гармоники в выходном напряжении любого плеча инвертора, например, U_AN на рис.8.24,б сходны с гармониками в U_A₀ на рис.8.16, где в полосах частот присутствуют только нечетные гармоники, сконцентрированные вокруг и кратных ему частот, при нечетном. При учете только гармоник при(то же относится и к его нечетным кратным) разница в фазе между гармоникойв U_AN и U_BN равна ()° .

Эта разность будет равна нулю (как помноженная на 360°), если нечетен и кратен трем. Как следствие, подавляется гармоника прив линейном напряжении U_AB.

То же относится и к подавлению нечетных гармоник, кратных , есливыбран нечетным и кратным трем (выбирают таким, так как при этом уничтожаются четные гармоники).

Рис. 8.24. Формы сигналов и гармонический спектр при трехфазном ШИМ

Следовательно, некоторые из основных гармоник в одноплечевом инверторе могут быть подавлены и в линейном напряжении трехфазного инвертора. Условия ШИМ_сдедующие:

1) для небольших , чтобы подавить четные гармоники, необходимо использовать симметричную ШИМ при целом нечетном. Кроме того,должен быть кратен трем для подавления и основных гармоник в линейном напряжении;

2) для больших остаются в силе комментарии в разделе 8.3.3. касающиеся однофазной ШИМ;

3) во время сверхмодуляции (>1,0), независимо от величинысоблюдаются условия, характерные для небольших.

Линейная зона модуляции (< 1,0)

В линейной области (< 1,0) основная частотная составляющая выходного напряжения меняется линейно с изменением коэффициента модуляции амплитуды та. Из рис.8.24,б амплитуда основной частотной составляющей в одном из плеч инвертора равна:

(8.58)

Поэтому линейное напряжение при основной частоте с учетом рассогласования по фазе между фазными напряжениями можно записать:

(8.59)

Сверхмодуляция (mа>1,0)

В данном режиме допускается величина сигнала управления, равная величине пилообразного сигнала или больше. В отличие от линейной области, в этом режиме величина основной гармоники не увеличивается пропорционально m_а. Это показано на рис.8.19, где показана величина действующего значения основной гармоники линейного напряжения U_Л1 как функция Как и в однофазной ШИМ, для довольно больших m_а ШИМ вырождается в режим прямоугольного напряжения, в результате чего максимальное значение U_Л1 равно 0,78U_d(как показано в следующем разделе).

В зоне сверхмодуляции по сравнению с областью m_a<1,0 появляются гармоники, сконцентрированные вокруг частот гармоник и кратных им, однако основные гармоники могут и не иметь больших амплитуд, по аналогии с рис. 8.20.

Режим прямоугольного напряжения в трехфазных инверторах

Если входное постоянное напряжение U_d управляемо, инвертор на рис.8.25,а может работать в режиме прямоугольного напряжения. Кроме того, при больших m_а ШИМ вырождается в режим прямоугольного напряжения. Здесь каждый вентиль может быть включен в течение 180° или 120°

Рис. 8.25. Схема трехфазного АИН

Длительность проводимости управляемых вентилей ψ=180°

Данному способу формирования кривой выходного напряжения инвертора отвечает алгоритм переключения вентилей на рис. 8.26, а.

Каждый вентиль проводит ток в течение °. Последовательность вступления вентилей в работу соответствует порядку следования их номеров (рис. 8.26) при относительном фазовом сдвиге в 60°. Вентили, относящиеся к одной фазе (например,VS1иVS4 фазы А), не могут быть открытыми одновременно.

При рассматриваемом алгоритме переключения исключается также одновременное закрытое состояние тиристоров одной фазы. В любой момент времени одновременно проводят ток три тиристора, два из которых относятся к какой либо одной (катодной или анодной) группе, а один – к другой (соответственно анодной или катодной) группе, т. е. 123, 234, 345, 456 и т. д.

Кривые линейных напряжений на нагрузке показаны на рис. 8.26, б-г, а кривые фазных напряжений – на рис. 8.26, д-ж.

Кривая линейного напряжения состоит из импульсов с амплитудой Е чередующейся полярности длительностью в 120°разделенных паузой в 60°.

Напряжения U_AB, U_DC, U_CAсдвинуты по фазе на угол в120°. Импульсы напряжения с амплитудой Е положительной или отрицательной полярности создаются при проводимости накрест лежащих тиристоров двух фаз, определяющих рассматриваемое линейное напряжение.

