Однофазные автономные инверторы
Общие сведения. Автономными инверторами в силовой преобразовательной технике
называются устройства, которые преобразуют постоянный ток в переменный в общем случае с регулируемой частотой и напряжением.
Основные области применения автономных инверторов следующие:
- питание потребителей переменным током в условиях, где единственным источником энергии является аккумуляторная батарея (например, бортовые источники питания), а также резервное электропитание переменного тока (электросвязь, вычислительная техника);
- электротранспорт, питающийся от контактной сети или иного источника постоянного тока, где в качестве тяговых электродвигателей желательно иметь недорогие и надёжные короткозамкнутые асинхронные двигатели;
- электропривод с асинхронными и синхронными двигателями, где инвертор служит источником переменного напряжения и частоты;
- электротермия, где автономные инверторы служат источниками высокой частоты для плавки, нагрева и закалки металлических изделий;
- электроэнергетика, где автономные инверторы выполняют функции активных фильтров, регулируемых компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений;
По построению АИН делятся на однофазные и многофазные (двухфазные, трёхфазные и т. д.). Основой построения многофазных инверторов служат однофазные одноплечевые и двухплечевые (мостовые) схемы.
Однофазные автономные инверторы. Силовая часть однофазных инверторов полностью повторяет силовую часть ШИП (рис. 4.1 а). Отличие состоит лишь в алгоритме управления силовыми транзисторными ключами. Если в схеме управления ШИП с симметричным законом управления (рис. 4.1 а) на вход подавать не постоянное, а переменное напряжение частоты (
), то в нагрузке будет формироваться импульсное напряжение, в котором гармоника с частотой () будет наиболее ярко выражена. Гармонический состав выходного напряжения, а соответственно и гармоника частоты в сильной степени будет зависеть от формы входного (в дальнейшем модулирующего) напряжения.
|
|
|
Рассмотрим работу одноплечевого АИН (рис. 189 а) с различными формами модулирующего напряжения. Первоначально рассмотрим закон с прямоугольным модулирующим напряжением. На рис. 189 б показаны алгоритм формирования напряжения на нагрузке и его первая гармоника.
Рис. 189. Одноплечевой однофазный инвертор (а), способ формирования выходного напряжения (б)
Функциональная схема управления, реализующая этот алгоритм, аналогична рассмотренной ранее для ШИП (рис. 189 в), но при этом, как сказано выше, на вход схемы управления должно подаваться переменное напряжение прямоугольной формы. Модель схемы управления повторяет аналогичную для ШИП (рис. 190).
|
|
|
На рис. 190 представлены результаты моделирования схемы управления инвертором с ШИР модуляцией. На верхней осциллограмме видны напряжения ГПН и напряжение на входе, на двух нижних – сигналы управления транзисторами инвертора.
Обычно схемы управления АИН строятся так, чтобы частота ГПН (рис. 189 б) на порядок и более превышала максимальную частоту напряжения на входе.
Рис. 190. Результаты моделирования схемы управления с ШИР
По аналогии с радиоприёмными и радиопередающими устройствами частота ГПН называется несущей 
, частота входного напряжения – модулирующей 
, а само входное напряжение называется модулирующим. Амплитуда и частота этого напряжения задаёт частоту и напряжение основной гармоники на выходе АИН.
На рис. 189 б показана первая гармоника выходного напряжения, которая равна частоте входного сигнала. Амплитуда этой гармоники определяется отношением амплитуды входного сигнала и амплитуды пилообразного напряжения 
. Это отношение обозначается через m и называется коэффициентом модуляции. Рассмотренная модуляция называется широтно-импульсным регулированием или ШИР модуляцией.
|
|
|
Напряжение на выходе инвертора (напряжение на нагрузке) при ШИР модуляции может быть представлено рядом Фурье:
. (1)
Составляющие этого разложения, как известно, называются гармониками. Из уравнения (1) следует, что в составе выходного напряжения присутствуют только нечётные (1, 3, 5 и т. д.) гармоники.
На рис. 191 приведены кривые, характеризующие относительный гармонический состав выходного напряжения инвертора, построенные на основании уравнения (1).
 |
Зависимость относительных амплитуд гармоник от частоты называется спектром. Ток нагрузки зависит от параметров нагрузки. При активной нагрузке ток имеет тот же гармонический состав, что и напряжение.
Рис. 191. Спектр выходного напряжения инвертора ШИР
При индуктивно-активной нагрузке высшие гармоники существенно подавлены.
В качестве примера на рис. 192 показан спектр выходного тока инвертора ШИР модуляции, для относительной постоянной времени нагрузки 
и = 25 Гц, = 500 Гц.
Рис. 192. Спектр выходного тока инвертора
В последние годы в связи с появлением мощных быстродействующих транзисторов (IGBT, MOSFET) широкое распространение получили иные способы широтно-импульсной модуляции.
|
|
|
Самым распространённым из них является способ с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ по синусоидальному закону). В этом случае модулирующим напряжением является синусоида.
Формирование выходного напряжения АИН при синусоидальной ШИМ показано на рис. 193. Там же показана первая гармоника выходного тока.
В схеме управления при ШИМ модуляции на вход подаётся синусоидальное модулирующее напряжение.
Результаты моделирования схемы управления при этом демонстрирует рис. 194.
Рис. 193. Принцип формирования выходного напряжения при синусоидальной ШИМ
Рис. 194. Результаты моделирования схемы управления с синусоидальной ШИМ
Для расчёта спектра выходного напряжения инвертора с синусоидальной ШИМ используются методы спектрального анализа, основанные на дискретном преобразовании Фурье. Теоретические вопросы, касающиеся спектрального анализа, выходят за рамки данного учебного пособия. Ниже этот анализ проведён с использованием интерактивных средств пакета расширения Signal Processing Toolbox. Пример такого анализа при ( = 25 Гц, = 500 Гц, m = 0,6, 
= 240 В) представлен на рис. 195. Как следует из рис. 5.7 ближайшая к первой высшая гармоника сдвинута на частоту несущей. При работе АИН на активно-индуктивную нагрузку ток этой гармоник будет на два порядка меньше тока первой гармоники. Поэтому при синусоидальной широтно-импульсной модуляции высшие гармоники можно не учитывать, считая, что инвертор является генератором синусоидального напряжения.
Рис. 195. Спектр выходного напряжения инвертора с ШИМ при m<1
Частота этого напряжения равна частоте модулирующего напряжения (), а амплитуда определяется коэффициентом модуляции
.
С целью увеличения амплитуды первой гармоники на выходе АИН иногда допустимо реализовать режим перемодуляции, когда m>1. Пример спектрального анализа при ( = 25 Гц, = 500 Гц, m = 1,2, = 240 В) представлен на рис. 196.
Рис. 196. Спектр выходного напряжения инвертора с ШИМ при m>1
Часто автономный инвертор строится так, чтобы он обладал свойствами источника тока. В этом случае используется замкнутый способ реализации ШИМ. Этот способ иллюстрирует рис. 197.
Рис. 197. Реализация «токового коридора» в инверторе
Здесь за счёт отрицательной обратной связи по току и релейного элемента (РЭ) ток в нагрузке пульсирует около заданного значения. Амплитуда и частота пульсаций определяется параметрами R, L активно-индуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного элемента. Часто такой способ ШИМ называют «токовым коридором».
При реализации «токового коридора» инвертор представляет собой источник тока.
Мостовой однофазный инвертор. Силовой каскад инвертора аналогичен силовому каскаду мостового ШИП. В отличии от полумостового мостовой инвертор позволяет реализовать не только симметричный, но и несимметричный способ управления. Схема управления при симметричном управлении. Отличие заключается лишь в том, что на вход In1 подаётся переменное модулирующее напряжение. Спектральный состав выходного напряжения при синусоидальной модуляции и симметричном законе управления. показан на рис. 198.
Рис.198. Спектр выходного напряжения с ШИМ в мостовом инверторе
При несимметричном управлении схема управления, как и для случая управления широтно-импульсным преобразователем, должна реагировать на знак модулирующего напряжения. При одном знаке (например, положительном) переключаются транзисторы одного плеча (например, VT1, VT2), а в другом плече один транзистор всё время открыт (например, VT3), другой (VT4)) закрыт, При отрицательном знаке модулирующего напряжения плечи меняются местами.
Описанный алгоритм работы реализуется так же, как и в ШИП. Модель схемы управления инвертором для этого случая полностью аналогична модели.
Постоянное напряжение смещения (блок Constant) и напряжение с выхода ГПН (блок Repeating Sequence 1) подаются на сумматоры, входное переменное напряжение подаётся на схему через входной порт (блок In1). В результате на схему сравнения поступают три напряжения, смещённые по величине. Осциллограммы этих напряжений, полученные при моделировании показаны на рис. 199. При этом при положительной волне синусоиды переключаются транзисторы одного плеча, а при отрицательной – другого.
Рис. 199. Результаты моделирования схемы управления с ШИМ при несимметричном управлении
Спектральный состав выходного напряжения при синусоидальной ШИМ модуляции и несимметричном управлении показан на рис. 200.
34.2 Трёхфазные автономные инверторы
Трёхфазный автономный инвертор состоит из трёх однофазных одноплечевых инверторов, присоединённых параллельно к одному источнику питания (рис. 201) [1, 3, 17, 18].
Нагрузка такого инвертора включается либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае переключения транзисторных ключей любой фазы инвертора вызывает изменение напряжения на всех фазах. Это обстоятельство сильно усложняет анализ электромагнитных процессов.
Рис. 200. Спектр выходного напряжения инвертора с ШИМ при несимметричном управлении
Рис. 201. Трёхфазный инвертор
В настоящее время известно большое число различных способов управления силовыми транзисторами инвертора. Для сравнительной оценки различных схем и способов управления инвертором целесообразно разделить их на ряд групп, положив в основу деления структуру силовой цепи инвертора и регулируемые параметры выходного напряжения. Классификация инверторов представлена в (табл. 1).
Табл. 1
| Структура силовой цепи | Регулируемые параметры результирующего вектора | |||
| 1. Модуль | 2. Средний модуль | 3. Модуль и средняя фаза | 3. Средний модуль и средняя фаза | |
| 1.Постоянная 2.Переменная | Регулирование
напряжения
в звене
постоянного тока
при 
То же
при 
| Широтно- импульсное регулирование (ШИР)* То же** | Регулирование напряжения в звене постоянного тока при ШИМ То же** | Широтно- импульсная модуляция (ШИМ) То же** |
Примечания:
* - с тремя силовыми ключами, открытыми в течение импульса, и с тремя – в течение
паузы;
** - с одним (АОП) или с двумя (АГП) силовыми ключами, закрытыми в течение паузы.
В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразделяются на два класса: инверторы с постоянной структурой силовой цепи и с переменной структурой силовой цепи.
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 трёх.
Простейшим способом управления транзисторными ключами VT1 – VT6 инвертора (рис. 201), обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи,является способ с , представленный на рис. 202.
Рис. 202. Алгоритм управления АИН с
Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения (в течение периода повторяемости 
) включены три транзистора. Последовательность управления следующая: 123, 234, 345, 456, 561, 612.
Простейшими способами управления транзисторами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы с 
.
Последовательность управления транзисторами при 
следующая: 12, 23, 34, 45, 56,61.
При 
транзисторы переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234, 34, 345, 45, 456, 56, 61, 612.
При этих способах управления в схеме выходного каскада образуются ветви, замыкающиеся 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 и также зависят от характера нагрузки.
При структура силовой цепи остаётся неизменной, если 
. Форма напряжения на нагрузке в этом случае аналогична форме с (рис. 202).
Электромагнитные характеристики систем при простейших способах управления инвертором достаточно подробно освещены в учебной литературе. Общим недостатком этих способов является необходимость применения управляемого выпрямителя для изменения напряжения на выходе инвертора.
Для облегчения регулирования выходного напряжения самим инвертором используются ШИР и ШИМ модуляции на основной и несущей частоте. Эпюры напряжений на входе транзисторов VT1 – VT6 и напряжение на выходе автономного инвертора представлены на рис. 203.
В течение каждого периода повторяемости для подключения нагрузки к источнику питания отпираются три транзистора (например, VT1, VT2, VT3); для отключения нагрузки от источника один из них запирается. Причём запирается тот транзистор, который позволяет отключить всю группу анодных или катодных силовых ключей. Так, для отключения нагрузки при отпертых ключах VT1, VT2, VT3, запирается ключ VT2, а при отпертых ключах VT2, VT3, VT4 – ключ VT3 и т. д. Такой способ управления называется алгоритмом одиночного переключения (АОП).
Рис. 203. Управление АИН при ШИР на основной частоте
Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе инвертора на основной частоте 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 отпёртых 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 
. При алгоритме группового переключения создаётся пауза в напряжении на нагрузке, если к моменту запирания двух транзисторов группы ток изменит знак. Это имеет место при малых постоянных времени нагрузки 
. Если значение велико и к рассматриваемому моменту ток знака не изменит, то паузу в выходном напряжении сформировать не удаётся.
Рассмотренные способы управления инвертором не позволяют реализовать постоянную структуру силовой цепи инвертора. Для реализации неизменной структуры необходимы дополнительные переключения транзисторов в каждой фазной группе. Пример такого управления для АОП представлен на рис. 204 штриховыми линиями. Здесь при запирании VT2, отпирается VT5, при запирании VT3, отпирается VT6 и т. д.
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. В этом случае в течение периода частоты повторяемости несколько раз с периодом 
происходит включение и отключение одного из силовых ключей (рис. 204).
При этом нагрузка оказывается подключённой к источнику питания на интервале 
, а на интервале фазы нагрузки закорочены. На рис. 204 представлен случай, когда 
.
Гармонический состав выходного напряжения при ШИР на несущей частоте улучшается, улучшается при малых значениях 
с увеличением кратности 
.
Рис. 204. Управление АИН при ШИР на несущей частоте
Улучшение гармонического состава выходного напряжения при любых k осуществляется при переходе к широтно-импульсной модуляции.
Схема управления в этом случае строится аналогично схеме управления однофазного инвертора с той лишь разницей, что модулирующие напряжения на каждое плечо являются симметричными (имеют одну амплитуду, частоту и сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов).
Виртуальная модель силовой части трёхфазного инвертора реализуется блоком Universal Bridge. При этом в поле Number of Bridge Arms необходимо ввести цифру 3. Для управления трёхфазным инвертором в библиотеке Powerlib/Exstras предусмотрен блок PWM Generator, окно настройки которого показано на рис. 205. В первом поле (Generator Mode) вводится количество плеч инвертора.
Рис. 205. Окно настройки блока управления с ШИМ
Далее: несущая частота, коэффициент модуляции, модулирующая частота и начальная фаза модулирующего напряжения. Кроме того, модель схемы управления может быть набрана из трёх схем. при этом на входы (блок In1) необходимо подавать переменные напряжения, сдвинутые по фазе на 120 градусов.
Рис. 206. Окно настройки блока управления с ШИМ
34.3. 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:
, (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:
. (2)
Из уравнения (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 отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:
. (3)
На рис. 207 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.
Рис. 207. Гармонический состав выходного напряжения АИН с ШИР
Некоторое улучшение гармонического состава достигается за счёт ШИР на несущей частоте.
В этом случае отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:
, (4)
где k определено выражением
. (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. 207 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 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. 208, 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. 208. Спектр фазного напряжения на выходе инвертора при ШИМ
34.4 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.
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. 209. 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 на выходе осуществлялось в звене постоянного тока, как правило, при использовании управляемого выпрямителя.
Схема трёхфазного автономного инвертора с одноступенчатой коммутацией показана на рис. 210.
Рис. 210. 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. 211. Здесь при включении вспомогательного тиристора (Т1 
) запирающее напряжение 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. 212.
Рис. 211. Трёхфазный инвертор с групповым КУ
Рис. 212. Трёхфазный инвертор с пофазной коммутацией
В схемах с индивидуальной компенсацией КУ «обслуживает» отдельный тиристор. Построение таких схем показано на (рис. 213).
Рис. 213. Трёхфазный инвертор с индивидуальной коммутацией
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.
Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 184; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!