ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Коммутация в инверторе

Процесс коммутации в инверторе с отсекающими диода­ми в основных чертах заключается в следующем (рис. 3.45,6). Пусть в некоторый момент времени t прово­дит тиристор Ті и коммутирующий конденсатор С имеет максимальное напряжение «со с полярностью, показанной на рис. 3.45,а. При включении тиристора 7^ конденсатор за­мыкается на тиристоры Т и Т2, начинает разряжаться и сво­им разрядным током, направленным против тока тиристора Ті, выключает его. Благодаря отсутствию индуктивности в разрядном контуре прекращение тока вентиля проходит практически мгновенно. После выключения тиристора Ти конденсатор оказывается присоединенным к питающему ис­точнику левой обкладкой и будете течение времени ті заря­жаться в обратном направлении до максимального напря­жения + Исо. После этого (момент времени t2) ток в кон­денсаторе прекратится, потому что его разряду на обмотку трансформатора будет препятствовать отсекающий вен­тиль Dі. Поскольку прекратится ток в конденсаторе, то и его напряжение останется постоянным до тех пор, пока управляющий импульс не откроет снова вентиль Т. Таким образом, на этом интервале Т2 постоянного напряжения конденсатора он не проводит тока и не участвует в обмене энергии и в формировании тока нагрузки. В таком отклю­чении конденсатора на время т:> и заключается роль отсе­кающих диодов. При включении тиристора Т2 цикл закон­чится и процесс повторится с периодом

^=2 (xi - Е-т2) -

С увеличением частоты импульсов, включающих тири­сторы, при некотором критическом ее значении /кр, когда Т2 = 0 и отсекающие диоды перестанут функционировать, коммутация будет проходить также, как и в простом парал­лельном инверторе. Но при частотах ниже критической, т. е. при Т2>0, роль конденсаторов остается неизменной. Благодаря отсекающим диодам инвертор может работать устойчиво в области отрицательных углов и выдавать в сеть переменного тока и активную, и реактивную мощ­ности даже при относительно малых значеннях коммути­рующей емкости. При работе на внешнюю противо-ЭДС в идеальных условиях угол опережения может достигать 180°. Инвертор работает практически всегда в режиме не­прерывных токов.

В Институте проблем управления (автоматики и теле­механики) была выполнена и исследована в 1960 г. опыт­ная установка тиристорного электропривода с отсекающи­ми диодами мощностью 7 кВт. Испытания показали надеж­ную работу инвертора в диапазоне от 3 до 200 Гц при не­изменных конденсаторах минимальной емкости. Схема обеспечивала рекуперативное торможение [,30].

Инверторы с отсекающими диодами получили широкое применение, преимущественно в электроприводах с инвер­торами тока, которые имеют некоторые существенные до­стоинства по сравнению с инверторами напряжения.

Инверторы с отсекающими диодами также относятся к инверторам с сопряженно импульсной коммутацией.

В преобразователях частоты с питанием инвертора от управляемого выпрямителя для регулирования напряжения с понижением частоты понижается и постоянное напряже­ние, вследствие чего нарушаются условия коммутации ти­ристоров инвертора. Коммутирующие конденсаторы не мо­гут получить достаточный запас энергии от источника энер­гии постоянного тока, когда его напряжение понижено.

В этих случаях для коммутации в схему инвертора вводят изолированный источник постоянной ЭДС небольшой мощ­ности, который обеспечивает одинаковые условия комму­тации по всему диапазону регулирования выпрямленного напряжения, питающего инвертор.

На рис. 3.46 показана простейшая мостовая схема с до­полнительным источником постоянного напряжения, кото­рый разделен на две равные части. От этого источника ил заряжается коммутиру­ющий конденсатор С. Кон­денсатор подключается к главным тиристорам Ті—Т4, которые он должен выклю­чать своим разрядным то­ком, поочередно с помощью реверсивного моста из вспомогательных коммути­рующих тиристоров Т$—Т%. Конденсатор заряжается до напряжения Uc=—2UB+Ua, из которого 2С/в затрачивают­ся на компенсацию обратной ЭДС индуктивной нагрузки, а ия составляет обратное напряжение на тиристорах каж­дого плеча моста.

Схема работает следующим образом. Пусть в началь­ный момент конденсатор Сі заряжен до напряжения 2С/в + + ия с такой полярностью, что точка А имеет положитель­ный потенциал относительно В. При включении тиристоров Т5 и Т-j конденсаторного моста потенциал точки У+ станет отрицательным, а потенциал точки У-— положительным. В нормально сбалансированной схеме потенциалы комму­тирующей цепи будут симметричны: У+ будет иметь потен­циал— (UB + UR), a У-— потенциал + (ив + ил). Катод тиристора Ті будет оставаться жестко привязанным к по­тенциалу— Uв благодаря диоду Д, и к главному тиристо­ру Ті будет приложено обратное напряжение ия.

Аналогично анод тиристора Т будет оставаться свя­занным с потенциалом + UB благодаря диоду Д2, и к нему будет также приложено обратное напряжение Uд. В ре­зультате ток тиристоров Т и Т2 прекращается п они вы­ключаются. В это время кондесатор С перезаряжается. Потенциалы точек У+ и У" достигают значений +UB и —UB и удерживаются на этом уровне благодаря диодам Д$ и Дв соответственно. Конденсатор снова зарядится до напря­жения 2£/в + [/д, но с обратной полярностью. В этой схеме импульс обратного напряжения прикладывается одповременно к положительному и отрицательному полюсам тири­сторного моста на стороне постоянного тока.

На рис. 3.47 показана трехфазная мостовая схема с до­полнительным коммутирующим источником напряжения. Она отличается от предыдущей однофазной схемы тем, что коммутирующий конденсатор разделен на два одинаковых

С', С" и средняя точка между ними соединена со средней точкой конденсаторного делителя напряжения главного источника. Это необходимо для того, чтобы развязать ком­мутацию анодной и катодной групп тиристоров и исклю­чить возможность выключения первым, ранее включившим­ся тиристором второго, запоздавшего из-за разброса их характеристик и других небалансных явлений. Процесс коммутации этой схемы описан в [3]. Эту схему можно упростить, устранив два из четырех коммутирующих тири­сторов и один из конденсаторов. Оставшиеся коммутирую­щие элементы будут изменять полярность напряжения на положительном и отрицательном полюсах инвертора пооче­редно. В этой схеме значительно повышается КПД инвер­тора, так как вместо двух дросселей энергией коммутации заряжается только один. Схема может быть улучшена пре­образованием цепи коммутации из Т-образной в П-образ - ную с объединением двух вспомогательных источников на­пряжения в один.

На рис. 3.48 показана схема коммутации со стороны пе­ременного тока. Импульсы обратного напряжения прикла­дываются одновременно к трем тиристорам одного полюса через три развязывающих диода, предназначенных также для пропускания обратных токов. Обратные токи замыка­ются через диоды Д. Источник напряжения UA обеспечи­вает перезарядку коммутирующих конденсаторов для под­готовки их к следующей коммутации. Три реактора cq средней точкой разделяют два полюса, что позволяет повы­сить напряжение на катодах тиристоров анодной группы, когда тиристоры катодной группы проводят ток, и наобо­рот. Потери в схеме не­велики, так как энергия, запасаемая в дросселе, возвращается в цепь по­стоянного тока в конце следующей коммутации.

В трехфазном инвер­торе по схеме рис. 3.49 одна цепь обслуживает коммутацию всех сило­вых тиристорв инвертора. Коммутирующая цепь со­держит конденсатор С, два вспомогательных ти- и Тв2, а также индуктивность L2. Принципі заключается в следующем. После отклю-

ристора Тв1 коммутации

чения тиристора Гві конденсатор С заряжен поло­жительно на обкладке, обозначенной точкой, до на­пряжения Uі, несколько превышающего (за счет энергии, запасенной в индуктивности L) напряжение источника по­стоянного тока UB. Затем включается тиристор Тв2, конден­

сатор разряжается, и через один полупериод резонансной частоты контура Ь2С его напряжение реверсируется с от­рицательным знаком у обкладки, обозначенной точкой, до­стигая ия + и{. Силовые тиристоры выключаются, а реак­тивный ток нагрузки возвращает энергию обратно источни­ку через диоды.

Следующим важным шагом в развитии автономный инверторов было осуществление, импульсной коммутации с использованием для этого дополнительных тиристоров меньшей мощности в схемах, предложенных также Мак - Мурри [34]. Эти схемы обеспечивают полное отделение цепей управления коммутацией от цепей главного потока энергии и относятся к классу инверторов с принудительной (иногда называемой также искусственной) высокочастот­ной коммутацией.

Сущность импульсной коммутации рассмотрим на схеме рис. 3.50. На рис. 3.51 показано изменение токов при ком­мутации. Формирование ком­мутирующих импульсов тока осуществляется колебатель­ным контуром LKCK, который замыкается дополнительными коммутирующими тиристора­ми Тк. Тиристор Гкі включа­ется для гашения тока в сило­вом тиристоре Ті, а Тк2— в ти­ристоре Т2.

Пусть перед началом коммутации ток проходит через силовой тиристор Ті, а конденсатор заряжен так, что его обкладка с точкой имеет положительный потенциал исо (рис. 3.51).

Открытие коммутирующего тиристора Гкі при /=0 за­мыкает контур Ьк, Ск, Ті коммутирующего тока tK. Комму­тирующий конденсатор Ск начинает разряжаться, и его разрядный ток направлен в силовом тиристоре Т против тока нагрузки ін. Когда разрядный ток ік сравняется с то­ком нагрузки і* при t=t, тиристор Т выключается. Раз­рядный ток продолжает расти и его избыток iK>iH проте­кает через диод Д, который своим обратным напряжением выключает тиристор Ть Когда разрядный ток достигнет максимума iKmax, напряжение конденсатора обращается

в нуль (t—t2). После этого ток 1к уменьшается, и при t=t3 снова становится равным току нагрузки гн.

Интервал времени tB—ts—t2, в течение которого ток конденсатора превышает ток нагрузки, является важным параметром инвертора, определяющим надежность комму­тации. Он обязательно должен превышать время выключе-

ния тиристоров по основной цепи tq с запасом надеж­ности 6:

tB>tg + 6.

Очевидно, это время тем больше, чем больше амплиту­да тока конденсатора іктах. Отношение токов

У,==іктах/Ьі (3.32)

также является основным расчетным параметром инвер­тора.

В тот же момент /=/3 открывается второй коммутирую­щий тиристор Т1{2 и возникает второй, значительно мень­ший, импульс тока конденсатора (при некоторых условиях он может отсутствовать). На этот раз избыточный ток кон­денсатора замыкается через коммутирующий тиристор Tv2 (рис. 3.50). Этот второй импульс, повышая напряжение конденсатора, увеличивает амплитуду первого импульса тока іктах тем больше, чем больше ток нагрузки. Таким образом, запас надежности коммутации автоматически рас­тет с увеличением тока нагрузки.

В конце второго импульса, когда разрядный ток снова сравняется с током нагрузки iu=in, a t=tn, отрицательное напряжение конденсатора запирает коммутирующий тири­стор Гкь В интервале ^<^</5 недостаток тока конденсато­ра возмещается составляющей тока через диод Д2.

Далее, под воздействием напряжения, приложенного к нагрузке через силовой тиристор Т2 с обратным знаком, ток в нагрузке меняет знак в момент, когда запас энергии в ее индуктивности обратится в нуль (на рис. 3.51 не по­казано). На этом заканчивается полный цикл коммутации

На рис. 3.52 показана рассмотренная схема в мостовом исполнении.

Для преобразователей частоты с управлением по мето­ду широтно-импульсной модуляции (ШИМ) к цепям ком­мутации предъявляются повышенные требования, вследст­вие больших значений несущей частоты, достигающих 1 кГц и больше. Эти требования: малые потери на коммута­цию, независимая (индиви­дуальная) коммутация тока вентилей каждой фазы, бы­строе восстановление запи­рающего действия вентилей рис з5з

для максимально возмож­ного сокращения времени выключения tB в коммутациях, низкое выходное сопротивление, стабильность коммутаци­онной способности во всех режимах; нагрузка вентилей по напряжению должна оставаться в рациональных пределах. Для выполнения этих требований основная схема рис. 3.50 дополняется диодами для уменьшения переиапряжений на коммутирующем конденсаторе. На рис. 3.53 покпзана схема однофазного инвертора. Обозначения новых элемен­тов схемы: Дд — дополнительные диоды, L дроссели для ограничения di/dt, Rc— демпфирующий резистор, С — емкостный фильтр.

Потери в коммутирующем контуре обычно малы и можно принять:

/соС; ф=л/2 <o/a=2coL//?=5s2Q. (3.36)

С этими допущениями уравнения (3.33) и (3.34) полу­чают вид:

iK «=» £~Mco sinmf-f iK0 cos ы] е~юі/2*

и

Для расчета коммутации инвертора наиболее важным является уравнение первого импульса коммутации (3.37). Это уравнение трансцендентное и приходится применять численные и графические методы, например на основе двух расчетных функций от % [27].

Первую расчетную функцию g(%) найдем из синусои­дальной функции первого импульса (рис. 3.54,г), учитывая

(3.32):