Рис.8.26. Временные диаграммы при

Так, например, в кривой U_AB (рис. 8.26,б) импульсы напряжения положительной полярности получаются при открытых тиристорах VS3 и VS4, а импульсы напряжения отрицательной полярности – при открытых тиристорах VS1и VS6.

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_AB характеризуются одновременно открытыми тиристорами VS1 и VS3 или VS4 и VS6.

Фазные напряжения U_AO, U_BO, U_CO (рис. 8.26, д-ж) имеют вид ступенчатой кривой со значениями напряжения 1/3 Е и 2/3 Е. определяется тем, что в любой момент времени одновременно проводят ток три тиристора инвертора, подключающие нагрузки в фазах Z_A, Z_B, Z_C на напряжение источника питания Е таким образом, что две из них (например, Z_A, и Z_C на интервале 0-60°, рис. 8.25, а) включаются параллельно между собой и последовательно с третьей (в данном случае Z_B) нагрузкой. В связи с этим очевидно, что в условиях равенства сопротивлений нагрузки в фазах Z_A=Z_B=Z_C (нагрузка симметричная)

напряжения фаз, нагрузки которых включены параллельно, равны 1/3 Е, а напряжение фазы, нагрузка которой включена последовательно, равно 2/3Е. Фазные напряжения также имеют взаимный фазовый сдвиг в 120°.

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.

Основные расчетные соотношения для напряжений и токов при ψ=180° зависят от схемы соединения нагрузки в звезду или треугольник.

Рис.8.27. Эквивалентные схемы соединения нагрузок

а) При соединении нагрузки в треугольник (на рис.8.27 нагрузка обозначена сплошными линиями)

Действующее значение напряжения на нагрузке

(8. 60)

Мгновенные значения фазных токов

(8. 61)

(8. 62)

Фазные токи иопределяются аналогично, но с учетом

Линейные токи определяются как сумма фазных токов

где ;— параметр цепи нагрузки;.

б) При соединении нагрузки в звезду (на рис. 8. 27 нагрузка обозначена пунктирными линиями).

(8. 66)

Мгновенное значение токов

(8. 67)

(8. 68)

(8. 69)

Действующее значение тока фазы

, (8. 70)

где ;— базисный ток

Среднее значение тока в цепи источника

(8. 71)

Активная мощность нагрузки

(8. 72)

Полная мощность нагрузки

(8. 73)

Коэффициент мощности нагрузки

(8. 74)

Соотношение при соединении нагрузки в треугольник и звезду

(8. 75)

Трехфазный инвертор при длительности включения вентилей

Диаграмма работы вентилей приведена на рис. 8. 28

Рис. 8. 28. Диаграмма работы вентилей при

При ψ=120⁰ одновременно открыты два вентиля. Как и при ψ=180⁰ в схеме с ψ=120⁰ возможно шесть сочетаний. Каждому сочетанию соответствует своя эквивалентная схема (для соединений нагрузки в треугольник и звезду).

а) соединение б) соединение  в) соединение

Рис.8.29. Эквивалентные схемы соединений нагрузки при

При чисто активной нагрузке эквивалентная схема соединений при нагрузке приведена на рис. 8.29,а,б, а при индуктивной – на рис. 8.29,в.

При индуктивной нагрузке (рис. 8.29,в) ток в нагрузке замыкается через обратный диод фазы С.

Напряжение при активной нагрузке при соединении амплитуда напряжения равна , при соединении к каждой фазе прикладывается напряжение и(см. рис. 8.29,а,б).

При активно-индуктивной нагрузке форма фазного напряжения изменяется, т.к. надо учитывать ЭДС самоиндукции на участке короткого замыкания фазы (фаза Z_с с током через диод ВД)

Для инвертора с ψ=120⁰ при cosφ_н<0,53, когда реактивный ток замыкается через фазы нагрузки через обратные диоды, соотношения для фазных токов такие же, как при ψ=180⁰ при соединении нагрузки в звезду.

studfile.net

Принцип работы трехфазного автономного инвертора напряжения — Мегаобучалка

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 рисунка2.2 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 1/2периода 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.

megaobuchalka.ru

Трехфазный двухуровневый автономный инвертор напряжения

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение может осуществляться с помощью инвертора, выполненного на транзисторных модулях IGBT или на приборах IGCT. Одним из наиболее простых преобразователей этого типа является автономный инвертор напряжения (АИН), схема которого представлена на рис 1.1.

