ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫИ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

КОММУТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРЕХФАЗНЫХ АИН ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПО МЕТОДУ ШИМ

К одним из наиболее распространенных устройств современной силовой электроники относятся автономные инверторы напряжения. В составе преобразователей частоты они преобразуют постоянное напряжение в переменное напряжение регулируемой частоты и среднего значения. Они также являются основными блоками агрегатов бесперебойного питания. Так как выходное напряжение АИН состоит из прямоугольных импульсов, то формирование требуемой его частоты и величины осуществляется за счет модуляции выходных импульсов. В настоящее время наибольшее применение получила широтно­импульсная модуляция, выражающаяся в воздействии на продолжительность импульсов и моменты их появления.

Описание процессов, происходящих за период выходного напряжения при многократной коммутации быстродействующих силовых ключей, последовательности работы таких ключей при формировании напряжения на выходе преобразователя частоты, приложенного к статору асинхронного двигателя, в учебниках и учебных пособиях пока отсутствует. Поэтому далее основное внимание уделено процессам, происходящим в трехфазных АИН, рассматривая их как основу анализа процессов в частотном электроприводе.

По этим соображениям рассмотрим процессы, происходящие при работе трехфазного АЙН, собранного по мостовой схеме и подключенного к симметричной активно- индуктивной R-L нагрузке (рис. 9).

В каждом плече моста инвертора встречно-параллельно включены биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - ТІ...Тб) и быстродействующий обратный диод (D1 ...D6). Вместо IGBT транзисторов могут быть применены запираемые тиристоры (например, GTO или другого типа). Положительные направления фазных токов ia, ic и ic ъ R-L нагрузке указаны стрелками. К проводу с положительной полярностью напряжения Uс (JJc - напряжение на конденсаторе С звена постоянного тока)

подсоединены коллекторы трех транзисторов и катоды трех обратных диодов; эти вентили обычно называют верхними, на рис. 9 им присвоены нечетные (1,3 и 5) номера. К проводу с отрицательной полярностью напряжения Uc подсоединены эмиттеры (аноды) трех нижних, обозначенных четными (2, 4 и 6) номерами транзисторов (обратных диодов). Принимаем, что вентили инвертора являются идеальными ключами, обладающими нулевым временем переключения и, благодаря этому, позволяют осуществить многократную коммутацию за период выходного напряжения инвертора, формируемого по методу ШИМ.

На рис. 10 изображены графики желаемого напряжения фазы а иж_а(со{) и двухполярной двухсторонней модуляционной функции F„_a(wt), изменяющейся по линейному закону от напряжения -1 до +1 (напряжения указаны в долях от базовой величины, равной Uc) и в обратном направлении на интервале 0 <со t <2 7Г.

В моменты равенства мгновенных значений 1)ж_a(^t) и функции FM a((i)t) на ниспадающих ее участках открывается ключ Т1, а в моменты равенства Uж а(со1) и функции FMM(cot) на ее восходящих участках ключ Т1 закрывается. Прямоугольные

импульсы, изображенные штрих-пунктирными линиями, соответствуют открытому состоянию ключа ТІ. На рис. 11 и рис. 12 представлены аналогичные построения для фаз b и с, желаемвіе напряжения которых отстают от напряжения фазві а, соответственно, на 2п/3 и 4п/3. Прямоугольные импульсві на этих графиках отображают открытые состояния ключей ТЗ и Т5. Для наглядности графических изображений частота функций FM(cot) принята равной 600 Гц, что в 4 - 20 раз меньше, чем у промышленных серий транзисторных ПЧ.

Особенность работы трехфазного АИН состоит в том, что ток протекает в нагрузке лишь в тех случаях, когда одновременно совпадают условия открытого состояния ключей (вентилей) в трех фазах. Поэтому функционирование инвертора характеризуется циклическим чередованием нескольких комбинаций вентилей, по которым одновременно протекают токи трехфазной R-L нагрузки: три транзистора, два транзистора и диод, два диода и транзистор, а также три диода. Комбинации проводящих ток вентилей инвертора и последовательность их чередования (всего 21 такт на интервале 0...к) представлены в табл. 6. Там же указаны направления протекания токов в фазах нагрузки и вентили инвертора, через которые они замыкаются.

Графики изменения во времени фазных напряжений (ппрнх-пунктирпые линии) и протекающих в нагрузке токов (сплошные линии) изображены на рис. 13 — рис. 15; на этих же графиках отмечены номера тактов, представленные в табл. 6.

На рис. 16 - рис. 21 приведены эквивалентные схемы, соответствующие тактам 1-7.

I

1f, T5

4,T4

Рисунок 16 — Токи, протекающие ни первом такте Уравнения электрического равновесия для первого такта записываются:

UC=(R-К, + d W„ М) -(R-ih+d i’/h /dt);

Uc =(R-ic + dцгc jdt) - (R ■ ib + d(//,; /dt) g)

A = 4-hWo = L ‘ KWb = L • hWc = - *e-

Переход от первого (TIT4T5) ко второму такту (D2T4T5) происходит при закрывании транзистора Т1; запасенная в индуктивности фазы а энергия стремится подцержатв прежнее направление тока и под действием ЭДС самоиндукции открывается нижний диод D2. Эквивалентная схема изображена на рис. 17.

Уравнения электрического равновесия для второго такта:

О = (R-iu+di//Jt)-(R-ih + dy/Jdt) Uc =(R-i +di//i /dt)-(R - ih +dy/hjdt)

(9)

h=-i —i.

b a с

Третий такт (D2D5D6) начинается в момент отключения транзисторов Т4 и Т5. Под действием запасенной в индуктивности нагрузки электромагнитной энергии дополнительно открываются верхний диод D3 и нижний диод D6. Эквивалентная схема для этого такта изображена на рис. 18.

•D3

D6

Ф

Рисунок 18 - Токи, протекающие па третьем такте Уравнения электрического равновесия на третьем такте:

- Uc = (R ■ io + dy/a /dl)-(R-ih+di//h /dt);

-Ur = (R ■ і + dy/Jdt.) - (R ■ ih + diyjdi):

(10)

Одновременно с уравнениями (8) следует учитывать условия односторонней проводимости диодов:

ia>0; ih<0uic>0. (11)

Под действием приложенного напряжения противоположной полярности ток интенсивно спадает до нуля и остается на нулевом уровне до конца такта.

Последующие комбинации работающих ключей таковы: на четвертом такте опять включаются 3 транзистора (Т1Т4Т6 - рис. 19).

+_

Т*Т1

ь.

■JL ‘

•і Т4

Рисунок 19 - Токи, протекающие на четвертом такте

Рисунок 20 — Токи, протекающие на пятом такте затем 2 транзистора и диод (T1T4D5 - рис. 20) на пятом такте, три транзистора (Т1Т4Т5 - рис. 16) на шестом такте и три длода (D2D3D6 - рис. 21) на седьмом такте и т. д.

+

yv

С -

с.

.D2

Рисунок 21 — Токи, протекающие на седьмом такте.

Представленные на рис. 13 - рис. 15 графики получены при параметрах R-L нагрузки: R - 23,9 Ом. L = 0.106 Гн. Значения токов на этих графиках указані»! в долях от базовой величины, в качестве которой принят максимальный ток на интервале 0 <0)1 < л или л < col < 2л, равный 2,3 А при приведенных параметрах нагрузки, частоте ШИМ и желаемой частоте ввіходпого напряжения= 50 Гц.

Приведенные описания свидетельствуют о сложности протекающих процессов коммутации, их зависимости от частоты ШИМ, параметров нагрузки. Дальнейшее повышение сложности процессов происходит при исследовании процессов в частотаом электроприводе, когда к выходу АИН подключен двигатель. Так как одновременно приходится учитывать состояния ключей, условия их включения и одностороннюю проводимость, направление протекания и характер токов (непрерывный, прерывистьгй) в нагрузке, то наиболее подходящим инструментом исследования таких многофакторных процессов является математическая модель. Графики, представленные на рис. 10 - рис. 15, получены при помощи математической модели.