Гармонический состав выходного

Напряжения трёхфазного инвертора

 

 

Регулировочная характеристика и спектральный состав выходного напряжения трёхфазного инвертора также как и однофазного зависят от коэффициента модуляции и формы модулирующего напряжения [10, 17].

 

В спектре выходного напряжения трёхфазного инвертора отсутствуют все чётные гармоники, а также гармоники кратные трём. Сам спектр определяется алгоритмом управления. При управлении автономным инвертором по закону амплитуды гармонических составляющих в фазном напряжении определяются из выражения:

 

, (5.1)

 

где - амплитуда -ой гармоники;

= 6n + 1; n = 0, 1, 2, 3…;

- напряжение питания.

 

Отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:

 

. (5.2)

 

Из уравнения (5.2) следует, что при простейшем алгоритме управления гармонический состав постоянен. В выходном напряжении наиболее сильно выражены пятая и седьмая гармоники. При ШИР на основной частоте повторения (рис. 5.15) отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:

 

. (5.3)

 

На рис. 5.18 а показаны зависимости относительных амплитуд гармоник от относительной длительности управления . Из рис. 5.18 видно, что в процессе регулирования при уменьшении выходного напряжения 5, 7, 11, 13 гармоники приближаются к основной, что искажает форму напряжения и тока и приводит к увеличению потерь от высших гармоник.

294 Электронные аппараты

 

 

Рис. 5.18. Гармонический состав выходного

напряжения АИН с ШИР

 

Некоторое улучшение гармонического состава достигается за счёт ШИР на несущей частоте (рис. 5.16).

 

В этом случае отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:

 

, (5.4)

 

где k определено выражением

 

. (5.5)

 

Из последнего выражения следует, что для монотонного уменьшения -

гармоники при уменьшении необходимо соблюдение условия . При k = 1 ни для одной из высших гармоник это условие не выполняется. При k = 2 оно выполняется только для пятой гармоники. При k = 3 – для пятой и седьмой гармоник и т. д.

 

На рис. 5.18 б показаны зависимости относительных амплитуд гармоник от относительной длительности управления для k = 2.

 

В случае широтно-импульсной модуляции расчёт спектра выходного напряжения инвертора представляет собой достаточно сложную задачу. На гармонический состав выходного напряжения здесь влияют отношение несущей

Автономные инверторы 295

 

частоты к частоте модуляции, закон изменения модулирующего напряжения и коэффициент модуляции. Использование пакета расширения Signal Processing Toolbox позволяет при любых сочетаниях этих регулируемых параметров определить спектральный состав выходного напряжения.

 

На рис. 5.19, в качестве примера, представлен спектр фазного напряжения на выходе инвертора при синусоидальной форме модулирующего напряжения и

= 400 В; m = 0, 85; = 500 Гц; = 25 Гц.

 

Сравнение этого спектра с аналогичным для однофазного инвертора показывает, что здесь практически подавлена гармоника на несущей частоте.

 

 

Рис. 5.19. Спектр фазного напряжения на выходе

инвертора при ШИМ

 

 

Трёхфазные тиристорные

Автономные инверторы

 

 

Появление на рынке мощных управляемых полупроводниковых приборов – тиристоров в 50-60 годах дало мощный толчок для развития теории и практики не только силовых преобразователей постоянного тока – управляемых выпрямителей, но и преобразователей переменного тока – автономных инверторов.

296 Электронные аппараты

 

Это время знаменуется массой оригинальных схемотехнических разработок, которые послужили базой дальнейшего развития силовой преобразовательной техники. И несмотря на то, что современный автономный инвертор существенно отличается от своего прародителя, следует, пусть в конспективной форме, рассмотреть работу и свойства тиристорных автономных инверторов. Это следует сделать как с методической, так и с практической точки зрения, поскольку до сих тиристорные инверторы полностью не вытеснены из производства и продолжают «трудиться» во многих отраслях промышленности.

