Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения инвертора

Формирование кривой выходного напряжения инвертора с уменьшенным содержанием гармонических.

Содержание гармонических может быть существенно снижено при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой кривая U_н(t) формируется в виде импульсов, промодулированных по синусоидальному закону (рисунок 5.8).

Применение ШИМ обеспечивает преимущественное содержание в кривой U_н(t) основной гармоники и минимальное содержание высших гармонических с близкими к основной гармонике частотами (3,5,7), хотя гармоники с более высокими частотами могут быть значительны. Но эти гармоники легко фильтруются, с помощью простейших фильтров, устанавливаемых перед нагрузкой. Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением ширины выходных импульсов (глубины модуляции). Кривая U_н(t), рисунок 5.8 характеризует однополярную ШИМ, т.к. выходные импульсы в течение полупериода имеют одинаковую полярность.

Применяется такая двухполярная ШИМ, при которой вместо пауз в кривой U_н(t) содержатся импульсы противоположной полярности (рисунок 5.9). Поскольку этот метод обеспечивает исключение некоторых, в частности, наиболее низших гармоник, его называют методом избирательного исключения гармонических.

Метод основывается на задании фиксированных углов γ₁ и γ₂ переключения тиристоров в инверторе. При γ₁=23,62° и γ₂=33,3° в кривой U_н(t) отсутствуют 3-я и 5-я гармоники. При γ₁=16,25° и γ₂=22,07° - отсутствуют 5-я и 7-я гармоники. Регулирование выходного напряжения можно производить либо по цепи питания, либо с помощью самого инвертора путём изменения фазового сдвига сигналов управления одной пары тиристоров полумоста относительно сигналов управления другой пары при переключении тиристоров в каждом полумосте с указанными значениями углов γ.

5.2. Способы формирования и регулирования выходного напряжения трёхфазных АИН.

Трёхфазные АИН выполняют по мостовой схеме, состоящей из шести тиристоров VS1÷ VS6 и шести диодов VD1÷ VD6 (рисунок 5.10). Диоды включены встречно – параллельно и выполняют ту же функцию, что и диоды в однофазной схеме. Нагрузка активно-индуктивного характера включена звездой или треугольником – на рисунок 5.10 – звездой. Коммутационные узлы на рисунке не показаны. При рассмотрении кривой выходного напряжения все вентили считаем идеальными ключами. Трёхфазные инверторы допускают те же самые способы формирования U_н(t) как и однофазные. Будем рассматривать наиболее распространённые на практике способы формирования U_н(t): при неизменной длительности проводимости тиристоров ψ = 180° и широтно-импульсный способ.

5.2.1. Способ формирования и регулирования кривой выходного напряжения при неизменной длительности проводимости тиристоров ψ = 180°.

Каждый тиристор проводит ток в течение ψ = 180°. Последовательность вступления тиристоров в работу соответствует порядку следования их номеров при относительном фазовом сдвиге в 60°. Тиристоры, относящиеся к одной фазе, например VS1 и VS4 не могут быть открыты одновременно. При рассматриваемом алгоритме переключения исключается также одновременное закрытое состояние тиристоров одной фазы. В любой момент времени проводят 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.

Рассмотрим кривые линейных напряжений U_AB, U_BC, U_CA и фазных напряжений U_AO, U_BO, U_CO (рисунок 5.11).

Кривая линейного напряжения состоит из импульсов с амплитудой Е чередующейся полярности длительностью в 120°, разделённых паузой в 60°. Напряжения U_AB, U_BC, U_CA сдвинуты по фазе на 120°. Импульсы напряжения с амплитудой Е положительной или отрицательной полярности создаются при проводимости накрест лежащих тиристоров двух фаз, определяющих рассматриваемое линейное напряжение. Так, например, в кривой U_AB импульсы напряжения положительной полярности получаются при открытых VS3 и VS4, а отрицательной полярности – при открытых VS1 и VS6. Интервалам паузы в кривых линейных напряжений соответствует открытое состояние тиристоров общей анодной или катодной группы двух фаз, формирующих линейное напряжение. Интервалы паузы в кривой U_AB характеризуются одновременно открытыми VS1, VS3 или VS4, VS6.

Фазные напряжения имеют вид ступенчатой кривой со значениями напряжения 1/3 Е и 2/3 Е. Это определяется тем, что в любой момент времени открыты три тиристора, подключающие нагрузки Z_A, Z_B, Z_C на напряжение Е таким образом, что две из них, например, Z_A и Z_C на интервале 0-60° включены параллельно между собой и последовательно с третьей Z_B. Поэтому в условиях равенства сопротивлений Z_A= Z_B= Z_C при симметричной нагрузке, напряжения фаз, подключённых параллельно равны 1/3 Е, а напряжение фазы, включённой последовательно, равно 2/3 Е. Фазные напряжения также сдвинуты на 120°.

Форма кривой выходного напряжения является удовлетворительной для работы ряда нагрузок, в частности для питания асинхронных двигателей. В кривой выходного напряжения отсутствуют чётные гармоники и гармоники кратные трём. Низшими являются 5 и 7-я гармоники. Характер распределения амплитуд гармоник в линейном напряжении подчиняется зависимости U_лmν=, а в фазном U_фmν=.

Амплитуда первой гармоники U_лm(1)=; U_фm(1)=2/π Е = 0,64Е, а действующее значение напряжения U_л(1)=; U_ф(1)=.

Амплитуды 5-ой и 7-ой гармоник соответственно равны 20% и 14,3% от амплитуды первой гармоники.

Регулирование выходного напряжения инвертора производят по цепи питания, например, применением на входе инвертора управляемого выпрямителя или ИППН.

Принцип формирования кривой выходного напряжения трёхфазных АИН при ШИР подобен однофазным АИН. В кривой линейного напряжения вместо одного импульса длительностью 2π/3 при ψ = 180° необходимо получить несколько импульсов длительностью α, регулируемой от 0 до π/3 с паузой β=π/3-α. Задачу решают путём проведения в инверторе по окончании интервалов α дополнительных переключений так, чтобы на интервалах β одновременно были открыты три тиристора, относящихся к одной анодной или катодной группе. При этом проводящие тиристоры и их диоды на интервалах β создают короткозамкнутую связь всех трёх фаз нагрузки на шине "+" или "-", что обеспечивает равное нулю напряжение на нагрузке. Фазные токи активно-индуктивной нагрузки на интервалах β замыкаются между фазами в образовавшейся короткозамкнутой цепи. Последовательность переключения тиристоров в АИН с ШИР должна быть такой: 123, 135, 234, 246, 345, 135, 456, 246 и т.д.

Рассмотрим на временных диаграммах принцип формирования и регулирования напряжения (рисунок 5.12).

На протяжении периода каждый тиристор находится в проводящем состоянии в течение трёх интервалов длительностью 60°+α, 60°, β. При этом открытому состоянию тиристора одной фазы, например, VS1 отвечает закрытое состояние другого тиристора той же фазы VS4. Дополнительные переключения необходимы для создания в кривой выходного напряжения интервалов паузы β. Так на интервалах от 60°- β до 60° открыты VS1, VS3, VS5; ни интервале от 120°- β до 120° - VS2, VS4, VS6; на интервале от 180°- β до 180° - VS1, VS3, VS5 и т.д. На интервалах α формирование импульсов выходного напряжения происходит так же, как и в предыдущем способе. В результате кривая линейного напряжения содержит четыре импульса на протяжении периода (К_лн = 4) с амплитудой Е, а кривая фазного напряжения шесть импульсов (К_фн = 6) с амплитудой 1/3 Е и 2/3 Е. Трёхфазные АИН допускают ШИР и при большем числе импульсов в кривых линейного и фазного напряжения. Необходимость увеличения числа импульсов в кривой выходного напряжения обуславливается стремлением улучшить его состав гармоник при регулировании. Рассмотрим состав гармоник в кривых линейного напряжения при различном количестве импульсов κ за период (рисунок 5.13).

Из характеристик (рисунок 5.13) видно, что при κ_лн = 4 в выходном напряжении инвертора имеется довольно значительное содержание 5-ой и 7-ой гармоник, причём при α<15° их значения соизмеримы с основной гармоникой. При κ_лн = 8 в выходном напряжении велико содержание 11-ой гармоники.

5.3. Учёт коммутационных процессов в АИН.

Рассмотренные способы формирования кривой выходного напряжения АИН базируются на проведении в соответствующей последовательности переключений полупроводниковых приборов, используемых в качестве ключевых элементов инверторного моста. Чаще всего ключевые элементы, относящиеся к общей фазе, переключаются поочерёдно, т.е. отпиранию одного элемента отвечает запирание другого элемента и наоборот. В инверторах на транзисторах такой режим работы осуществляется снятием отпирающего сигнала с базы одного транзистора и подачей его в цепь базы другого транзистора. Необходимость учёта этого режима связана с рассеянием энергии на транзисторах при переключениях из-за протекания через них и источник питания импульса «сквозного» тока на коротких интервалах, когда оба транзистора открыты.

В тиристорных инверторах для проведения операций переключения, во избежание короткого замыкания источника через последовательно включённые тиристоры одной фазы, перед отпиранием одного тиристора следует предварительно запереть другой тиристор. Это требует сокращения интервалов проводимости тиристоров на угол δ. Так, например, если формируется кривая выходного напряжения с ψ = 180°, то реальная длительность проводимости тиристоров должна составлять ψ = 180°- δ. В инверторах на двухоперационных тиристорах в течение интервала δ подаётся импульс отрицательной полярности на управляющий электрод тиристора, который нужно запереть. В инверторах на однооперационных тиристорах интервал δ соответствует запиранию тиристора под действием узла принудительной коммутации.

Режим поочерёдного запирания тиристоров в каждой фазе осуществляется так называемым фазным узлом принудительной коммутации с общим коммутирующим конденсатором. Один такт перезаряда конденсатора в таком коммутационном узле обеспечивает запирание тиристора анодной группы, а другой – катодной группы.

В АИН наибольшее применение получили фазные узлы принудительной параллельной коммутации. Рассмотрим работу схемы однофазного полумостового инвертора с таким коммутационным узлом (рисунок 5.14). В однофазном мостовом инверторе нужны два аналогичных КУ, а в трёхфазном – три КУ.

Коммутационные процессы проанализируем при формировании двуполярной кривой U_н(t). Её получение связано с поочерёдным отпиранием и запиранием тиристоров одной фазы. В отличии от мостового инвертора, в полумостовом АИН амплитуда выходных импульсов оказывается вдвое меньше. Это вызвано тем, что при проводящем тиристоре нагрузка здесь подключается не на полное напряжение источника питания Е, а на напряжение 0,5Е конденсаторов С1 или С2, предназначенных для создания искусственной средней точки источника питания. Будем считать ёмкости этих конденсаторов достаточно большими и напряжения на них низменными и равными ±0,5Е. В КУ этой схемы проявляется эффект последовательного накопления энергии, в связи с чем напряжение на конденсаторе U(о) определяется из условия установления равенства энергии, дополнительно поступающей и теряемой в КУ в процессе перезаряда конденсатора.

Рассмотрим более подробно процессы, протекающие в схеме. Предположим, что к моменту t₁ проводит ток VS2. К нагрузке приложено напряжение 0,5Е, а конденсатор заряжен до напряжения U(о), полярностью без скобок. В нагрузке протекает ток i_н по цепи E - VS2 - Z_н - C1.

В момент t₁ от системы управления поступает импульс на VS_К2. Открывшийся VS_К2 и встречно-параллельно включенные VS2 и VD2 образуют контур колебательного перезаряда конденсатора С_К. На начальном интервале t₁ - t₂ ток i_с, изменяющийся по синусоидному закону, протекает через VS2 навстречу току i_н, вследствие чего ток тиристора уменьшается до нуля. После этого ток i_н продолжает протекать в том же контуре, но уже через VD2. На интервале t₂ – t₃ к VS2 прикладывается обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде от протекания через него разности токов i_с - i_н. В момент t₃ ток диода равен нулю и VD2 запирается. Напряжение на С_К к моменту времени t₃ обычно больше Е и имеет обратную полярность (в скобках), в связи с чем создаются необходимые условия для отпирания VD1. При отпирании VD1 полярность напряжения на нагрузке меняется и образуется контур протекания тока нагрузки i_н (Е – VD1 – Z_н – C₂) и контур перезаряда С_К на завершающем этапе t₃ – t₄ (Е – VS_К2 – L_К - С_К - VD1). По окончании перезаряда напряжение U(о) на конденсаторе равно напряжению на нем до начала перезаряда, но имеет обратную полярность, соответствующую той, которая необходима для последующей коммутации VS1.

В момент t₄ подается сигнал управления на VS1. Однако этот тиристор не будет проводить ток i_н, т.к. он имеет направление, противоположное прямому направлению VS1 в связи с чем ток i_н продолжает протекать через диод VD1. Ток нагрузки, из-за наличия в ней индуктивности с момента t₃ уменьшается по экспотенциальному закону с постоянной времени τ = L_н/R_н. Энергия, запасённая в индуктивности нагрузки на этапе проводимости VS2 отдаётся в цепь источника питания (конденсатор С1) и активное сопротивление нагрузки.

Ток i_н начинает протекать через VS1 с момента времени t_5, когда ток нагрузки, протекающий через диод VD1, становится равным нулю. С момента t₅ направление i_н изменяется и нагрузка вновь начинает потреблять энергию от источника питания (конденсатор С1).

Ток нагрузки нарастает по экспотенциальному закону с постоянной времени τ = L_н/R_н, стремясь к значению Е/2R_н. В случае возможного изменения параметров нагрузки L_н и R_н, а в связи с этим момента t₅ перехода тока i_н через нуль, возникает необходимость в управлении силовыми тиристорами АИН (VS1 и VS2) широкими импульсами или пакетами импульсов. В противном случае отпирание силового тиристора в нужный момент может не произойти. В момент времени t₆ отпирается тиристор VS_К1. Процессы протекающие в дальнейшем в схеме аналогичны рассмотренным и связаны с запиранием VS1 и формированием напряжения на нагрузке положительной полярности.

Рассмотренную схему характеризуют сравнительно высокое напряжение U(о) на коммутирующем конденсаторе и обусловленные им повышенные значения прямого и обратного напряжений на коммутирующих тиристорах (до 2,5Е). Максимальное напряжение на силовых тиристорах VS1 и VS2 не превышает Е.

Дата добавления: 2014-01-05