Рис. 1.1 Схема с автономным инвертором напряжения

Питание инвертора осуществляется от источника постоянного напряжения u_k. На входе инвертора используется сглаживающий дроссель с индуктивностью Id и током id. В цепи выпрямленного напряжения инвертора имеется конденсатор с емкостью с и током i_c. Трехфазный мостовой инвертор содержит шесть транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом. Транзисторы подключены к положительному и отрицательному полюсам конденсатора, а также к фазам нагрузки. Трехфазная нагрузка представлена индуктивностями 1_н и активными сопротивлениями г_н. Она имеет фазные напряжения u_n и токи i_n. (п=1, 2, 3).

При анализе данной схемы и других рассматриваемых в книге схем предполагается, что вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами. В открытом состоянии они замыкают накоротко участки электрических цепей, в закрытом состоянии разрывают их.

Другое допущение – каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, работают в противофазе, если один транзистор открыт, другой закрыт и наоборот. Отсутствуют ситуации, в которых оба транзистора одной фазы закрыты или оба открыты. При этом состояния транзисторов описываются функциями k_m (п=1, 2, 3). Функции k_m принимают значение 1, если открыт транзистор или обратный диод, подключающие фазу к положительному полюсу конденсатора, и значение 0, если открыт транзистор или обратный диод, подключающие фазу к отрицательному полюсу. В этом случае все вентили, подключенные к одной фазе нагрузки, описываются одной функцией.

В схеме рис. 1.1 с помощью транзисторов и обратных диодов фазы нагрузки подключаются или к положительному или к отрицательному полюсу конденсатора или замыкаются накоротко. За счет изменения соотношения длительностей замыкания нагрузки накоротко и подключения ее к полюсам конденсатора изменяются напряжения на выходе инвертора. Преобразователь в этом случае работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При переключении транзисторов изменяется структура схемы и электрические контуры, в которых протекают токи. Характерные состояния схемы изображены на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Состояния схемы с инвертором напряжения при переключении транзисторов

Как изображено на рис. 1.2, в состоянии схемы 1) в 1 фазе инвертора открыт верхний транзистор, во 2 и в 3 фазах открыты нижние транзисторы. Токи в инверторе протекают через открытые транзисторы в соответствии с направлениями токов в фазах. Закрытые транзисторы и диоды отброшены, поскольку токов в них нет.

Если верхний транзистор 1 фазы закрывается, а нижний транзистор этой фазы открывается, то в соответствии со знаками токов нагрузки открывается обратный диод нижнего транзистора

1 фазы. При этом схема переходит в состояние 2). Ветви схемы, в которых токи отсутствуют, также отброшены. В состоянии схемы 2) цепь источника питания и сглаживающего дросселя замкнута на конденсатор. Фазы нагрузки замкнуты накоротко через вентили инвертора. Электрическая связь источника питания и нагрузки отсутствует.

Если в состоянии схемы 2) во 2 фазе закрывается нижний транзистор и, соответственно, открывается верхний транзистор, то схема переходит в состояние 3), в котором связь источника питания и нагрузки восстанавливается.

Схема переходит в состояние 4), когда в 1 фазе закрывается нижний транзистор, а верхний транзистор открывается.

Из состояния 4) схема может перейти в состояние 5), если откроется верхний транзистор в

3 фазе.

Из состояния 5) в состояние 6) схема может перейти, если в 1 фазе закроется верхний транзистор, а нижний откроется.

Указанные переходы схемы из одних состояний в другие определяются системой управления и знаками токов в индуктивностях.

Как видно из рис. 1.2, при принятых допущениях ток фазы нагрузки протекает всегда через то плечо моста, в котором находится открытый транзистор (при идеальных ключевых элементах).

В схеме рис. 1.1 для формирования выходных напряжений инвертора используется два уровня напряжения – 0 (при коротком замыкании фаз нагрузки) и напряжение конденсатора. По этому признаку, по аналогии с многоуровневыми системами [40], [49], рассматриваемый преобразователь можно называть двухуровневым.