 

В тиристорных автономных инверторах, в отличие от транзисторных, всегда присутствуют цепи коммутации (коммутирующие устройства КУ).

 

Классификацию тиристорных автономных инверторов в зависимости от способа коммутации представляет рис. 5.20 [3].

 

Первоначально инверторы разделены на два класса:

 

□ с одноступенчатой коммутацией;

 

□ с двухступенчатой коммутацией.

 

 

 

Рис. 5.20. Классификация тиристорных автономных

инверторов

 

 

В схемах с одноступенчатой коммутацией включение очередного

силового тиристора вызывает выключение (гашение) предыдущего силового тиристора. Поэтому эти инверторы при регулировании частоты не обладают способностью регулирования напряжения на выходе. Регулирование напряжения

Автономные инверторы 297

 

на выходе осуществлялось в звене постоянного тока, как правило, при использовании управляемого выпрямителя.

 

Схема трёхфазного автономного инвертора с одноступенчатой коммутацией показана на рис. 5.21.

 

 

 

Рис. 5. 21. Трёхфазный автономный инвертор

с одноступенчатой коммутацией

 

 

Схемы второго класса содержат дополнительные коммутационные тиристоры, которые выключают соответствующий силовой тиристор в независимости от состояния остальных. Это обеспечивает возможность регулирования напряжения и частоты на выходе инвертора.

 

Схемы с двухступенчатой коммутацией, в зависимости от способа построения КУ, делятся на три группы:

 

□ схемы с групповой коммутацией;

 

□ схемы с пофазной коммутацией;

 

□ схемы с индивидуальной коммутацией.

 

В первом случае КУ выключает одновременно всю группу анодных или катодных тиристоров.

 

При этом те, которые закрыты, остаются в закрытом состоянии, а те, которые открыты и проводят ток, запираются.

 

Пример трёхфазного инвертора с групповым КУ показан на рис. 5.22. Здесь

при включении вспомогательного тиристора (Т1 ) запирающее напряжение

298 Электронные аппараты

 

прикладывается ко всем анодным тиристорам (Т1, Т3, Т5).

 

В схемах с пофазной коммутацией КУ коммутирует одну фазу (плечо) инвертора, поочерёдно запирая то анодный, то катодный тиристор.

 

Пример инвертора с пофазной коммутацией показан на рис. 5.23.

Рис. 5.22. Трёхфазный инвертор с групповым КУ

Рис. 5.23. Трёхфазный инвертор с пофазной коммутацией

 

 

В схемах с индивидуальной компенсацией КУ «обслуживает» отдельный тиристор. Построение таких схем показано на (рис. 5.24).

 

Рис. 5.24. Трёхфазный инвертор с индивидуальной коммутацией

Автономные инверторы 299

 

Коммутационные процессы при выключении тиристоров практически не сказываются на электромагнитные процессы в нагрузке инвертора. Поэтому всё, что было сказано выше для инверторов на полностью управляемых полупроводниковых приборах, остаётся справедливым и для тиристорных инверторов.

 

 

Многоуровневые инверторы

 

 

В последние годы разработано значительное количество схем, позволяющих решить две основные задачи преобразовательной техники:

 

□ улучшить гармонический состав выходного напряжения;

 

□ увеличить максимальное выходное напряжение.

 

К наиболее интересным схемотехническим решениям можно отнести многоуровневые автономные инверторы.

 

Идею построения и управления многоуровневым инвертором рассмотрим на примере однофазного одноплечевого инвертора, изображённого на рис. 5.25.

Рис. 5.25. Одноплечевой трёхуровневый инвертор

 

Такой инвертор запитывается от источника со средней точкой. Роль делителя напряжения обычно выполняют конденсаторы. Сам инвертор содержит четыре последовательно включённых транзистора с обратными диодами. Схема

300 Электронные аппараты

 

дополняется двумя фиксирующими диодами (Clamped diode CD1, CD2). Способ управления транзисторами инвертора поясняет рис. 5.11.

 

Схема управления строится аналогично рассмотренной ранее рис. 4.12 а схеме управления мостовым ШИП.

 

При положительной полуволне модулирующего напряжения транзистор VT3 включён, транзистор VT1 выключен, а транзисторы VT2, VT4 переключаются в моменты равенства модулирующего (синусоидального) и пилообразного напряжения несущей частоты. При отрицательной полуволне модулирующего напряжения переключаются транзисторы VT1, VT3, транзистор VT2 включён, а транзистор VT4 выключен. Выходное напряжение инвертора показано на рис. 5.26. Такой инвертор называется трёхуровневым. Спектр одноплечевого трёхуровневого инвертора представлен на рис. 5.27. Способ

Рис. 5.26. Выходное напряжение трёхуровневого инвертора

 

Рис. 5.27. Спектр выходного напряжения трёхуровневого

инвертора

Автономные инверторы 301

 

управления пятиуровневым инвертором и его выходное напряжение представлены на рис. 5.28 а, б. При построении трёхфазного инвертора используются три однофазных, каждый из которых управляется от отдельной схемы управления. При этом модулирующие входные напряжения сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов.

Рис. 5.28. Алгоритм управления (а), напряжение и ток

нагрузки (б) пятиуровневого инвертора

 

Выпрямительный режим работы

Автономных инверторов

 

 

Автономный инвертор при определённых условиях может быть переведен в режим управляемого выпрямителя, когда энергия из цепи переменного тока передаётся в цепь постоянного тока.

 

Для реализации такого режима в цепи переменного тока инвертора должен присутствовать источник переменного напряжения с последовательно включённой индуктивностью (рис. 5.29).

Эта индуктивность препятствует возникновению токов короткого замыкания при переключении транзисторов инвертора.

 

Модулирующее напряжение, управляющее работой инвертора, должно иметь ту же частоту, что и напряжение источника переменного тока.

302 Электронные аппараты

 

Рис. 5.29. Автономный инвертор, реализующий

режим выпрямителя

 

 

Электромагнитные процессы при выпрямительном режиме работы инвертора определяются характером нагрузки в цепи постоянного тока, законом управления силовыми ключами инвертора, коэффициентом модуляции (m) и фазой модулирующего напряжения ( ) по отношению к напряжению источника переменного тока.

 

Векторные диаграммы всей системы при работе инвертора в режиме управляемого выпрямителя представлены на рис. 5.30, где обозначено:

 

- напряжение и ток первой гармоники в цепи переменного тока инвертора;

 

- падение напряжения на последовательной индуктивности от протекания тока первой гармоники в звене переменного тока инвертора;

 

- напряжение источника переменного тока.

 

Мощность, генерируемая инвертором в цепь постоянного тока без учёта потерь, определяется из уравнения

 

, (5.6)

 

где x = - реактивное сопротивление последовательной индуктивности.

 

Автономные инверторы 303

 

При работе инвертора в режиме управляемого выпрямителя он потребляет от источника переменного тока активную и реактивную мощность. Активная мощность определяется уравнением (5.6) и в большей степени зависит от формы модуляции инвертора. Реактивная мощность и её характер в большей степени зависят от коэффициента модуляции. Векторная диаграмма, показанная на рис. 5.30 а, соответствует малому значению m.

 

В этом случае реактивная составляющая тока опережает на 90 градусов напряжение источника и инвертор вместе с нагрузкой потребляет от источника реактивную, емкостную мощность.

 

 

а) б)

Рис. 5.30. Векторные диаграммы инвертора в режиме

выпрямления

На рис. 5.30 б показана векторная диаграмма для большого (m = 0, 9) значения коэффициента модуляции. Из рис. 5.30 б следует, что реактивная составляющая тока отстаёт от напряжения питания на 90 градусов. И инвертор вместе с нагрузкой потребляет из сети реактивную, индуктивную мощность.

 

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819

Поделиться: