«Г. С. ЗИНОВЬЕВ ОСНОВЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ЧАСТЬ 1 Учебник НОВОСИБИРСК 2001 Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч.1. – 199 с. ISBN 5-7782-0264-4 Настоящий учебник ...»

• введения вентилей обратного тока;

• введения тиристорно-индуктивного регулятора;

• применения широтно-импульсного регулирования выходного тока инвертора;

• применения векторного (фазового) регулирования.

Ниже кратко рассмотрены указанные варианты инверторов тока.

2.1.2. РАЗВИТИЕ СХЕМОТЕХНИКИ ИНВЕРТОРОВ ТОКА 2.1.2.1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА При запредельных токах нагрузки параллельного инвертора тока, вызывающих невосстановление управляющих свойств проводящего тиристора, происходит короткое замыкание источника входного напряжения через невосстановившийся тиристор и вновь включенный очередной тиристор, т.е. через две ветви моста. Можно схемным решением ограничить предельно возможный ток, отбираемый с выхода мостового коммутатора, если подключить нагрузку параллельно части расщепленного компенсирующего конденсатора, как показано на рис. 2.1.6.

Здесь конденсатор С1 будет ограничивать предельную величину тока iи, отбираемого с выхода тиристорного коммутатора, по мере уменьшения сопротивления нагрузки R. В пределе, при коротком замыкании в нагрузке (R = 0) инвертор переходит в режим холостого раскачивая напряжение на ней до бесконечности в соответствии с внешней характеристикой параллельного инвертора. Это требует принятия дополнительных мер (рассматриваемых ниже) по ограничению выходного напряжения инвертора, в то время как ток короткого замыкания нагрузки здесь уже вначале ограничен самой схемой.

2.1.2.2. ИНВЕРТОР ТОКА С ОТСЕКАЮЩИМИ ВЕНТИЛЯМИ Из принципа работы параллельного инвертора тока на тиристорах видно, что переменный ток инвертора iи должен опережать переменное напряжение на выходе инвертора Uвых на угол. Это опережение обеспечивается за счет реактивной мощности конденсатора QC, которая расходуется на компенсацию реактивной мощности нагрузки Qн при отстающей фазе тока относительно напряжения и реактивной мощности на коммутацию Qк, пропорциональную углу и необходимую для восстановления управляющих свойств вентиля после его выключения. Тогда уравнение баланса реактивных мощностей на выходе инвертора тока будет иметь вид с учетом векторной диаграммы рис. 2.1. (2.1.10) откуда Из этого соотношения видно, что при заданной активной мощности нагрузки Pн, ее cos н и требуемом тиристорами угле на их восстановление, величина емкости обратно пропорциональна частоте выходного напряжения.

Из данного результата следуют два важных вывода. Во-первых, параллельный инвертор тока трудно применять для получения низких частот выходного напряжения из-за больших значений емкости конденсатора, а также больших значений индуктивности реактора Ld в звене постоянного тока, призванного подавлять во входном токе инвертора гарРис. 2.1. (см. рис. 2.1.1,б). Во-вторых, параллельный инвертор тока плохо подходит для получения выходного напряжения с регулируемой частотой, например для целей построения регулируемого электропривода переменного тока, так как переизбыток реактивной мощности конденсатора на высоких частотах будет приводить к резкому росту напряжения на выходе инвертора в соответствии с уравнением внешней характеристики (2.1.5).

Для устранения указанных недостатков используют схему инвертора тока с отсекающими вентилями, которые могут быть и управляемыми [10,11].

Поскольку такой инвертор тока позволяет регулировать частоту выходного напряжения, рационально рассмотреть пример трехфазного инвертора тока с отсекающими вентилями, предназначенного для питания трехфазных асинхронных двигателей. Схема такого инвертора показана на рис. 2.1.8 и содержит две группы коммутирующих конденсаторов: С1, С3, С5 для катодной группы вентилей Т1, Т3, Т5 и С2, С4, С6 для анодной группы вентилей Т2, Т4, Т6.

Конденсаторы отделены от фаз нагрузки ZA, ZB, ZC соответствующими отсекающими В любой момент времени в схеме открыты два тиристора, один в катодной группе и один в анодной группе, например Т1 и Т2, через которые питаются фазы С и А нагрузки. Это означает, что каждый тиристор работает по одной трети периода выходного напряжения. Такой режим есть следствие так называемого 120-градусного алгоритма управления инвертором. Конденсаторы С и С5 заряжены в полярности, указанной на рис. 2.1.8. При включении очередного тиристора Т3 к тиристору Т1 скачком прикладывается в обратном направлении напряжение конденсатора С1 и тиристор Т1 выключается. Так как в цепи постоянного тока протекает неизменный ток id = id, то теперь этот ток вместо тиристора Т1 потечет через конденсатор С1 и параллельную ему цепочку из последовательных конденсаторов С5 и С3. В момент смены полярности напряжения на конденсаторе С1 закончится действие отрицательного напряжения на тиристоре Т1 и он восстановит свои управляющие свойства. Другой характерный момент процесса коммутации связан с фактом достижения напряжением на конденсаторе С1 линейного напряжения UАВ. С этого момента начнется коммутация тока нагрузки, равного Id, из фазы А в фазу В по контуру С5 -D3 -ZB - ZA - D1 - C5. Этот процесс аналогичен процессу коммутации в диодном выпрямителе, только вместо напряжения сети коммутирующим напряжением является напряжение на конденсаторе С1. В процессе коммутации ток фазы В нагрузки нарастает, а ток фазы А уменьшается так, что сумма токов остается равной току Id. Конденсатор С1 продолжает дозаряжаться до момента времени, пока не спадет к нулю ток фазы А и диод D1 не закроется.

В этот характерный момент коммутации инвертор переходит в новое состояние с открытыми тиристорами Т3 и Т2 и с токами в фазах В и С нагрузки. При этом емкость С1 перезарядилась в обратную полярность напряжения, емкость С5 разрядилась, а емкость С3 зарядилась в полярность минус слева, плюс справа и подготовилась для коммутации тока с тиристора Т3 на тиристор Т через 1200. Через шестую часть периода произойдет аналогичная коммутация в анодной группе вентилей при включении тиристора Т4, при этом заряженные в указанной полярности емкости С2 и С6 подготовлены для обеспечения выключения тиристора Т2.

Таким образом, емкости в этом инверторе подключаются параллельно нагрузке только на время коммутации токов в фазах нагрузки, поэтому они и названы коммутирующими. Их величина не зависит от значения реактивной мощности нагрузки, что и позволяет работать инвертору тока с отсекающими диодами на любую нагрузку и при любой частоте выходного напряжения в пределах коммутирующей способности емкостей.

2.1.2.3 ИНВЕРТОР ТОКА С ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ ОБРАТНОГО ТОКА Для предотвращения чрезмерного возрастания напряжения на выходе инвертора тока при малых нагрузках в соответствии с уравнением внешней характеристики (2.1.4) на его выход вводят выпрямитель обратного тока, нагруженный на противоЭДС требуемого уровня (рис. 2.1.9). Реактор L0B в цепи постоянного тока выпрямителя обратного тока на диодах D1 – D4 обеспечивает режим непрерывного тока в цепи. При этом внешняя характеристика инвертора тока будет иметь участок ограничения напряжения при малых нагрузках (рис. 2.1.10).

Практически неудобно иметь второй источник постоянного напряжения, необходимый для нагрузки выпрямителя обратного тока. Непосредственно подключить выход этого выпрямителя к источнику входного напряжения Uвх нельзя, так как его выпрямленное напряжение U0В = UвыхКп.н больше, чем напряжение входного источника, величина которого связана соотношением (2.1.9), т.е. U вх = Кп. нU вых cos. Поэтому на вход выпрямителя обратного тока нужно подать только cos – часть выходного напряжения инвертора, что требует наличия на выходе инвертора тока трансформатора, к отводам которого и подключаются диоды выпрямителя обратного тока. Это естественным образом достигается в нулевой схеме автономного инвертора тока, требующей по характеру работы наличия выходного трансформатора, как показано на рис. 2.1.11.

Очевидно, что, сделав вентили обратного тока управляемыми с углом, можно регулировать величину выходного напряжения инвертора тока, поскольку тогда т.е.

С другой стороны, добавление на выход инвертора тока управляемого выпрямителя обратного тока уменьшит результирующий коэффициент мощности нагрузки инвертора, т.е. его н, что в соответствии с (2.1.11) потребует увеличения значения емкости конденсатора С инвертора для компенсации возросшей реактивной мощности результирующей нагрузки, складывающейся из собственной нагрузки инвертора и выпрямителя обратного тока.

Таким образом, можно заключить, что:

• использование выпрямителя обратного тока в инверторе требует дополнения его выходным трансформатором и при неуправляемом выпрямителе только ограничивает предельную величину выходного напряжения инвертора;

• при управляемом выпрямителе обратного тока появляется возможность регулировать выходное напряжение инвертора ценой повышения затрат на установку конденсатора большей величины, что ограничивает применение этой модификации инвертора;

• появляется дополнительный канал управления.

1.2.2.4. ИНВЕРТОР ТОКА С ТИРИСТОРНО-РЕАКТОРНЫМ

РЕГУЛЯТОРОМ

Как следует из соотношения (2.1.11), при прочих равных условиях выходное напряжение инвертора зависит от коэффициента мощности нагрузки cos н. Именно это обстоятельство было использовано в рассмотренном выше исполнении инвертора тока с управляемым выпрямителем обратного тока.

Возможно и иное регулирование результирующей реактивной мощности, потребляемой с выхода инвертора тока, за счет подключения параллельно нагрузке чисто реактивного регулируемого потребителя тока, влияющего на результирующий коэффициент мощности. В качестве такого регулируемого реактивного сопротивления обычно используется индуктивность реактора, включенного последовательно с парой встречно-параллельно включенных тиристоров (гл. 3), как это видно из схемы такого инвертора на рис. 2.1.12.

В главе 3 будет показана зависимость эквивалентной (виртуальной) индуктивности на входе такой тиристорно-реакторной цепи от угла управления тиристорами и индуктивности реактора. Сейчас будем полагать, что параллельно активному сопротивлению R нагрузки включена еще эквивалентная индуктивность L (рис. 2.1.9).

Для получения уравнений внешних и регулировочных характеристик такого инвертора тока запишем дифференциальное уравнение для выходной цепи инвертора:

(2.1.13) Выполнив алгебраизацию этого уравнения для действующего значения первой гармоники выходного напряжения, аналогичную сделанной для уравнения (2.1.2), получим в тех же относительных единицах По этому соотношению можно построить семейства внешних и регулировочных характеристик при различных значениях угла н полного сопротивления нагрузки. Они подобны соответствующим характеристикам на рис. 2.1.5 для н = 0.

Методом АДУ2 можно определить и качество выходного напряжения инвертора, оцениваемого по его коэффициенту гармоник. Для получения формулы для действующего значения высших гармоник выходного напряжения методом АДУ2 запишем дифференциальное уравнение для мгновенного значения напряжения высших гармоник, аналогичное (2.1.13):

После его алгебраизации (см. раздел 1.5.2.3.2 части 1) получим для действующих значений Из (2.1.16) видно, что в рамках первого уровня приближения (N = 1, т.е.

U вых.вг = 0, U вых.вг = 0 ) решение не будет включать в себя параметры нагрузки R и L. Поэтому построим решение в рамках второго уровня приближения (N = 2) [23], для чего проинтегрируем левую и правую части уравнения (2.1.15) два раза:

(2.1.17) В рамках второго уровня приближения (N = 2, т.е. U вых.вг = 0, U вых.вг = 0 ) из (2.1.17) после алгебраизации получим Здесь К г.т – интегральный коэффициент гармоник выходного тока вентильного комплекта инвертора, при прямоугольной форме тока, равный для однофазного инвертора К г.т = 0,04.

Тогда из (2.1.16) с учетом (2.1.18) будем иметь или в тех же относительных единицах, что и в формуле для первой гармоники по (2.1.5) Через это соотношение и (2.1.14) определяем коэффициент гармоник выходного напряжения который зависит от интегральных коэффициентов гармоник тока вентильного комплекта инвертора первого и второго порядков.

Таким образом:

• тиристорно-реакторный регулятор, подгружая выход инвертора реактивным током, расширяет рабочий участок внешних характеристик инвертора тока, на котором выходное напряжение мало зависит от выходного тока инвертора, но не исключает резкого возрастания выходного напряжения инвертора при снижении потребления нагрузкой активной мощности (при росте R*);

• тиристорное регулирование тока индуктивности искажает его, что соответственно приводит к дополнительному искажению формы выходного напряжения инвертора, не учитываемому формулой (2.1.21);

• появляется дополнительный канал управления.

2.1.2.5. ИНВЕРТОР ТОКА С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ

ФОРМИРОВАНИЯ КРИВОЙ ВЫХОДНОГО ТОКА

Прямоугольный характер тока на выходе вентильного комплекта инвертора тока обусловливает близкую к прямоугольной (точнее, трапецеидальной) форме выходного напряжения инвертора на низких частотах, когда время перезаряда коммутирующей емкости становится малым по сравнению с длительностью полупериода выходного напряжения. Это ограничивает нижнюю рабочую частоту инвертора тока с рассмотренным простым алгоритмом управления.

Качество выходного напряжения инвертора тока можно значительно улучшить, если применить на низких выходных частотах широтно-импульсный способ формирования кривой выходного тока вентильного комплекта инвертора. Так как подобные регулируемые по выходной частоте источники переменного напряжения требуют прежде всего системы регулируемого электропривода переменного тока, которые, начиная с мощности несколько киловатт, являются трехфазными, то проанализируем широтно-импульсный способ формирования выходного тока инвертора применительно к трехфазному инвертору тока. Для концентрации внимания именно на особенности алгоритма управления рассмотрим инвертор тока на GTO-тиристорах (рис. 2.1.13), хотя все сказанное будет применимо и к трехфазному тиристорному инвертору с отсекающими вентилями.

Улучшение формы выходного тока инвертора достигается за счет формирования каждого полупериода тока в виде последовательности импульсов тока, длительность которых изменяется по трапецеидальному закону (рис. 2.1.14).

Такой алгоритм управления просто реализуется с учетом установленной выше особенности трехфазного инвертора тока – наличия включенными в любой момент времени одного вентиля катодной группы моста инвертора и одного вентиля анодной группы [4]. Конденсаторы С на выходе инвертора выполняют функцию «энергетического буфера» между импульсами источника тока, каким по выходу является инвертор тока, и нагрузкой Zн, как правило, содержащей последовательный реактанс индуктивного характера (индуктивности рассеивания трансформаторов, асинхронных двигателей), не допускающий скачков тока в них.

ПО ИНВЕРТОРАМ ТОКА

Таким образом, автономные инверторы тока имеют следующие свойства:

• сильную зависимость величины и формы выходного напряжения от величины и характера нагрузки в классическом варианте инвертора. Ограничение на минимум нагрузки диктуется допустимой степенью возрастания напряжения на выходе инвертора. Ограничения на максимум нагрузки обусловлены требованием восстановления управляющих свойств тиристоров. Влияние изменения частоты выходного напряжения на его величину такое же, как влияние изменения нагрузки;

• большую величину индуктивности реактора в звене постоянного тока для реализации режима источника тока, что ухудшает массогабаритные показатели инвертора тока;

• большую инерционность регулирования величины выходного напряжения за счет регулирования входного напряжения инвертора из-за большой электромагнитной постоянной времени реактора в звене постоянного тока;

• возможность уменьшения пределов изменения напряжения на внешней характеристике инвертора модифицированной схемы инвертора путем применения или выпрямителя обратного тока, или тиристорно-индуктивного регулятора; возможность снижения величины (а значит, и массогабаритных показателей) коммутирующей емкости за счет применения отсекающих вентилей;

возможность улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора, особенно при низких частотах, методом широтно-импульсного формирования токов вентилей;

• благоприятный с позиций электромагнитной совместимости режим нагрузки источника входного напряжения постоянным током со входа инвертора тока.

Резонансными называются инверторы, у которых периодический характер электромагнитных процессов в нагрузке обусловлен колебательными свойствами LC-контура инвертора. При этом возможны три варианта композиции LC-контура и нагрузки:

• последовательное включение нагрузки в последовательный LC-контур – последовательные резонансные инверторы;

• параллельное подключение нагрузки к L или С LC-контура;

• подключение нагрузки параллельно к части С контура.

Эти три вида подключения нагрузки определяют три вида резонансных инверторов:

• параллельный;

• последовательно-параллельный;

• последовательный.

Кроме того, различают резонансные инверторы с закрытым входом, у которых индуктивность резонансного контура находится в цепи постоянного тока (на входе) инвертора, и с открытым входом, у которых эта индуктивность находится на стороне переменного тока инвертора (в выходной цепи).

2.2.1. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ

РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ЗАКРЫТЫМ ВХОДОМ

Схема параллельного резонансного инвертора аналогична схеме параллельного инвертора тока на рис. 2.1.2 и отличается только параметрами индуктивности реактора в звене постоянного тока. Из этой индуктивности и емкости на выходе инвертора образуется LC-контур, индуктивность и емкость которого разделены вентильным комплектом. Параметры колебательного контура и частота импульсов управления вентилями моста выбраны так, что ток во входном реакторе имеет прерывистый характер. Это обеспечивает естественное отключение тиристоров при спаде тока в них до нуля. Действительно, при включении в момент t0 тиристоров Т1, Т4 конденсатор стремится зарядиться через индуктивность реактора до напряжения, превышающего напряжение входного источника (рис. 2.2.1).

В момент t1, когда колебательная полуволна тока реактора спадет до нуля, тиристоры Т1 и Т4 окажутся под обратным напряжением, равным разности напряжения на конденсаторе и напряжения входного источника. До момента времени t2 конденсатор разряжается только током нагрузки. В момент времени t2 включаются тиристоры Т2, Т3 второй диагонали моста. Если к этому моменту времени конденсатор не успел разрядиться до уровня напряжения входного источника, то тиристоры Т1, Т4 останутся под обратным напряжением до момента t3 смены полярности напряжения на конденсаторе.

В силу очевидной зависимости в трансцендентной форме момента времени t2 от параметров схемы расчет основных характеристик параллельного резонансного инвертора может быть сделан только численно. Анализ показывает их подобие к характеристикам параллельного инвертора тока [15]. Преимущество резонансного режима работы инвертора состоит в том, что токи тиристоров в моменты их включения и выключения равны нулю; в результате этого существенно уменьшает потери на переключение в тиристорах. В результате параллельный резонансный инвертор может работать при бльших частотах выходного напряжения, чем параллельный инвертор тока, где токи тиристоров изменяются скачком в моменты коммутации вентилей. Прерывистый характер тока в звене постоянного тока инвертора, кроме того, обеспечивает высокую скорость регулирования амплитуды выходного напряжения за счет изменения как напряжения входного источника питания, так и величины бестоковой паузы. Правда, последний способ приводит к ухудшению формы выходного напряжения инвертора при глубоком регулировании.

Подобно тому как улучшаются характеристики последовательно-параллельного инвертора тока по сравнению с параллельным инвертором тока (см.

раздел 2.1.2.1), также улучшаются характеристики последовательно-параллельного резонансного инвертора по сравнению с параллельным резонансным инвертором. Схема последовательно-параллельного резонансного инвертора идентична схеме последовательно-параллельного инвертора тока, показанной на рис. 2.1.6.

2.2.2. РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ОТКРЫТЫМ ВХОДОМ 2.2.2.1. КЛАССИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ

РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ

(БЕЗ ОБРАТНЫХ ВЕНТИЛЕЙ)

Нулевая, полумостовая и мостовая схемы последовательных резонансных инверторов показаны на рис. 2.2.2. Все они работают, как и параллельные резонансные инверторы, в режиме прерывистого входного тока. Типовые диаграммы входного тока инвертора, напряжения на конденсаторе и тока нагрузки приведены на рис. 2.2.3.

В отличие от параллельных инверторов здесь напряжение на конденсаторе колебательного контура не спадает во время нулевой паузы, но ток нагрузки имеет прерывистый характер. Аналитическое исследование прерывистого режима работы последовательного резонансного инвертора осложнено теми же трудностями, что и у параллельного резонансного инвертора, и поэтому здесь не приводится. С ним можно ознакомиться по монографиям [15] и прежним учебникам [9]. Да и сами эти схемы утрачивают свое доминирующее значение для создания преобразователей повышенной частоты из-за невозможности режима холостого хода и существенной зависимости режима работы от параметров нагрузки. Их потеснили схемы резонансных инверторов с вентилями обратного тока на тиристорах или на транзисторах, у которых нет ограничений, связанных с обеспечением времени на восстановление их управляющих свойств после интервала проводимости ими тока.

2.2.2.2. РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ВЕНТИЛЯМИ

ОБРАТНОГО ТОКА

Тиристорные инверторы. Схема полумостового последовательного резонансного инвертора на тиристорах с диодами обратного тока приведена на рис. 2.2.4,а для случая доступности средней точки источника входного напряжения и на рис. 2.2.4,б – вариант с расщепленным фильтровым (коммутирующим) конденсатором, когда средняя точка источника недоступна.

Работают схемы аналогично. Сначала рассмотрим случай, когда частота импульсов управления тиристорами ниже частоты резонанса контура LкCк и он работает в режиме прерывистого тока (рис 2.2.5).

В момент времени t1 включается тиристор Т1 и конденсатор Ск заряжается в колебательном режиме до напряжения, близкого к двойному напряжению источника входного напряжения Uвх/2. В момент времени t2 зарядная полуволна тока через тиристор спадает до нуля и он закрывается. Конденсатор на интервале t2t3 заряжается также в колебательном режиме через диод обратного тока D1 на источник входного напряжения Uвх. Величина остаточного напряжения на конденсаторе в момент времени t3 зависит от соотношения волнового сопротивления колебательного контура к с сопротивлением нагрузки и в установившемся режиме равна взятому с обратным знаком начальному напряжению на конденсаторе в момент времени t1.

В момент времени t2 включается тиристор Т2 и происходят аналогичные процессы перезаряда конденсатора в отрицательную полярность через тиристор Т2 и диод D2 до момента времени t6. С момента времени t7 начинается новый период формирования напряжения на конденсаторе.

В рассмотренном режиме прерывистого тока нагрузки включение и выключение тиристоров и диодов происходит при нулевых токах в них, что снижает потери на коммутацию. Время, предоставляемое на восстановление управляющих свойств тиристоров, равно времени протекания тока через диоды обратного тока (интервалы t2t3 и t5t6). Действующее или среднее по модулю выходное напряжение регулируют длительностью бестоковых пауз t3t4, t6t7, что достигается изменением частоты импульсов управления тиристорами. Такое регулирование связано с ухудшением качества выходного напряжения и обычно приемлемо, только если выходное напряжение инвертора подвергается дальнейшему преобразованию, обычно выпрямлению и фильтрации постоянного тока.

Качество выходного напряжения можно улучшить при режиме работы с непрерывным током нагрузки, временные диаграммы для этого случая показаны на рис. 2.2.6. Здесь включение тиристора Т2 в момент t3 происходит раньше спада тока до нуля в диоде D1, что возможно, так как к тиристору Т при проводящем диоде D1 приложено прямое напряжение Uвх. Уменьшение временного интервала t2t3 приводит к увеличению остаточного напряжения на конденсаторе в момент его перезаряда в обратную полярность, что, естественно, вызовет рост амплитуды напряжения на конденсаторе. Значит, и в режиме непрерывного тока нагрузки регулирование частоты выходного напряжения инвертора будет регулировать величину выходного напряжения без того искажения формы, которое присуще режиму прерывистого тока. Другая возможность регулирования выходного напряжения инвертора при выполнении его по однофазной мостовой схеме, вентильный комплект которой подобен реверсивному ШИП на рис. 1.1.6,б, связана с однополярным широтно-импульсным регулированием выходного напряжения вентильного комплекта.

Подробнее о широтно-импульсном регулировании см. в разделе 2.3.

В практических схемах таких инверторов нагрузка (обычно выпрямитель для получения постоянного напряжения другого уровня, чем Uвх) подключается через выходной трансформатор Тр, как показано на рис. 2.2.7,а. В первом случае роль индуктивности колебательного контура будет практически выполнять суммарная индуктивность рассеивания обмоток трансформатора, если пренебречь влиянием индуктивности намагничивания трансформатора по сравнению с нагрузкой.

Во втором случае (рис. 2.2.7,б) приведенное сопротивление нагрузки оказывается включенным параллельно конденсатору. Ниже для этого случая включения нагрузки найдем внешнюю и регулировочную характеристики резонансного инвертора и качество его выходного напряжения, воспользовавшись методом АДУ. Для упрощения анализа сначала расчет сделаем по первой гармонике методом АДУ(1), а затем оценим методом АДУ2 степень искажения реальной кривой напряжения по коэффициенту гармоник напряжения.

Расчетная схема замещения параллельного резонансного инвертора рис. 2.2.7,а,б показана на рис. 2.2.8.

Генератор прямоугольного напряжения Uи моделирует прямоугольное выходное напряжение вентильного комплекта инвертора (см. нижнюю диаграмму рис. 2.2.6). Дифференциальное уравнение для первой гармоники напряжения из дифференциального уравнения для тока активного сопротивления (1.5.10) части 1:

После его алгебраизации получаем для действующего значения первой гармоники выходного напряжения Переходя опять к относительным единицам и исключая сопротивление R* заменой *, получаем для выходного наI вых(1) пряжения По этому соотношению можно построить как внешние характеристики резонансного инвертора U вых(1) = f1 I вых(1) при * = const, так и регулировочные характеристики. Семейства этих характеристик показаны соответственно на рис. 2.2.9 и 2.2.10.

Необходимо иметь в виду, что рабочие участки на этих характеристиках ограничиваются условием, чтобы время проводимости диода обратного тока (интервал t2t3 на рис. 2.2.6) было больше времени, требуемого на восстановление управляющих свойств тиристоров tв, определяемого их типом и равного для высокочастотных тиристоров порядка 10…40 мкс.

Для оценки качества формы выходного напряжения резонансного инвертора рассчитаем его коэффициент гармоник методом АДУ2. Дифференциальное уравнение для выходного напряжения высших гармоник находим аналогично (2.2.1):

Преобразовав его в интегральное уравнение и выполнив алгебраизацию в рамках АДУ2, получим для действующего значения высших гармоник выходного напряжения следующее алгебраическое уравнение:

Решение этого уравнения в рамках первого уровня допущения метода АДУ2, т.е. при U вых.вг = 0, U вых.вг = 0, дает априорно недостаточную точность результата, так как в решении будет отсутствовать параметр нагрузки R. Поэтому строим решение для второго уровня приближения метода АДУ2 [14]. Для этого еще раз интегрируем уравнение (2.2.5), что дает и затем выполняем алгебраизацию этого интегрального уравнения, приводящую к следующему уравнению:

В рамках второго уровня допущения считаем, что U вых.вг = 0, так как двойное и тройное интегрирование несинусоидальных кривых ослабляет в них высшие k-е гармоники по отношению к первой соответственно в 2 и 3 раз и ими уже можно пренебречь.

Тогда из совместного решения (2.2.6) и (2.2.7) получаем для искомого действующего значения высших гармоник выходного напряжения С учетом тех же относительных единиц, которые использованы при выводе (2.2.3), получаем Здесь К г(2), К г(3) – интегральные коэффициенты гармоник напряжения вентильного комплекта инвертора второго и третьего порядка, равные при его прямоугольной форме К г(2) = 0.038, К г(3) = 0.0121.

Выражение для коэффициента гармоник выходного напряжения инвертора получаем при делении соотношение (2.2.9) на соотношение (2.2.3).

Графики зависимости коэффициента гармоник от относительной частоты управления * при I вых(1) = const показаны на рис. 2.2.11.

Параллельный резонансный инвертор критичен к максимальной нагрузке, но работоспособен на холостом ходу. Последовательный резонансный инвертор критичен к минимальной нагрузке, но сохраняет работоспособность при коротком замыкании нагрузки. Поэтому наилучшими свойствами в допустимом диапазоне изменения нагрузки априори должен обладать последовательно-параллельный резонансный инвертор, полумостовой вариант которо- Рис. 2.2. го показан на рис. 2.2.12.

В отличие от LC колебательной цепи в ранее рассмотренных резонансных инверторах, здесь LCC колебательная цепь дает одну дополнительную степень свободы для формирования характеристик инвертора помимо обеспечения требуемых значений собственной частоты колебательного контура и его волнового сопротивления. Но опять остается проблема обеспечения времени, предоставляемого схемой на восстановление управляющих свойств тиристоров, анализ которого может быть сделан в общем случае только численно.

Транзисторные инверторы. Из временных диаграмм рис. 2.2.6 видно, что при частоте управления вентилями инвертора, равной собственной резонансной частоте контура, интервал t2t3, в течение которого вентили (тиристоры) восстанавливали свои управляющие свойства, исчезает. Значит, работа резонансного инвертора при частотах управления вентилями, больших собственной резонансной частоты LC-контура, возможна только в случае использования в качестве их вентилей с полным управлением (транзисторов, GTOтиристоров), для которых нет проблем восстановления управляющих свойств.

Схема транзисторного последовательно-параллельного резонансного инвертора показана на рис. 2.2.13а, а диаграммы ее работы – на рис. 2.2.13б.

При снятии сигнала управления с транзистора Т1 он выключается и ток из него коммутирует в диод D2, который проводит до момента времени t2. Заряжавшийся в коле- Рис. 2.2.13б бательном режиме конденсатор С с этого момента начинает разряжаться. В момент времени t2 ток резонансного контура начинает протекать через транзистор Т2 и на интервале t2t3 конденсатор перезаряжается в обратную полярность напряжения. В момент времени t транзистор Т2 выключается и ток контура переходит в диод обратного тока D1, который проводит спадающий к нулю ток до момента t4. Затем включается транзистор Т1 и все процессы в схеме повторяются.

Внешние и регулировочные характеристики транзисторного резонансного инвертора могут быть получены из выражения (2.2.3) для случая * > 1.

Они приведены на рис. 2.2.14 и 2.2.15 соответственно.

Дальнейшего улучшения качества рассмотренных характеристик в случае транзисторного инвертора можно достигнуть, как и в случае тиристорного инвертора, переходом к варианту последовательно-параллельного инвертора.

Схема такого инвертора получается из схемы тиристорного инвертора на рис.

2.2.12 заменой тиристоров на транзисторы. Получим внешние и регулировочные характеристики по первой гармонике выходного напряжения транзисторного LCC-инвертора методом АДУ(1).

Дифференциальное уравнение для напряжения U2 конденсатора С2 инвертора на рис. 2.2.12 имеет вид После его алгебраизации по методу АДУ(1) получаем для действующего значения первой гармоники выходного напряжения, равного напряжению на конденсаторе С2 (с учетом коэффициента Кс, равного отношению емкости параллельного конденсатора С2 к емкости последовательного конденсатора С1:

Переходя к относительным единицам по аналогии (2.2.3), получаем Для исключения сопротивления нагрузки R* и получения в явной форме уравнения внешней характеристики инвертора заменим R = * и введем обозначения соответствующих коэффициентов К1, К2, К3, не зависящих от R*, после чего уравнение (2.2.12) примет вид Из его решения найдем уравнение внешней характеристики инвертора Графики внешних характеристик приведены на рис. 2.2.14 для разных значений параметров * и Кс.

Соотношение (2.2.13) определяет и регулировочные характеристики резонансного инвертора U вых(1) = f * при * = const, К с = const. Графики этих зависимостей показаны на рис. 2.2.15.

2.2.3. РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С УМНОЖЕНИЕМ ЧАСТОТЫ

Увеличение частоты выходного напряжения инверторов сопровождается ростом потерь мощности при переключении тиристоров, в результате загрузка тиристоров по току должна снижаться. Практически это приводит к снижению выходной активной мощности инвертора почти обратно пропорционально квадрату увеличения частоты. Так по данным работы [16] мощность инвертора на тиристорах ТБ-400 при увеличении частоты с 2 до 12 кГц (в 6 раз) снижается с 85 до 2 кВт (в 42 раза), а на тиристорах ТЧ-125 при увеличении частоты с 4 до 25 кГц (в 6 раз) мощность уменьшается с 13 до 0,8 кВт (в 16 раз).

Поэтому ограничение частотных возможностей тиристоров для получения высоких частот выходного напряжения приходится обходить путем применения специальных схемотехнических решений инверторов. В таких схемах частоты коммутаций тиристоров в целое число фаз меньше частоты выходного напряжения инвертора, т.е. достигается схемотехническое умножение частоты выходного напряжения.

Наиболее просто, без больших дополнительных усложнений схемы инвертора, удваивается частота выходного напряжения инвертора. При этом используется то обстоятельство в работе резонансных инверторов (как без обратных диодов – рис. 2.2.3, так и с обратными диодами – рис. 2.2), что частота полуволн тока в звене постоянного тока инвертора равна удвоенной частоте выходного напряжения однофазного инвертора. Формально объяснить этот факт, даже без рассмотрения схем конкретных инверторов, можно тем, что вентильный комплект инвертора, представляемый в модели коммутационной функцией, связывает не только выходные переменные инвертора с входными (т.е. сторону переменного тока со стороной постоянного тока), но и, наоборот, входные переменные инвертора с выходными переменными в звене переменного тока, как это видно из уравнений модели инвертора (2.1.1б) и (2 1.1а).

В этом случае выходное напряжение и ток инвертора как бы выпрямляются по отношению ко входу инвертора, при этом, как известно из теории выпрямления, частота выпрямленных напряжения и тока возрастает в qm2 раз, или в 2 раза применительно к рассматриваемым однофазным мостовым схемам инверторов.

Первая схема резонансного инвертора с вентилями обратного тока и с удвоением частоты показана на рис. 2.2.16,а. В этой схеме нагрузка через разделительный конденсатор Ср (или последовательный CpLp контур) подключена параллельно входу вентильного комплекта инвертора, при этом в нагрузке выделяется гармоника напряжения, имеющая двойную частоту по отношению к частоте выходного напряжения инвертора. Диаграммы напряжений и токов элементов инвертора приведены на рис. 2.2.16,б.

На интервале t0t1 открыты два тиристора диагонали вентильного моста и конденсатор Ск контура коммутации заряжается в колебательном режиме от источника входного напряжения. На интервале t1t2 идет колебательный разряд конденсатора на звено постоянного тока через вентили обратного тока той же диагонали вентильного моста, при этом тиристоры восстанавливают свои управляющие свойства. На интервале t2t3 все вентили моста закрыты и постоянный ток id звена постоянного тока течет только в цепь нагрузки Zн. В момент времени t3 включаются тиристоры второй диагонали моста и происходят аналогичные процессы перезаряда коммутирующего конденсатора Ск в противоположном направлении. Ток нагрузки iн определяется как разность тока id в звене постоянного тока и тока iк коммутирующего контура LкСк и имеет двойную частоту по отношению к частоте выходного напряжения инвертора.

Во второй схеме резонансного инвертора с удвоением частоты на рис. 2.2.17 [17] нагрузка Rн включена последовательно (совместно с разделительными элементами CpLp) в цепи входного тока инвертора.

Гармоника входного тока, имеющая двойную частоту по отношению к частоте выходного напряжения инвертора, как это видно из диаграммы тока id на рис. 2.2.16,б, выделяется в нагрузке.

Блок-схемы трехъячейковых инверторов показаны на рис. 2.2.18,а,б с параллельным включением ячеек по входу “а” и с последовательным включением по входу и параллельным включением ячеек по выходу “б”. Диаграммы работы такой композиции ячеек приведены на рис. 2.2.19. Упрощенные диаграммы построены при условии, что ячейки резонансных инверторов выполнены по схемам с вентилями обратного тока, режим работы которых был пояснен на рис. 2.2.3.

Уменьшая в соответствующее число раз (здесь в 3 раза) частоту работы каждой ячейки и вводя требуемый сдвиг по фазе между ними (первые три диаграммы на рис. 2.2.19), получаем в нагрузке увеличенную (здесь в 3 раза) частоту выходного напряжения, как показано на нижней диаграмме рис. 2.2.19.

Необходимо заметить, что, хотя частота коммутации тиристоров в каждой ячейке в соответствующее число раз (здесь три) ниже частоты выходного напряжения, тиристоры инвертора загружены импульсами тока с длительностью, соответствующей полупериоду частоты выходного напряжения. Это уменьшает потери на коммутацию в тиристорах, но увеличивает потери от прохождения прямого тока в них.

Простейшим типом резонансного инвертора является однотранзисторный резонансный инвертор класса Е, схема которого показана на рис. 2.2.20.

Период синусоидального выходного напряжения, создаваемого протеканием тока последовательного LкСк-контура по сопротивлению нагрузки R, складывается из двух интервалов постоянства структуры схемы. На первом интервале t1t2 включен транзистор Т и в индуктивности входного реактора L запасается энергия, отбираемая входным током I0 от источника входного сигнала Uвх. В выходной цепи при этом протекает синусоидальный ток от колебательного перезаряда конденсатора Ск последовательного LкСк-контура (рис.2.2.21).

На втором интервале t2t3 транзистор Т закрыт и ток I0 входного реактора протекает через цепь, образованную параллельным соединением конденсатора С0 с цепью, состоящей из последовательного LкСк-контура с сопротивлением нагрузки R. Этим обеспечивается восполнение потерь энергии в LкСкконтуре, израсходованной в нем на первом интервале. Для предотвращения смены напряжения на транзисторе Т он шунтирован диодом D, показанным на рисунке пунктиром.

Обычно схема применяется при малых мощностях нагрузки (менее 100 Вт) в случае фиксированного выходного напряжения. Однако выходное напряжение можно регулировать изменением частоты управляющих импульсов трансформатора Т. В связи с переключением транзистора при нулевом напряжении в нем будут малые потери, что позволяет поднять частоту переключения и тем самым уменьшить массо-габаритные показатели инвертора.

ПО РЕЗОНАНСНЫМ ИНВЕРТОРАМ

Класс резонансных инверторов характеризуется большим разнообразием схемотехнических решений. Это связано с тем, что, хотя базовые схемы вентильных комплектов остались прежними (нулевая, полумостовая, мостовая), имеется еще известное множество схем резонансных цепей второго, третьего, четвертого порядка и множество вариантов их подключения к вентильному комплекту.

Простейшим типом резонансного инвертора является инвертор класса Е, содержащий всего один управляющий вентиль (транзистор). Но низкая энергетическая эффективность преобразования энергии при этом ограничивает область его применения мощностями до 100 Вт (источники питания). Тиристорные резонансные инверторы без обратных диодов более эффективно преобразуют постоянный ток в переменный и предназначены для питания постоянной или мало меняющейся нагрузки в единицы или десятки киловатт. Тиристорные резонансные инверторы с обратными диодами сложнее схем без обратных диодов, но позволяют питать нагрузку, меняющуюся в широком диапазоне, начиная от холостого хода. Предельная частота выходного напряжения в таких инверторах обычно не превышает порядка десяти килогерц для современных типов высокочастотных тиристоров.

При необходимости получения более высоких частот выходного напряжения с мощностями в десятки и сотни киловатт используют схемы резонансных инверторов с удвоением или учетверением частоты либо реже многоячейковые инверторы.

Еще большие возможности открываются у резонансных инверторов (с обратными диодами), выполненными на силовых транзисторах. Введение частотного и широтно-импульсного регулирования режима работы резонансного контура позволяет формировать требуемые внешние характеристики, обеспечивает электронную защиту, но стоимость таких инверторов – наивысшая среди всех остальных типов резонансных инверторов.

Близкая к синусоидальной форма выходного напряжения инвертора при работе в режиме непрерывного выходного тока позволяет для расчета внешних и регулировочных характеристик использовать расчет по первой гармонике (как это сделано в этом разделе методом АДУ(1)). При необходимости оценки качества выходного напряжения, характеризуемого степенью отклонения его от синусоиды (коэффициентом гармоник), расчет с учетом реальной формы напряжения здесь также удобно сделать прямым методом АДУ2.

2.3.1. ОДНОФАЗНЫЕ ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ Автономный инвертор напряжения как преобразователь постоянного входного напряжения в переменное выходное напряжение отличается от автономного инвертора тока тем, что получает питание от источника напряжения (ЭДС) безындуктивного характера. Действительно, в соответствии с соотношением (1.4.2) части 1 [1] где п – коммутационная функция вентильного комплекта есть переменная единичная функция (без постоянной составляющей), определяющая форму выходного напряжения инвертора, как это видно из рис. 2.3.1 для простейшей формы коммутационной функции – меандра.

Как видно из второго уравнения, входной ток инвертора будет импульсным (со скачком тока), что не допускает присутствия во входном источнике индуктивности. Реальные источники входного напряжения (чаще всего выпрямители), как правило, обладают индуктивностью L (если это только не аккумуляторы). Для устранения ее влияния на входе инвертора напряжения включается фильтровый конденсатор Cф достаточной емкости, что является первой особенностью инвертора напряжения. Через него и замыкаются, минуя входной источник, скачки входного тока инвертора, как это видно из временных диаграмм на рис. 2.3.2.

Вторая особенность инвертора напряжения также видна из второго уравнения (2.3.1) и связана с тем, что входной ток инвертора iвх может принимать отрицательные значения при большом сдвиге фазы выходного тока инвертора iвых относительно коммутационной функции п (т.е. выходного напряжения). Для этого необходимо наличие двусторонней проводимости у ключей вентильного комплекта инвертора, т.е. ключи должны быть выполнены на вентилях с полным управлением (транзисторы, GTO-тиристоры), шунтированных вентилями обратного тока.

Таким образом, рассматривая переменный ток как периодически реверсируемый постоянный ток, приходим к выводу, что схемы однофазных инверторов напряжения повторяют схемы реверсивных (по напряжению и току) преобразователей постоянного напряжения в постоянное (см. рис. 1.1.5,б, 1.1.6).

Форма выходного напряжения инвертора определяется в соответствии с соотношением (2.3.1) видом коммутационной функции вентильного коммутатора п. Основные виды этих функций, формирующие прямоугольное выходное напряжение инвертора по «гладкой составляющей», показанной пунктиром, приведены на рис. 2.3.3.

Под гладкой составляющей периодической импульсной функции в силовой электронике принято понимать функцию, образованную непрерывной аппроксимацией средних значений (на интервале такта Тт коммутаций в преобразователе) мгновенной кривой напряжения или тока. Тогда гладкая составляющая первой коммутационной функции на рис. 2.3.3 есть нерегулируемый прямоугольник, а второй и третьей коммутационных функций – регулируемое по величине прямоугольное напряжение (за счет широтного и широтно-импульсного регулирования соответственно). Последний способ формироо вания кривой выходного напряжения, называемый «120 управлением» в ото личие от предшествующего рассмотренного «180 управления», используется для исключения гармоник, кратных трем, особенно неблагоприятных для такой типовой нагрузки инвертора, как асинхронные двигатели.

Для оценки качества выходного напряжения инвертора при регулировании найдем спектры этих напряжений. Действующее значение k-й гармоники напряжения инвертора при широтном регулировании будет равно в долях входного напряжения где tи = – относительная длительность импульса в полупериоде выходТ ного напряжения.

Из (2.3.1) можно выразить доли высших гармоник напряжения по сравнению с первой как На рис. 2.3.4 построены зависимости первой гармоники по (2.3.2) и высших гармоник по (2.3.3) от относительной длительности импульса напряжения, которую можно назвать глубиной модуляции напряжения по управлению, меняющейся от 0 до 1. Присутствуют только нечетные гармоники, наибольшая из которых – третья – при t и = исчезает. Но уже при tи = третья гармоника почти сравнивается с первой. Поэтому широтное регулирование может применяться только в малом диапазоне изменения tи для целей стабилизации выходного напряжения. К тому же зависимость первой гармоники от глубины регулирования нелинейна.

Для улучшения спектра выходного напряжения инвертора используют широтно-импульсное регулирование на несущей частоте, значительно превышающей (в число раз, называемое кратностью коммутации – Кт) частоту выходного напряжения инвертора (последняя диаграмма на рис. 2.3.3). Это смещает гармоники напряжения, обусловленные регулированием, в область более высоких частот, что облегчает их фильтрацию в нагрузке.

Дальнейшее улучшение спектра выходного напряжения инвертора обеспечивается при модуляции длительностей импульсов по синусоидальному закону, как показано на рис. 2.3.5 для однополярной и двухполярной модуляций соответственно. Пунктиром показана гладкая составляющая выходного напряжения.

Принята следующая классификация видов широтно-импульсной модуляции.

• По модулируемому параметру различают одностороннюю и двухстороннюю широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). При односторонней модулируется положение переднего или заднего фронтов импульсов, при этом соответственно задний и передний фронты импульсов следуют с неизменной тактовой частотой. При двусторонней модуляции изменяется в пределах такта положение обоих фронтов импульсов.

• По отношению периода модулирующего сигнала к периоду тактов импульсной последовательности, т.е. по кратности коммутации, различают ШИМ с целочисленной кратностью, рассмотренную выше, ШИМ с кратностью, выражаемой дробным рациональным числом, и ШИМ с кратностью, выражаемой иррациональным числом. При дробно-рациональной кратности период повторения модулированной последовательности импульсов, формирующих выходное напряжение инвертора, определится как такой наибольший период выходного напряжения, в котором укладывается целое число периодов модулирующего сигнала и периодов тактов. Этот период задает период нижней субгармоники в кривой выходного напряжения, т.е. гармоники с частотой ниже частоты модулирующего сигнала, которой определяется частота основной гармоники выходного напряжения.

• По числу полярностей импульсов на длительности такта различают двухполярную модуляцию, когда такт образован совокупностью импульса положительной и отрицательной полярности (вторая диаграмма на рис. 2.3.5), однополярную модуляцию, когда такт образуется импульсом одной полярности и паузой (первая диаграмма на рис. 2.3.5), и квазиоднополярную модуляцию, когда после импульсов одной полярности, приближающихся по длительности к предельно минимальной длительности, допустимой при практической реализации, следуют импульсы другой полярности неизменной длительности, равной предельно минимальной [23]. Квазиоднополярная модуляция позволяет воспроизвести при широтно-импульсной модуляции как угодно малые величины выходного напряжения инвертора при наличии практических ограничений на минимальное время между коммутацией у реальных вентилей.

• По форме модулирующего сигнала, задающего закон изменения длительностей импульсов на такте, а значит, и форму гладкой составляющей выходного напряжения, различают синусоидальный, треугольный, трапецеидальный, прямоугольный законы модуляции.

• По способу однозначного определения конкретной длительности импульса на такте в функции непрерывного модулирующего сигнала различают ШИМ первого рода, когда длительность импульса зависит от значения модулирующего сигнала в некоторые фиксированные моменты времени, например в моменты начала импульса, ШИМ второго рода, когда длительность импульса обусловлена значением модулирующего сигнала в момент окончания модулируемого по длительности импульса, и ШИМ третьего и четвертого рода, когда длительность импульса определяется некоторой функциональной зависимостью от значения модулирующего сигнала в некоторой промежуточной точке на интервале импульса [24].

• По числу уровней модуля обобщенного вектора напряжения (см. далее раздел 2.3.2) трехфазного инвертора различают одноуровневые алгоритмы управления, реализуемые в классических трехфазных мостовых схемах инверторов, и многоуровневые алгоритмы управления, реализуемые в модифицированных схемах трехфазных инверторов.

Для оценки качества выходного напряжения инвертора при синусоидальной широтно-импульсной модуляции необходимо знать спектры напряжения.

Теория спектров широтно-модулированных последовательностей импульсов первоначально получила развитие в радиотехнике, где исследовалась возможность построения мощных усилителей сигналов, работающих в режиме переключения (режим усиления класса Д), т.е. в режиме широтно-импульсной модуляции [24], а также в теории связи, где изучалась возможность использования ШИМ для помехоустойчивой передачи сообщений. Был разработан эффективный метод нахождения спектров напряжений при широтно-импульсной модуляции, названный методом временной деформации. Технология применения этого метода достаточно проста. Сначала находят спектр немодулированной последовательности прямоугольных (или любой другой формы) импульсов. Затем в выражение для полученного спектра подставляют вместо регулируемого параметра (момент фронта импульса, длительность импульса) его принятый закон изменения во времени (закон модуляции). Полученное выражение приводят к виду, удобному для применения.

Таким образом, можно показать, что спектр напряжения при синусоидальной широтно-импульсной модуляции второго рода содержит помимо первой высшие гармоники, частоты которых где k, l равны 1,2,3,4....

При двухсторонней ШИМ в трехфазном инверторе в фазном напряжении инвертора (см. рис 2.3.14) будут присутствовать только гармоники порядка где kT – кратность коммутации, а k не кратно трем и отсутствуют комбинации, состоящие из двух нечетных либо четных чисел m и l (рис. 2.3.6).

Реализация двухполярной ШИМ возможна в любой базовой схеме однофазного инвертора (см. рис. 1.1.5,б, 1.1.6), а однополярная – только в двух последних схемах – полумостовой с нулевыми вентилями и мостовой. Все эти схемы инверторов, выполненных на реальных вентилях, имеют общий недостаток, связанный с конечным временем выключения вентилей. При этом из вновь включаемого вентиля и выключаемого вентиля (транзистора) на время его выключения образуется цепь короткого замыкаРис. 2.3. ния источника входного напряжения и через транзисторы текут короткие импульсы больших сквозных токов, которые увеличивают потери и если их не ограничить, в состоянии вывести транзисторы из строя. Поэтому в реальных системах между моментом запирания одного транзистора плеча моста или полумоста и моментом отпирания другого транзистора этого же плеча вводится «мертвая» пауза, обычно порядка одной микросекунды.

Другая возможность снижения потерь мощности в транзисторах при переключении в инверторе напряжения связана с использованием переключения при нулевом напряжении, как в квазирезонансных преобразователях постоянного напряжения в постоянное, рассмотренных в разделе 1.3. Полумостовая схема инвертора напряжения с реализацией принципа переключения транзисторов при нулевом напряжении показана на рис. 2.3.7.

Емкости С образуют (при необходимости) среднюю точку источника входного напряжения для обеспечения работы LкСк контура, который для каждого транзистора функционирует аналогично работе LкСк контура в квазирезонансном преобразователе по схеме рис. 2.2.4,б. Роль Lк может выполнить и соответствующая индуктивность цепи нагрузки инвертора при работе на нагрузку с фиксированными параметрами.

При необходимости согласования уровней напряжения на входе и выходе инвертора напряжения может быть использована так называемая нулевая схема инвертора, показанная на рис. 2.3.8. В этой схеме в течение конечного времени выключения реального транзистора также происходит замыкание источника входного напряжения через включающийся и выключающийся транзисторы, соединенные на это время параллельно по отношению к входному источнику. Но так как при этом последовательно с каждым транзистором оказывается включенной индуктивность рассеивания соответствующей первичной обмотки трансформатора, то пики токов короткого замыкания источника будут ограничены.

Для возможности реализации в нулевой схеме инвертора однополярной ШИМ с целью улучшения качества она должна быть дополнена ключом переменного тока, образованного, например, двумя встречно-параллельно включенными управляемыми нулевыми вентилями (транзисторами), шунтирующим результирующую первичную или вторичную обмотки, как для второго случая показано на рис. 2.3.9.

Другой путь улучшения качества выходного напряжения инвертора связан с использованием дополнительной амплитудной модуляции импульсов выходного напряжения. Применительно к нулевой схеме инвертора это достигается секционированием первичной обмотки трансформатора и подключением к отводам дополнительных ключей переменного тока, выполненных аналогично выходному ключу на рис. 2.3.9. Схема такого инвертора приведена на рис. 2.3.10.

При поочередном включении ключей К1, К3 и транзистора Т1 формируется ступенчатая положительная полуволна выходного напряжения трансформатора за счет изменения парциальных коэффициентов трансформации подключенных обмоток трансформатора в соответствии с числами витков соответствующих частей первичной обмотки. Проблемы оптимальной аппроксимации синусоиды прямоугольно-ступенчатой функцией проанализированы в работах [25,26].

2.3.2. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ ТРЕХФАЗНЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Самая простая и самая распространенная схема трехфазного инвертора напряжения получается простым объединением по общему источнику входного напряжения трех полумостовых однофазных инверторов напряжения по схеме рис. 1.1.5,б, при этом при соединении фаз трехфазной нагрузки в звезду без нуля или треугольником не требуется наличие средней точки у источника входного напряжения, как показано на рис. 2.3.11.

В режиме 180-градусного управления сигналы управления на верхний и нижний транзисторы каждого плеча моста поступают в течение полупериода выходного напряжения с соответствующими фазовыми сдвигами для получения трехфазной системы, как показано на первых шести временных диаграммах рис. 2.3.12.

На следующих трех диаграммах изображены кривые фазных напряжений трехфазной нагрузки и на последней диаграмме – кривая одного линейного напряжения. Шестиступенчатый характер диаграмм фазных напряжений инвертора свидетельствует о шести различных состояниях силовой схемы инвертора, интервалы существования которых обозначены цифрами 1-6 на рис. 2.3.12.

Шесть схем замещения инвертора, соответствующие этим шести состояниям силовой схемы, показаны на рис. 2.3.13. В шестом состоянии включены транзисторы Т2, Т4 и Т5. Фазы А и С нагрузки подключены к положительной шине входного источника питания Е, а фаза В нагрузки подключена к отрицательной шине источника Е. При одинаковых сопротивлениях фаз нагрузки на две параллельно соединенные фазы А и С будет приложена в положительном направлении треть напряжения источника, а на последовательно соединенную с ними фазу В – две трети напряжения источника питания, отрицательной полярности (минус на конце фазы нагрузки), что отражено соответствующей величиной ступеней фазных напряжений инвертора на первом интервале диаграммы рис. 2.3.12. Аналогично определяются по схемам замещения величины ступеней в фазных напряжениях инвертора и на всех остальных интервалах. Характерно, что каждое состояние отличается от предыдущего переключением только одной фазы нагрузки в противоположную полярность напряжения.

По построенным фазным напряжениям легко определить и межфазное (линейное) напряжение, как это показано для линейного напряжения UАВ.

Математическая модель инвертора в фазных переменных. Полученная трехфазная система фазных напряжений нагрузки инвертора образует уравновешенную систему напряжений, так как В то же время трехфазная система фазных напряжений плеч инвертора, отсчитываемая относительно условной средней точки О источника входного напряжения, уже не является уравновешенной, так как Между нулевыми точками источника и нагрузки выделяется напряжение тройной частоты Uо, которое является напряжением нулевой последовательности трехфазной системы и равно сумме гармоник, кратных трем, содержащихся в фазных напряжениях плеч инвертора U A, U B, U C.

Определим коммутационные функции вентильного комплекта преобразователя п для фаз А, В, С, связывающие входные и выходные переменные соотношениями вида (2.3.1). При этом будем основываться на алгоритме 180-градусного управления, т.е. на взаимно-обратном характере коммутационных функций ключей (КФК), верхнего и нижнего транзистора в каждом плече моста, а именно:

Тогда с учетом этого коммутационные функции каждого плеча (КФП) трехфазного моста найдем через КФК очевидным образом:

Из уравнений связи между напряжениями инвертора с учетом (2.3.5) находим связь между фазными напряжениями инвертора и фазными напряжениями плеч моста:

В свою очередь для фазных напряжений плеч моста можно записать После подстановки (2.3.9) в (2.3.8) и преобразований получим связь между коммутационными функциями фаз нагрузки (КФФ) и коммутационными функциями ключей инвертора (КФК):

Из (2.3.5) с учетом (2.3.9) можно получить коммутационную функцию н напряжения нулевой последовательности (КФН), действующего между нулевыми токами источника и нагрузки, из соотношения откуда При соединении нагрузки инвертора не в звезду, а в треугольник удобно оперировать с коммутационными функциями линейных напряжений (КФЛ), которые просто выражаются через коммутационные функции фазных напряжений КФФ:

Из выражений (2.3.10) для КФФ следует, что в трехфазном мостовом инверторе фазное напряжение на нагрузке определяется коммутационными функциями ключей (КФК) анодной (катодной) группы всех трех фаз. Это обусловливает специфику управления инвертором напряжения при ШИМ, заключающуюся в том, что невозможно управлять напряжением в каждой фазе, воздействуя только на один канал управления ключами этой фазы.

Теперь найдем связь входного тока инвертора iп с токами фаз нагрузки, исходя из уравнения баланса мгновенных мощностей на входе и выходе инвертора что с учетом (2.3.10) дает По этому соотношению можно построить форму тока на входе инвертора по известной форме тока в фазах нагрузки, определяемой заданной формой напряжения на нагрузке.

Для нахождения форм токов в транзисторе и диоде ключей моста через токи фаз выразим ток транзистора, учитывая его одностороннюю проводимость, с помощью его коммутационной функции, например для фазы А:

Тогда ток встречно-параллельного обратного диода Эти два соотношения позволяют рассчитать загрузку вентилей по среднему и действующему значениям анодного тока в функции токов фаз нагрузки и принятого алгоритма управления вентилями, определяющего вид коммутационной функции вентилей.

На рис. 2.3.14 показаны диаграммы, иллюстрирующие вид введенных коммутационных функций и построенных с их помощью токов вентилей и входа инвертора при синусоидальной ШИМ.

Первая диаграмма показывает алгоритм формирования КФП трех фаз инвертора A, B, C, изображенных на трех следующих диаграммах. Переключение КФП происходит по точкам сравнения симметричного пилообразного напряжения с синусоидальным модулирующим напряжением соответствующей фазы, в результате чего реализуется двухполярная синусоидальная двусторонняя ШИМ с кратностью N = 12. Вслед за диаграммами КФП следует диаграмма КФФ фазы А, определяющая форму фазного напряжения инвертора, а за ними изображена КФЛ, формирующая кривую линейного напряжения uAB. На следующих двух диаграммах соответственно приведены форма тока транзистора Т4 и ток на входе инвертора iп. При построении диаграмм токов считалось, что токи в фазах нагрузки представлены своими гладкими составляющими (здесь совпадающими с их первыми гармониками). При активно-индуктивной нагрузке на выходе инвертора первая гармоника тока в фазе отстает от первой гармоники напряжения фазы на угол (1).

Из диаграммы входного тока инвертора iп следует, что этот ток, вопервых, имеет разрывной (скачкообразный) характер и, во-вторых, на коротких интервалах времени может менять свой знак, как на рис. 2.3.2. Поэтому источник входного напряжения должен быть безындуктивным и, кроме того, способным пропускать импульсы тока в обоих направлениях. Этим требованиям удовлетворяет только аккумулятор. Если же постоянное напряжение получается с выхода выпрямителя, то на вход инвертора необходимо включить фильтровой конденсатор, через который и замкнутся скачки входного тока, а его гладкая составляющая замкнется через выпрямитель.

На последних трех диаграммах (рис. 2.3.14), относящихся к следующему разделу, приведены модуль обобщенного вектора напряжения инвертора и его реальная и заданная фазы, отсчитываемые в пределах одного полного оборота обобщенных векторов в комплексной плоскости.

В случае высоких частотах выходного напряжения инвертора частота коммутации вентилей при синусоидальной ШИМ с кратностью 12 и выше может превысить предельно допустимую частоту коммутации вентилей. Особенно это актуально для GTO-тиристоров, у которых предельная частота коммутации сегодня не превосходит 1 кГц, а также для мощных IGBT-транзистоРис. 2.3. ров, где эти ограничения лежат на уровне нескольких килогерц. К тому же значения реактивных сопротивлений индуктивностей реальных нагрузок на высоких частотах (индуктивности рассеивания трансформаторов, асинхронных двигателей) обычно обеспечивают приемлемое сглаживание пульсаций в токах фаз инвертора при частотах коммутации, не превышающих предельно допустимых. В этих случаях для формирования кривой выходного напряжения и регулирования величины его первой гармоники приемлемым оказывается способ широтно-импульсного регулирования (ШИР). Формы фазного и линейного напряжений трехфазного мостового инвертора при шестикратном ШИР приведены на рис. 2.3.15. Кривая напряжения сформирована путем поочередного пребывания схемы в тех же шести состояниях, что и на рис. 2.3.12, разделенных нулевыми паузами. Последние формируются путем одновременного подключения всех фаз нагрузки или к положительной шине источника входного напряжения или к отрицательной шине. Разновидности видов ШИР трехфазных инверторах рассмотрены в [27].

Математическая модель инвертора при преобразовании координат (в ортогональные двухфазные). Рассмотренная математическая модель инвертора построена в фазных координатах, которые являются естественными и дают реальные напряжения и токи и в модели и в реальной установке. Вместе с тем модель в фазных координатах имеет и недостатки.

1. Трудность расчета электромагнитных процессов в такой модели, когда нагрузка содержит переменные параметры. Такой распространенной нагрузкой инвертора являются машины переменного тока (асинхронные и синхронные), модель которых, как известно из теории электрических машин [28], имеет периодически изменяющиеся параметры (индуктивности обмоток) даже при работе машины в установившемся режиме.

2. Число каналов управления инвертором (три модулирующих сигнала при ШИМ для трехфазного инвертора с соединением нагрузки в звезду без нуля или треугольник) превышает число независимо регулируемых переменных (токи двух фаз нагрузки, так как ток третьей фазы однозначно определяется через токи двух фаз в соответствии с первым законом Кирхгофа).

Эти недостатки естественных координат для данного объекта можно устранить полностью либо частично, если перейти к модели инвертора в ортогональной системе координат или, что аналогично, к модели инвертора в плоскости комплексного переменного, называемую моделью инвертора для обобщенных векторов.

Обобщенный вектор в комплексной плоскости определяется как следующая композиция из трех переменных, например для фазного выходного напряжения инвертора в неподвижной, - системе координат:

где есть единичные операторы поворота соответственно на 120 и 240.

После их подстановки в (2.3.17) получаем Модуль обобщенного вектора и его фаза Для трехфазной симметричной системы синусоидальных напряжений единичной амплитуды обобщенный вектор в плоскости комплексного переменного будет представлен вектором единичной амплитуды, который равномерно вращается со своей угловой частотой.

При прямоугольно-ступенчатой форме выходного напряжения трехфазного инвертора (см. рис. 2.3.12) для модуля обобщенного вектора получаем единицу во всех состояниях, а фаза обобщенного вектора скачком увеличивао ется на 60 при каждой смене состояний, как показано на рис. 2.3.16. Если изобразить обобщенный вектор на комплексной плоскости, то он будет иметь шесть дискретных положений, скачком переходя в моменты коммутации из текущего в следующее по порядку (рис. 2.3.17,а). Формируемая при ШИМ еще и нулевая пауза в выходных напряжениях инвертора соответствует состоянию, когда все фазы нагрузки подключаются к положительной шине источника питания (код состояния 111) или к отрицательной шине источника (код состояния 000). Здесь состояния инвертора закодированы трехразрядным двоичным числом, где присутствие единицы в первой, второй и третьей позиции числа соответствует Таким образом, силовая схема инвертора может находиться в восьми состояниях: в шести возможных активных состояниях и двух пассивных (нулевых). Синтез алгоРис. 2.3. ритма управления инвертором содержательно сводится к заданию порядка смены состояний (очередности коммутаций вентилей) и длительностей пребывания в каждом из них.

Если оперировать не с мгновенными значениями обобщенного вектора напряжения, а с его средними значениями на интервале такта, т.е. перейти к гладкой составляющей изменения обобщенного вектора, то в пределах сектора 600 между двумя средними положениями двух смежных обобщенных векторов напряжений u1 и u можно получить любое положение усредненного вектора заданной велиб это показана на рис. 2.3.17,б. Его веРис. 2.3. личина и фаза определяется в соответствии с уравнением где u 0 – нулевой вектор напряжения, определяемый состояниями 000 и вентилей инвертора; t1, t 2, t3 – относительные длительности включения векторов u1, u 2, u0, отсчитанные в долях периода тактовой частоты коммутаций в инверторе при ШИМ.

При этом возможно множество вариантов технической реализации в системе управления инвертором алгоритма (2.3.22) за счет изменения порядка следования во времени слагаемых в этом уравнении и за счет различных способов получения вектора нулевого напряжения. Это и определяет известное множество алгоритмов управления инвертором по обобщенному вектору, которое будет рассмотрено в главе по системам управления преобразователями.

Тем не менее уже сейчас можно отметить, что формально синтез алгоритма управления инвертором сводится в конечном итоге к синтезу трех коммутационных функций фазных напряжений (КФФ) в плоскости действительных переменных или одного обобщенного вектора коммутационной функции фазного напряжения (ОКФФ) в плоскости комплексного переменного, определяемого аналогично (2.3.19) За критерий оптимизации формы коммутационной функции в конкретной ситуации может быть принят один из следующих:

• минимизация гармоник заданной частоты в выходном напряжении;

• минимизация интегральных коэффициентов гармоник выходного напряжения соответствующего порядка (обычно первого), определяемого видом нагрузки;

• ограничение на заданном уровне максимальной частоты коммутации вентилей.

Кроме системы неподвижных ортогональных осей, -координат при переменной частоте напряжения инвертора применяют ортогональную вращающуюся с произвольной переменной скоростью систему x,y-координат [28]. Ее важным частным случаем является система d,q-координат, вращающаяся с постоянной скоростью, определяемой частотой напряжения инвертора. Формулы перехода от, -координат к d, q-координатам имеют вид а формулы обратного перехода аналогичны, поскольку обратная матрица преобразования здесь подобна первоначальной матрице.

В d, q-координатах, или, как их еще называют, синхронных координатах, трехфазная синусоидальная система напряжений представляется уже неподвижным вектором с фиксированными (постоянными) проекциями на d, q-оси, вращающиеся с синхронной скоростью. Такое представление упрощает, как будет показано в соответствующем разделе по управлению, реализацию регуляторов системы управления, работающих с сигналами постоянного тока, а не переменного тока.

НА БАЗЕ ТРЕХ ОДНОФАЗНЫХ МОСТОВЫХ СХЕМ

Возможны два варианта такого инвертора. Если у трехфазной нагрузки доступны оба конца каждой фазы, то отдельные фазы нагрузки просто подключаются к выходу каждого однофазного моста. Такая ситуация возможна при питании от инвертора напряжения трехфазного двигателя переменного тока (асинхронного или синхронного) при наличии на двигателе выводов от всех концов обмоток. Но при независимом формировании методом однополярной синусоидальной ШИМ фазных напряжений в каждом однофазном инверторе полученная трехфазная система будет неуравновешенной, так как и вследствие этого в фазных токах появятся гармоники нулевой последовательности, дополнительно загружающие инвертор и электрическую машину.

Для их исключения необходимо согласованно управлять однофазными мостами инвертора, обеспечивая уравновешенность трехфазной системы напряжений [23 ].

Второй вариант инвертора для трехфазной нагрузки с тремя доступными выводами требует применения трех однофазных выходных трансформаторов, при соединении вторичных обмоток которых в звезду (рис. 2.3.18) исключается возможность протекания токов нулевой последовательности в нагрузке.

Сравнивая два вида рассмотренных трехфазных инверторов напряжения, отметим их отличительные признаки. Трехфазные инверторы на базе однофазных мостовых схем можно назвать одноступенчатыми с ШИМ, так как их выходное напряжение в каждой полуволне имеет только одну ступень напряжения, отличную от нулевой, а именно ступень Е. Модуль обобщенного вектора напряжения трехфазного инвертора также имеет только один уровень.

Трехфазные мостовые инверторы можно в этом случае назвать двухступенчатыми с ШИМ, так как их выходное фазное напряжение имеет две возможные ступени напряжения как было показано, также имеет только один уровень. Можно построить схемы трехфазных инверторов напряжения с большим числом ступеней в выходном напряжении, что априорно улучшит геометрически форму выходного напряжения инвертора и приведет к появлению в математической модели инвертора нескольких возможных уровней модуля обобщенного вектора напряжения инвертора. По этому признаку различают многоуровневые инверторы напряжения (трехуровневые, пятиуровневые, семиуровневые). Технически это достигается за счет добавления с методу ШИМ формирования кривой выходного напряжения еще и метода амплитудной модуляции. Последнее возможно при наличии нескольких уровней напряжения у входного источника питания. Такие усложненные схемы инверторов оправданы при больших мощностях (более тысячи киловатт), когда улучшение качества выходного напряжения за счет добавления амплитудной модуляции компенсирует его ухудшение, вызываемое снижением допустимой кратности коммутации на верхних частотах выходного напряжения.

2.3.3. ТРЕХУРОВНЕВЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР Схема трехуровневого трехфазного инвертора напряжения показана на рис. 2.3.19. Здесь каждое плечо классического трехфазного инвертора состоит из двух последовательно включенных полностью управляемых вентилей, шунтированных обратными диодами. Дополнительные диоды соединяют нулевую точку источника входного напряжения со средними точками плеч инвертора, образованные последовательно соединенными вентилями. В качестве полностью управляемых вентилей в мощных инверторах используют GTOтиристоры или IGCT-тиристоры, которые и изображены в схеме рис. 2.3.19.

Первому (наибольшему) уровню модуля обобщенного вектора напряжения соответствует схема замещения инвертора (рис. 2.3.20,а), как и у одноуровневого инвертора, с тем только отличием, что каждая фаза нагрузки подключена через два последовательных открытых тиристора к положительному или отрицательному полюсу источника входного напряжения. Ступени напряжения на фазах нагрузки в этом состоянии могут быть равны U вх или U вх. Шести подобным схемам замещения инвертора соответствуют шесть векторов обобщенного вектора напряжения наибольшего уровня, изображенных на рис. 2.3.17.

Второму (промежуточному) уровню модуля обобщенного вектора напряжения соответствует схема замещения инвертора, приведенная на рис. 2.3.20,б.

Здесь две фазы нагрузки подключаются к двум различным полюсам источника входного напряжения, а третья фаза через один из внутренних тиристоров подключается к средней точке источника. Ступени напряжения на двух фазах нагрузки равны ± U вх, а на третьей фазе – нулевому напряжению. Для изоU вх браженного случая модуль обобщенного вектора напряжения равен, а его фаза равна 30. Здесь также возможны шесть векторов с таким модулем и с фазами, различающимися между двумя соседними векторами на 60.

Третьему (наименьшему) уровню модуля обобщенного вектора напряжения соответствует схема замещения, показанная для одного из состояний на рис. 2.3.20,в. При этом две фазы нагрузки подключены к одному полюсу входного источника, а третья фаза – через внутренний тиристор к нулевой точке источника, т.е. как бы нагрузка питается от одной половинки входного источника. Ступени напряжения на фазах нагрузки равны U вх и U вх.

Модуль обобщенного вектора напряжения при этом в соответствии с (2.3.20) равен вх, а его фаза для изображенного случая равна нулю. Возможны шесть подобных состояний инвертора, имеющие ту же величину модуля обобщенного вектора и фазовые сдвиги, нарастающие по 60 при переходе от соответствующих последовательностей состояний типа рис. 2.3.13 с питанием от половины источника.

Таким образом, трехуровневый инвертор, имея в три раза большее (восемнадцать) число возможных положений обобщенного вектора напряжения, чем одноуровневый инвертор, позволяет более качественно сформировать кривую напряжения на нагрузке за счет использования еще и амплитудной модуляции обобщенного вектора выходного напряжения.

2.3.4. ПЯТИУРОВНЕВЫЕ И m-УРОВНЕВЫЕ ИНВЕРТОРЫ

НАПРЯЖЕНИЯ

При выполнении трехуровневых инверторов на IGBT-транзисторах с предельными параметрами на сегодня достигнуты мощности порядка 1000 кВт.

Дальнейшее наращивание мощности инверторов для решения задач большой электроэнергетики приводит к необходимости выполнять их на GTO-тиристорах или IGCT-тиристорах, имеющих более высокие значения рабочих напряжений и токов, но, к сожалению, меньшие предельные частоты коммутации, обычно в сотни герц. С другой стороны, с ростом мощности и напряжения инвертора повышаются требования к качеству его выходного напряжения, которое невозможно теперь сформировать методами синусоидальной ШИМ из-за низкой допустимой частоты коммутации тиристоров с полным управлением. Поэтому единственной возможностью улучшения качества выходной энергии инвертора напряжения большой мощности является использование амплитудной модуляции, позволяющей сформировать ступенчатую кривую выходного напряжения, аппроксимирующую синусоиду.

Известны два подхода к достижению этой цели. Первый подход основан на секционировании (емкостным делителем) общего источника питания постоянного напряжения. Для получения m-уровней в полуволне выходного напряжения инвертора требуется m-1 емкостей в делителе напряжения. Из такого же количества ключей (вентилей с полным управлением) будет состоять и каждое плечо инвертора. Пример одной фазы такого пятиуровневого инвертора приведен на рис. 2.3.21, а форма его выходного напряжения будет иметь вид пятиступенчатой аппроксимации каждой полуволны синусоиды.

Напряжение на каждом элементе схемы ограничено уровнем напряжения одного конденсатора делителя входного напряжения, которое здесь равно Uвх/4. Это обеспечивается соответствующим включением блокирующих диодов. Платой за улучшение качества выходного напряжения является большое число диодов на высокие напряжения и трудности управления по равномерному распределению напряжения источника питания между конденсаторами делителя напряжения. Возможен вариант этой схемы с заменой блокирующих диодов конденсаторами с плавающим (не фиксированным) уровнем напряжения на них [29].

Второй подход к построению многоуровневого инвертора напряжения основан на использовании в каждой фазе последовательного включения (m-1) однофазных мостовых ячеек инверторов напряжения, имеющих отдельные источники питания постоянного напряжения. Схема трехфазного инвертора напряжения, образованного из таких каскадов однофазных ячеек, соединенных в звезду, показана на рис. 2.3.22.

Форма кривой фазного напряжения инвертора такая же, как в предыдущей схеме. Амплитудная модуляция выходного напряжения каскада ячеек обеспечивается различной продолжительностью импульсов напряжения отдельных ячеек. Затраты на собственно инвертор здесь меньше, чем при первом подходе, но возрастают затраты на создание (m-1) независимых источников постоянных напряжений ud для каждой ячейки инвертора. Это потребует многообмоточного трансформатора и 3(m-1) выпрямителей с емкостными фильтрами для трехфазного m-уровневого инвертора.

ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ

1.1. Какие известны типы автономных инверторов?

1.2. В чем основные отличия схем инверторов напряжения от схем инверторов тока?

1.3. Какие особенности у внешней характеристики инвертора тока?

1.4. Как можно регулировать величину выходного напряжения инвертора тока?

1.5. Какими модификациями схемы инвертора тока можно ограничить рост напряжения холостого хода инвертора тока?

1.6. Что дает применение вентилей обратного тока в резонансных инверторах?

2.7. Какими преимуществами обладает транзисторный резонансный инвертор перед тиристорным?

2.8. Как регулируется выходное напряжение у инверторов напряжения?

2.9. Какие свойства у резонансного инвертора класса Е?

2.10. В чем отличие ШИР от ШИМ в инверторах напряжения?

2.11. Какая особенность спектра выходного напряжения инвертора напряжения при синусоидальной двухсторонней ШИМ 2?

2.12. Как определяется обобщенный вектор трехфазного инвертора напряжения?

2.13. Сколько активных и нулевых состояний у обобщенного вектора трехфазного мостового инвертора напряжения?

2.14. Как выражаются компоненты обобщенного вектора в, и d, q осях?

2.15. В чем отличие трехуровневого инвертора напряжения от одноуровневого?

2.16. Как строить многоуровневые инверторы напряжения?

2.17*. В каких типах инверторов возможна рекуперация энергии из нагрузки и почему?

3. РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Регуляторами переменного напряжения в силовой электронике называются преобразователи переменного напряжения в переменное же напряжение той же частоты, но с регулируемой величиной напряжения.

Они позволяют плавно, бесконтактно, быстро изменять переменное напряжение на нагрузке в отличие от громоздких, инерционных традиционных устройств его регулирования на основе трансформаторов с переключением отводов, автотрансформаторов, управляемых реактивных балластных сопротивлений (реакторов, конденсаторов).

Можно выделить следующие типы регуляторов переменного напряжения.

1. С фазовым способом регулирования переменного напряжения и естественной коммутацией. Эти регуляторы выполняются на вентилях с неполным управлением (тиристорах), и поэтому они самые простые и дешевые, но имеют пониженное качество выходного напряжения и потребляемого из сети тока.

2. По принципу вольтодобавки, когда последовательно с источником переменного входного напряжения вводится дополнительное напряжение, так что напряжение на нагрузке определяется векторной суммой двух указанных напряжений. Напряжение вольтодобавки, как правило, вводится с помощью трансформатора. Возможны две разновидности устройств вольтодобавки.

В первом варианте устройство пропускает через себя активную и реактивную мощности, создаваемые от взаимодействия напряжения вольтодобавки с током нагрузки. Во втором варианте устройство вольтодобавки пропускает через себя только реактивную мощность, что уменьшает потери в нем и не требует для его питания источника активной мощности. Первый вариант устройств может быть выполнен на вентилях с неполным управлением и используется при небольшом диапазоне регулирования напряжения на нагрузке.

Второй вариант устройств выполняется на вентилях с полным управлением.

3. С широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения. Эти регуляторы выполняются на вентилях с полным управлением, они более сложные и дорогие, чем первые два типа, но могут обеспечивать высокое качество выходного напряжения и потребляемого тока во всем диапазоне регулирования.

4. С управляемым высокочастотным обменом энергией между накопительными элементами. Они позволяют в бестрансформаторном варианте получать выходное напряжение как больше, так и меньше входного при высоком качестве выходного напряжения и потребляемого из сети тока. Такие регуляторы предназначены в первую очередь для питания ответственных электропотребителей.

3.2. РЕГУЛЯТОРЫ С ФАЗОВЫМ СПОСОБОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Простейший регулятор однофазного переменного напряжения состоит из двух встречно-параллельно нагрузкой, как показано на рис. 3.2.1. На рис. 3.2.2 построены диаграммы напряжений и токов регулятора. Углы управления тиристорами должны быть такими, чтобы ток в последовательной активно-индуктивной нагрузке был прерывистым. Соотношение для угла регулирования, длительности протекания тока через тиристор и параметров нагрузки Lн, Rн здесь такое же, как (2.2.5) у однофазного выпрямителя в режиме прерывистого тока (см. параграф 2.2 части 1 [1]). Увеличение угла регулирования приводит к уменьшению и росту искажения кривой напряжения на нагрузке Uн и за счет этого к изменению его действующего значения и первой гармоники. При этом ухудшается и качество потребляемого из сети тока из-за роста сдвига фазы тока относительно напряжения (увеличение потребления реактивной мощности) и за счет ухудшения его формы вследствие уменьшения длительности протекания Возможен и другой способ регулирования переменного напряжения в этой схеме – широтно-импульсное регулирование при естественной коммутации. На рис. 3.2.3 показаны диаграммы входного напряжения и входного тока такого регулятора (первая диаграмма) и выходного напряжения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку (термопечи сопротивления). Здесь уже цель регулирования состоит в изменении действующего значения напряжения на активной нагрузке для преобразования электрической энергии в тепловую. При таком регулировании период входного тока регулятора Тц много больше периода сетевого напряжения Т1 и в этом токе появляются субгармоники, т.е. гармоники с частотой ниже частоты сетевого напряжения. Это, в свою очередь, при «слабой» сети может вызвать в ней низкочастотные колебания уровня напряжения, приводящие к мерцанию освещения (фликкер-эффект), нормы которого устанавливаются ГОСТом на качество электроэнергии.

Улучшение качества выходного напряжения достигается в трехфазных регуляторах переменного напряжения, основные схемы которых приведены на рис. 3.2.4. Схема на рис. 3.2.4,а объединяет три однофазных регулятора и при отсутствии нулевого провода характеризуется лучшим качеством выходного фазного напряжения, как в шестипульсной схеме, а не как в двухпульсной схеме однофазного регулятора. Форма напряжения на фазе нагрузки и ток фазы показаны на рис. 3.2.5,а,б для активной и активно-индуктивной нагрузки соответственно (см. [6] части 1). Более простая схема регулятора на рис. 3.2.4,б характеризуется худшим качеством выходного напряжения, проявляющимся в неодинаковости форм полуволн фазного напряжения, но без постоянной составляющей в нем. Схемы регуляторов на рис. 3.2.4,в,г применимы при условии доступности всех шести концов трехфазной нагрузки. При использовании трансформатора в регуляторе возможно более качественное регулирование переменного напряжения за счет использования комбинации фазового и амплитудного способов регулирования [30-32].

Регулировочные характеристики. Для регуляторов переменного напряжения значимы два вида регулировочных характеристик в зависимости от характера нагрузки. При работе на активную нагрузку показательной является зависимость действующего значения выходного напряжения регулятора от угла регулирования. Для однофазного регулятора эта регулировочная характеристика принимает следующий вид:

При работе на асинхронный двигатель (в первом приближении активноиндуктивная нагрузка) показательной является зависимость действующего значения первой гармоники выходного напряжения регулятора от угла. Для однофазного регулятора эту регулировочную характеристику получаем при разложении кривой выходного напряжения в ряд Фурье, а синусная составляющая первой гармоники будет:

косинусная составляющая действующего значения первой гармоники равна Тогда действующее значение первой гармоники выходного напряжения регулятора относительно действующего значения входного напряжения регулятора, т.е. регулировочная характеристика регулятора по первой гармонике, будет определяться по выражению Здесь регулировочная характеристика из-за прерывистого режима работы регулятора будет зависеть не только от управления (от ), но и от параметров цепи нагрузки (от ), как и в выпрямителе в режиме прерывистых токов. На рис. 3.2.6 показаны графики рассчитанных регулировочных характеристик, причем Ср(1) коэффициента мощности от степени регулирования выходного напряжения. Так как входной коэффициент мощности равен произведению коэффициента сдвига на коэффициент искажения входного Для расчета коэффициента искажения входного тока регулятора необходимо аналитическое описание его мгновенных значений. Это описание полуволны тока аналогично уравнению (2.2.4) части 1 [1] для прерывистого режима выпрямленного тока. Сложность указанного выражения приведет к громоздкой (не инженерной) формуле для нахождения коэффициента искажения входного тока. Для приближенной оценки качества входного тока используем приближенную аппроксимацию реальной полуволны тока эквивалентной полусинусоидой с длительностью полуволны, равной длительности протекания импульса тока. Тогда действующее значение такой эквивалентной полусинусоиды с частотой э и с единичной амплитудой будет а действующее значение ее первой гармоники В результате находим коэффициент искажения входного тока регулятора Сдвиг фазы первой гармоники тока нагрузки относительно первой гармоники выходного напряжения определяется параметрами нагрузки. Сдвиг фазы первой гармоники выходного напряжения регулятора относительно входного напряжения регулятора рассчитываем с учетом (3.2.2) и (3.2.3):

Тогда входной коэффициент сдвига тока будет На рис. 3.2.7 приведены графики указанной зависимости.

Аналогичным образом можно определить характеристики трехфазного ре-гулятора напряжения. Из-за громоздкости в этом случае аналитических выра-жений удобнее пользоваться рассчитанными графическими зависимостями [11].

Схема однофазного регулятора с вольтодобавкой на базе регулятора с фазовым способом регулирования напряжения показана на рис. 3.3.1. Он содержит трансформатор, в первичной обмотке которого включен тиристорный регулятор на вентилях Т1, Т2 с фазовым способом регулирования (см. параграф 3.2), а вторичная обмотка включена последовательно с нагрузкой. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора шунтирована двумя встречно-параллельно включенными тиристорами Т3, Т4, которые могут и отсутствовать. На рис. 3.3.2 приведена форма выходного напряжения регулятора. Тиристоры Т3, Т4 отпираются в начале каждой полуволны входного напряжения, обеспечивая его прохождение на выход регулятора на интервале. Тиристоры Т1, Т2 открываются с углом регулирования, при этом к проводящему тиристору из пары Т3, Т4 прикладывается обратное напряжение и он закрывается. Напряжение на нагрузке на интервале складывается из суммы входного напряжения и напряжения вторичной обмотки трансформатора, равного КтUвх, где Кт – коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора.

Таким образом, в рассмотренной схеме регулятора обеспечивается повышение напряжения на его выходе по сравнению с входным напряжением, что используется для стабилизации напряжения на нагрузке при снижении входного напряжения ниже номинального.

Свойства регулятора с вольтодобавкой выводятся из свойств того регулятора, который использован в устройстве вольтодобавки. Обычно эти регуляторы применяют при необходимости регулирования напряжения на нагрузке в небольших пределах вверх или вниз от входного напряжения.

Регулятор с реактивным напряжением вольтодобавки на основе инвертора напряжения. Источник напряжения вольтодобавки можно нагрузить чисто реактивным током, если в качестве такого источника использовать автономный инвертор напряжения или тока. Вариант такого регулятора с вольтодобавкой на базе инвертора напряжения по однофазной мостовой схеме показан на рис. 3.3.3. Фильтр LфCф выделяет первую гармонику напряжения инвертора (50 Гц), работающего с синусоидальной широтноимпуль-сной модуляцией. Если фазу напряжения инвертора (напряжение вольтодобавки) устанавливать все время сдвинутой на 90 от тока инвертора, т.е. тока нагрузки Iн, то через инвертор не будет проходить активная мощность. Векторная диаграмма напряжений и тока регулятора для такого режима построена на рис.

3.3.4. В инверторе при этом не требуется источник активной мощности на входе звена постоянного напряжения. Задать начальный уровень напряжения на емкости фильтра Сd инвертора можно, сделав сдвиг фазы нао пряжения инвертора относительно тока чуть меньше 90. При этом инвертор будет потреблять от входного источника небольшую активную мощность, компенсирующую потери в инверторе при определенном установившемся уровне постоянного напряжения на емкости фильтра Сd.

СПОСОБОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Широтно-импульсные способы регулирования переменного напряжения, как и постоянного напряжения (см. главу 1), требуют выполнения схем регуляторов на вентилях с полным управлением, чтобы иметь возможность включать и выключать вентили в желаемые моменты времени. На рис. 3.4.1 представлены схемы регуляторов на ключах, позволяющие применять широтно-импульсное регулирование переменного напряжения.

Схема регулятора на рис. 3.4.1,а позволяет регулировать вниз выходное напряжение методом однократного или многократного широтно-импульсного регулирования, кривые выходных напряжений для которых приведены соответственно на рис. 3.4.2,а,б. При этом ключи К1 и К2 работают в противофазе, так что все время такта Тт существует цепь для протекания тока нагрузки, содержащей индуктивность.

Схема регулятора на рис. 3.4.1,б позволяет выполнять комбинированное регулирование переменного напряжения как за счет амплитудной, так и за счет широтно-импульсной модуляции. Противофазное переключение ключей К1 и К2 обеспечивает переключение мгновенного значения выходного напряжения регулятора между уровнями U1 и U2, как видно из рис. 3.4.2,в. При необходимости уменьшения выходного напряжения регулятора ниже значения U2, в противофазе начинают переключаться ключи К2 и К3, обеспечивая многократное широтно-импульсное регулирование выходного напряжения, аналогично рис. 3.4.2,б.