При математическом описании и моделировании двухуровневого автономного инвертора напряжения используется более подробная схема замещения, которая представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема преобразования с двухуровневым АИН

В схеме рис. 1.3, кроме указанных выше параметров, во входном дросселе учтено активное сопротивление r_d, в конденсаторе учтено активное сопротивление г_с. Параллельно конденсатору включена цепь защиты от перенапряжений с активным сопротивлением r_z и током i_z. Состояние транзистора в цепи защиты от перенапряжений описывается функцией k_z (k_z=0, если транзистор закрыт, k_z=l, если транзистор открыт). В инверторе учитывается входной (выпрямленный) ток i_dl, а также токи в плечах моста i_m (п=1, 2,… 6).

При математическом моделировании рассматриваемой схемы на каждом шаге расчета At определяется напряжение на емкости и_с и ветвь с конденсатором заменяется зависимым источником напряжения и_гс Г21:

Далее, в соответствии с другим известным методом электротехники [1], зависимый источник напряжения и_гс переносится в другие ветви схемы, соединенные друг с другом в положитель-

ном полюсе цепи выпрямленного напряжения, – в ветвь источника питания, в цепь защиты от перенапряжений и в цепь выпрямленного тока инвертора. Из цепи выпрямленного тока инвертора этот источник переносится далее в плечи транзисторного моста, подключенные к положительному полюсу. В результате выделяются подсхемы, изображенные на рис. 1.4, которые имеют взаимные связи через зависимые источники напряжения U_rc и тока i_c.

Рис. 1.4 Разделение схемы с трехфазным двухуровневым транзисторным инвертором

на взаимосвязанные подсхемы

Подсхемы рис. 1.4 и их взаимные связи описываются следующими уравнениями.

Фазные ЭДС инвертора:

Рис. 1.8 Напряжения и токи трехфазного двухуровневого АИН при работе в режиме перемодуляции

Из таблицы 1.1 видна характерная особенность рассматриваемого процесса – частота наибольших высших гармонических составляющих выпрямленного тока и тока конденсатора 4000 Гц, то есть равна удвоенной частоте пилообразного напряжения. В напряжениях нагрузки с частотой основных составляющих 50 Гц высшие гармонические составляющие наиболее значительны на частотах 4000-50=3950 Гц и 4000+50=4050 Гц.

Из представленных расчетов видно, что для систем с двухуровневыми АИН характерны значительные пульсации напряжения на стороне трехфазной нагрузки. Эти пульсации существуют на повышенной частоте, определяемой частотой пилообразного напряжения.

При работе инверторов с перемодуляцией выходные напряжения имеют трапецеидальную форму, и в них присутствуют высшие гармонические составляющие, частота которых кратна основной частоте.

Другая характерная особенность систем с двухуровневыми АИН заключается в том, что максимальное напряжение на стороне переменного тока ограничено. В режиме синусоидальной ШИМ напряжение нагрузки ограничивается в соответствии с известной формулой [25]:

UФ„ ⁼ 0,35£/_т , (1.17)

где U_rc – среднее значение выпрямленного напряжения.

В режиме фазной коммутации напряжение нагрузки ограничивается в соответствии с другой известной формулой [25]:

и_фн=0,45и_гс. (1.18)

Необходимо также отметить, что системы с двухуровневыми АИН изготавливаются на сравнительно низкое напряжение, которое определяется номинальным напряжением используемых транзисторных модулей.

Пронин М.В., Воронцов А.Г., Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. – 172 с.

nauchebe.net

Трехфазные автономные инверторы тока.

По принципу действия они аналогичны однофазным, отличаются в основном тем, что тиристоры отпираются поочередно через 60 эл. гр., причем для управления тиристорами, как правило используются сдвоенные импульсы, это необходимо для повышения надежности работы инвертора, чтобы исключить выключение тиристоров при их коммутации.

По схемотехническому решению они также бывают: параллельные, последовательные и параллельно-последовательные, причем параллельные трехфазные инверторы также как и однофазные боятся режима холостого хода из-за больших перенапряжений на тиристорах и боятся режима короткого замыкания из за снижения угла опережения , в течении которого тиристоры восстанавливают запирающие свойства. Трехфазные последовательные инверторы также бояться режима холостого хода из-за снижения угла опережения  и соответственно ухудшения условий восстановления запирающих свойств и бояться режима близкого к короткому замыканию из-за возникновения перенапряжений на тиристорах. Последовательно-параллельные инверторы обладают промежуточными характеристиками между последовательными и параллельными, при этом угол опережения  у них растет и в режимах холостого хода и в режимах короткого замыкания, они обладают достаточно жесткой внешней характеристикой в среднем диапазоне изменения нагрузки.

Резонансные инверторы.

Бывают также последовательные и параллельные.

Последовательный резонансный инвертор.

Диаграмма изменения характеристик:

Силовая часть содержит: два рабочих тиристора и цепь нагрузки с коммутирующим конденсатором и индуктивностью. Для нормальной работы инвертора параметры элементов в цепи нагрузки выбираются таким образом, чтобы обеспечить колебательный характер изменения тока нагрузки. Для этого активная составляющая сопротивления нагрузки должна быть меньше критического значения:

(1)

Амплитудное значение напряжения на конденсаторе должно превышать напряжение источника питания.

Обычно максимальное напряжение заряда конденсатора составляет от 1 до U_ПИТ. Обычно стараются сделать так, чтобы U_С_max=1,5 Ud. Принцип работы:

В положительном полупериоде включается VS1, начинает протекать ток, колебательный процесс изменения тока обеспечивается, ток меняется по синусоиде. В момент времени t₁ перед окончанием положительного полупериода ток проходит через 0, соответственно тиристор VS1 выключается. При этом ток нагрузки протекает через коммутирующий конденсатор, который заряжается с полярностью + -. Напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90 эл. гр. Пока тиристор VS1 включен, напряжение на нем равно 0, как только тиристор выключиться, к нему прикладывается разность напряжения источника питания и заряженного конденсатора Ck. К тиристору прикладывается обратное напряжение, он имеет возможность восстановить запирающие свойства, выдерживается пауза до момента времени t₂ для запирания. В момент времени t₂включают тиристор VS2 он находиться под действием прямого напряжения коммутирующего конденсатора, ток нагрузки протекает по замкнутому контуру. Ток нагрузки также меняется по синусоиде, а конденсатор перезаряжается до напряжения отрицательной полярности (-) (+). В момент времени t₃ ток нагрузки спадает до 0, тиристор VS2 выключается. К конденсатору приложено напряжение прямой полярности. В интервале времени от t₃ до t₄ также выдерживается пауза для надежного выключения тиристора VS2, под действием обратного напряжения, а напряжение на тиристоре VS1 во время этой паузы увеличивается и равно напряжению источника питания + напряжение на конденсаторе. Далее весь процесс повторяется.

Если взять напряжение U_ВХ – см. рисунок выше, то можно записать, что:

— действующее значение.

Напряжение нагрузки определяется:

Обычно параметры конденсатора выбирает из условия резонанса частоты выходного напряжения:

, тогда , тогда

При выполнении условия обеспечения резонанса на одной частоте инвертора напряжение на нагрузке не зависит от параметров нагрузки и внешняя характеристика инвертора становиться жесткой.

При глубоком изменении сопротивления нагрузки может быть нарушена работоспособность инвертора. При увеличении сопротивления нагрузки может нарушиться условие (1), то есть R_Н может превысить критическое значение и нарушается колебательный характер изменения тока нагрузки, при этом тиристоры не выключаются, происходит опрокидывание инвертора. При снижении сопротивления нагрузки возможен резонанс напряжений, при этом увеличивается напряжение на реактивных элементах и появляется перенапряжение на тиристорах. Может наступить электрический пробой.

studfile.net

Трехфазный транзисторный мостовой инвертор напряжения.

C_Ф – фильтр необходим, так как питание осуществляется от выпрямительных устройств (для поглощения реактивной составляющей)

Силовая схема содержит 3 фазы, состоящие из двух транзисторных ключей (транзистора + возвратного диода VD).

Существует 2 основных алгоритма управления транзисторными ключами:

с углом проводимости транзисторов =120 эл.гр.

Поочередно с интервалами 120 эл. гр. переключаются транзисторы верхней группы (VT1,3,5). Транзисторы нижней группы также переключаются поочередно с интервалами 120 эл. гр.(VT2,4,6), но их моменты переключения сдвинуты относительно моментов переключения транзисторов верхней группы на 60 эл.гр.

Основная особенность данного алгоритма в том, что в любой момент времени во включенном состоянии находятся 2 транзистора разных фаз, один транзистор верхней группы, а другой из нижней. При этом к источнику питания всегда оказывается подключены 2 фазы сопротивления нагрузки. 3-я фаза. При реактивном токе нагрузка также подсоединяется к источнику питания через возвратный диод. При чисто активной нагрузке сопротивление 3-й фазы оказывается отключенным от источника питания и напряжение на этом сопротивлении равно 0. Таким образом при данном алгоритме управления форма напряжения на сопротивлении нагрузки, а следовательно и величина напряжения зависит от параметров самой нагрузки, следовательно данный алгоритм управления не обеспечивает жестоко заданную форму напряжения на выходе и соответственно внешнюю характеристику, то есть зависимость величины выходного напряжения от тока нагрузки не является жесткой.

0<</3:

Как только i_C=I_H, U_Zc=0

2) Второй алгоритм управления с длительностью проводящего состояния ключей 180 эл. гр. Данный алгоритм переключения заключается в том, что переключается транзистор одной фазы через интервалы равные 180 эл. гр. При этом моменты переключения транзисторов других фаз сдвинуты во времени на 120 эл. гр. В настоящий момент времени во включенном состоянии одновременно находятся три транзистора разных фаз, то есть алгоритм обеспечивает жестко заданную формулу, а следовательно и величину выходного напряжения, то есть обеспечивает жесткую внешнюю характеристику.

Действующее значение линейного и фазного напряжений:

Инверторы напряжения на тиристорах.

Классификация:

В зависимости от структуры узлов искусственной коммутации тиристорные инверторы напряжения делятся на 5 групп:

1) Инверторы с межвентильной коммутацией, в таких инверторах запирание (выключение) рабочего тиристора выполняется путем включения следующего тиристора другой фазы, но этой же группы. Для выполнения межвентильной коммутации требуется использование, как правило, 6-ти коммутирующих конденсатора (для инвертора в 3-х фазном исполнении).

2) Тиристорные инверторы с пофазной коммутацией. Коммутирующее устройство у них служит для поочередной коммутации тиристоров одной фазы, то есть в 3-х фазном исполнении требуется 3 устройства искусственной коммутации, причем в каждом устройстве искусственной коммутации используется 2 коммутирующих конденсатора.

3) Инверторы с индивидуальной коммутацией, у них коммутирующее устройство используется для выключения только одного тиристора. В трехфазных инверторах применяется 6 устройств принудительной коммутации.

4) Инверторы с групповой коммутацией. У них коммутирующее устройство выполняется общим для группы вентилей, получается одно коммутирующее устройство для анодной группы, а второе для катодной, и соответственно два коммутирующих конденсатора.

5) Инверторы с общей коммутацией. Коммутирующее устройство является общим для всех тиристоров и соответственно используется 1 коммутирующий конденсатор на весь инвертор.

studfile.net

31.Принцип действия однофазного мостового инвертора напряжения.

Рисунок 36.1 Схема однофазного полумостового инвертора

со средней точкой источника питания

Для работы данной схемы необходимо иметь источник питания со средней точкой, которая образуется за счет включения на входе инвертора двух емкостей C_Ф1иC_Ф2. Транзисторы в данной схеме работают попарно в противофазе с одинаковой длительностью закрытого и открытого состояния.

При активной нагрузке ток и напряжение имеют одну и ту же форму (прямоугольных двухполярных импульсов). К нагрузке на каждом полупериоде прикладывается напряжение .

Рисунок 36.2 Временные диаграммы работы схемы на R—L нагрузку

При наличии индуктивности форма тока становится апериодической. В момент времени θ₁ открывается транзисторVT1и ток нагрузки протекает от источника питания по цепи+U_П– VT1 – RL – ноль источника питания. При этом к нагрузке прикладывается напряжение, а к транзисторуVT2в прямом и диодуVD2в обратном направлении напряжениеU_П. В момент времениθ₂транзисторVT1закрывается и должен открыться транзисторVT2, но из-за действия э.д.с самоиндукции изменившей свой знак и стремящейся поддержать ток в цепи нагрузки откроется диодVD2и ток продолжает протекать в том же направленииVD2–RL– ноль источника питания –+C_Ф2–—U_П–VD2. При этом ток в цепи нагрузки уменьшается, а ток в цепи источника питанияпоменял свой знак, то есть на интервалеθ₂<θ<θ₃ток по нагрузке протекает под действием ЭДС самоиндукции и происходит возврат энергии вC_Ф2.

В момент времени θ₃ток в нагрузке становится равным нулю, диодVD2закрывается, открывается транзисторVT2и ток начинает протекать по цепиVT2 – —U_П – C_Ф2– ноль источника питания –RL–VT2.

Действующее значение ЭДС в нагрузке равно .

Недостатки схемы: необходимость источника питания со средней точкой (двух емкостей) и к ключам прикладывается двойное напряжение.

32.Принцип действия трехфазного автономного инвертора напряжения с углом проводимости =180°. Нагрузка активная, соединение-звезда.

Рисунок 39.1 Схема трехфазного мостового АИН

При λ=180⁰алгоритм переключения ключей АИН имеет следующий вид:

Рисунок 39.2 Алгоритм переключения ключей инвертора при λ=180⁰

Выполнение данного алгоритма позволяет получить на нагрузке кривую 3-х фазного симметричного несинусоидального переменного напряжения.

Из алгоритма переключения ключей инвертора следует, что в 3-хфазном мостовом АИН при λ=180⁰за периодТвыходного напряжения инвертора возможны шесть независимых сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов. При этом, в каждый момент времени открывающие импульсы подаются одновременно на три транзистора (ключа). Ток, втекающий черезVT1,VT3иVT5– положительный. 1.

На данном интервале открыты VT1,VT6,VT5. Схема замещения АИН следующая:

Рисунок 39.3 Схема замещения при

Таким образом, считая, что

; 2.

На данном интервале открыты VT1,VT6,VT2. Схема замещения АИН следующая:

Рисунок 39.4 Схема замещения при

; 3.

На данном интервале открыты VT1,VT2,VT3. Схема замещения АИН следующая:

Рисунок 39.5 Схема замещения при

; 4.

На данном интервале открыты VT4,VT3,VT2. Схема замещения АИН следующая:

Рисунок 39.6 Схема замещения при

На данном интервале открыты VT5,VT3,VT4. Схема замещения АИН следующая:

Рисунок 39.7 Схема замещения при

; 6.

На данном интервале открыты VT4,VT6,VT5. Схема замещения следующая:

Рисунок 39.8 Схема замещения при

Рисунок 39.9 Временные диаграммы работы 3-х фазного

мостового АИН при λ=180⁰

Из схем замещения видно , что за период выходного напряжения каждая фаза нагрузки включается либо параллельно другой фазе и последовательно с третьей , либо последовательно с двумя другими фазами, включенными параллельно. Поэтому, к каждой фазе прикладывается напряжение либо Uп/3(-Uп/3), либо 2/3Uп(-2/3Uп).

Фазное напряжение на нагрузке двухполярное шестиступенчатое. При активной нагрузке кривая тока повторяет кривую напряжения.

Трехфазный мостовой АИН λ=180⁰, соединение нагрузки в треугольник (Δ)

При соединении активной нагрузки в Δ возможны также шесть сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов.

Рисунок 39.10 Схемы замещений

1. : открытыVT1,VT6, VT5;

2. : открытыVT1,VT2, VT6;

3. : открытыVT1,VT3, VT2.

При соединении активной нагрузки в треугольник, возможны также 6 сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов.

Действующее значение фазного напряжения

При R-Lнагрузке форма напряжения не изменяется. В выходном напряжении трехфазного АИН при λ=180⁰отсутствуют четные гармоники и гармоники, кратные трем, а присутствуют: 1, 5, 7, 11…

При соединении нагрузки в звезду фазное напряжение на нагрузке имеет следующий гармонический вид:

, где– круговая частота 1-ой гармонической выходного напряжения.

Рисунок 39.11 Фазные напряжения нагрузки при соединении нагрузки треугольником, λ=180⁰

33.Принцип действия трехфазного инвертора напряжения с углом проводимости =180°. Нагрузка активно-индуктивная, 0°< <60°, соединение- звезда.

При активно-индуктивной нагрузке ток отстаёт от напряжения. При этом изменяется конфигурация эквивалентных схем замещения инвертора и в работу вступают возвратные диоды. Но это не приводит к изменению формы напряжения на нагрузке, т.к. в каждый момент времени в схеме остаются включенными три полупроводниковых вентиля.

Конфигурация эквивалентных схем зависит от угла φ(угол сдвига тока относительно напряжения).

Рисунок 40.1 Временные диаграммы работы трехфазного мостового АИН

с λ=180⁰ при 0º<φ<60º

В момент времени θ=0отключаетсяVT4и подаётся открывающий импульс наVT1.Однако из-за действия ЭДС самоиндукциифазы А, изменившей свой знак в момент времениθ=π, открывается диодVD1и токфазы Апротекает по цепифаза А – VD1 – VT5 – фаза С – фаза А. Т.е. на интервале0<θ<φпроисходит обмен реактивной энергией междуфазами А и С. При этом подключение фаз к источнику питания остаётся аналогичным, как и при активной нагрузке. Поэтому форма напряжения на нагрузке не изменяется. В момент времениθ=φ, токIстановится равным нулю,VD1закрывается, открываетсяVT1. Таким образом, приφ<60ºвозврата энергии в источник питания не происходит (о чем свидетельствует однополярная форма токаi_П), а на отдельных интервалах происходит обмен реактивной энергией между фазами. Такие же процессы происходят и в других фазах

34.Принцип действия трехфазного инвертора напряжения с углом проводимости =180°. Нагрузка активно-индуктивная, 60°<<120⁰, соединение- звезда.

Рисунок 41.1 Временные диаграммы работы трехфазного мостового АИН

с λ=180⁰ при 60º<φ<120º

На интервале времени 0<θ<π/3открытыVT5,VT6иVD1.

Рисунок 41.2 Эквивалентная схема замещения трехфазного мостового АИН

на интервале 0<θ<π/3

На этом интервале происходит обмен реактивной энергией между фазами А и С. В момент времениθ=π/3закрываетсяVT5и должен открытьсяVT2, но из-за действия ЭДС самоиндукциифазы С, открываетсяVD2.На интерваеπ/3<θ<φVT1 ещё не открылся, а открытыVD1,VT6иVD2(открывается под действием ЭДС самоиндукциифазы С) и часть энергии, запасённой в полях

индуктивностей фаз А и Свозвращается в источник питания, а часть рассеивается в активных сопротивленияхфаз А и С.

Рисунок 41.3 Эквивалентная схема замещения трехфазного мостового АИН

на интервале π/3<θ<φ

Энергия фазы ВчерезVT6,VD2ифазу Срассеивается в активных сопротивленияхфаз СиВ. На этом интервале токi_Пменяет свой знак.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

при φ<60ºвозврата энергии в источник питания не происходит (о чем свидетельствует однополярная форма токаi_П), а на отдельных интервалах происходит обмен реактивной энергией между фазами.
при φ>60ºчасть энергии, запасённой в полях индуктивностейфаз, возвращается в источник питания, а часть рассеивается в активных сопротивленияхфаз .

Рисунок 47.2 Временные диаграммы работы инвертора при φ<π/3 и φ>π/3

35.Принцип действия трехфазного инвертора напряжения с углом проводимости =120°. Нагрузка активная, соединение- звезда.

Рисунок 42.1 Схема трехфазного АИН

Алгоритм переключения ключей инвертора при λ=120⁰выглядит следующим образом:

Рисунок 42.2 Алгоритм переключения ключей АИН при λ=120⁰

Как видно из алгоритма переключения ключей инвертора при λ=120⁰в схеме в каждый момент времени открывающие импульсы одновременно подаются лишь на два тиристора. При этом фазы нагрузки соединены между собой последовательно, а одна из них отключена (U_ф=0). Следовательно, к соответствующим работающим фазам прикладывается напряжениеU_ф=± U_П/2.За периодТвыходного напряжения возможны 6 независимых сочетаний открытых и закрытых состояний вентилей.

;
;
;
;
;
.

Рисунок 42.3 Схемы замещения АИН при λ=120⁰ для различных

временных интервалов

Таким образом, фазы подключены между собой последовательно, т.е. к ним прикладываются напряжения ± U_П/2.

Вид фазных напряжений показан на рисунке 42.4.

Рисунок 42.4 Фазные напряжения АИН при λ=120⁰ и активной нагрузке

36.Принцип действия трехфазного инвертора напряжения с углом проводимости =150°. Нагрузка активная, соединение- звезда.

Рисунок 44.1 Схема трехфазного мостового АИН

При λ=150⁰алгоритм переключения ключей инвертора следующий:

Рисунок 44.2 Алгоритм переключения ключей инвертора

Выполнение данного алгоритма позволяет получить на нагрузке кривую трехфазного симметричного несинусоидального переменного напряжения.

Из алгоритма переключения инвертора следует, что в трехфазном мостовом АИН при λ=120⁰за периодТвыходного напряжения инвертора имеется 12 независимых сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов. При этом , в каждый момент времени открыты либо три, либо два ключа.1.На данном интервале открытыVT1,VT6,VT5. Схема замещения следующая: