СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Трехфазный мостовой инвертор

Работа инвертора, собранного по трехфазной мостовой схеме (рис. 16) при соединении нагрузки в звезду, иллюстрируется диаг­раммой рис. 17. На рис. 17, а, б, в приведены кривые токов управ-

ления транзисторами, на рис. 17, г, д, е — формы кривых линей­ных (ЕАв, Евс, ЕСа), а на рис. 17, ж, з, и — фазных (ЕА, Ев, Ес)

напряжений. Поскольку в любой момент времени в открытом со­

стоянии находятся три транзистора (например, Ти Ті и Т5), макси­мальное значение фазного напряжения равно 2/з Е.

Разложение в ряд Фурье кривой линейного напряжения

напряжения прямоугольной формы Еф' с амплитудой 0,5 Яф. макс и длительностью 180° (1/2 /) в течение каждого полупериода и на­пряжения Еф" той же амплитуды, но длительностью 60° (1/6 f) в течение каждого полупериода. Тогда ток в нагрузке равен сумме токов, обусловленных этими напряжениями

. Рассмотрим пути, по которым возможно замыкание этого тока.

Предположим, что в данный момент времени открыты транзи­сторы 7*1, Тц, Т6 (см. рис. 16), а в момент коммутации транзистор Тц закрывается, а Г3 открывается. При этом ток в фазе А начи­нает спадать и должен изменить свое направление, предварительно перейдя через нулевое значение. Протекание спадающего тока фазы А в случае питания инвертора от выпрямителя и при отсут­ствии конденсатора на его зажимах возможно 'по контуру: диод Д3, транзистор Т, фаза С при условии, что ток в фазе С больше тока в фазе А, т. е. при іс>іл• В случае, если іс<іл, такой контур не может образоваться, и поэтому запасенная в индуктивности фазы А электромагнитная энергия может привести к пробою транзи­сторов.

Учитывая изложенное, определим сначала величину параметра ft, при которой возможна работа инвертора от источника постоян­ного напряжения с односторонней проводимостью, т. е. от выпря­мителя. В момент коммутации транзисторов Т4 и Т3 ток нагрузки в фазах Л и С можно найти из выражений:

(135)

1_

Это возможно только в случае, когда е 6^г < — т. е. при fx < 0,24.

- Для того чтобы определить, при каком минимальном значении коэффициента мощности нагрузки возможна работа инвертора при питании его от выпрямителя, представим вначале эффективные зна­чения тока и напряжения на нагрузке в следующем виде:

Учитывая, что величина емкости конденсатора, включаемого в цепь постоянного напряжения инвертора, может оказаться чрез­мерно большой, целесообразно при питании преобразователя от выпрямителя, подключенного к сети трехфазного напряжения, вклю­чить вместо конденсатора для рекуперации энергии в сеть вспомо­гательный инвертор ВИ (рис. 19), выполненный по трехфазной мо­стовой схеме с регулированием противо-э. д. с. Вспомогательный инвертор подключается к сети через согласующий трансформатор Тр или через дополнительные обмотки трансформатора выпрями­теля В. При этом реактивный ток преобразователя выпрямляется выпрямителем В и реактивная мощность передается вспомогатель­ным инвертором ВИ в сеть переменного тока [J1. 58].

Таким образом, источник питания, обладающий односторонней проводимостью, с параллельно включенным вспомогательным ин­вертором становится эквивалентным источнику постоянного напря­жения с двусторонней проводимостью и способен обеспечить на­грузку как активной, так и реактивной мощностью.

Установленная мощность вспомогательного инвертора может выбираться меньше установленной мощности основного, так как он, как это следует из изложенного выше, компенсирует только частич­ную нехватку реактивной мощности нагрузки.

Способы управления инверторами

В однофазном и трехфазном мостовых инверторах, анализ ра­боты которых приведен выше, управление транзисторами произво­дится с помощью тока прямоугольной формы. При этом амплитуда переменного напряжения, при­ложенного к нагрузке (двига­телю), определяется величиной постоянного напряжения, пи­тающего инвертор, а его час­тота — частотой переключения транзисторов. При таком спо­собе управления инвертором линейное напряжение на зажи­мах двигателя имеет прямо­угольную форму (см. кривую UH на рис. 15 и кривые ЕА,

Ев, Ес на рис. 17). При низ­ких частотах, когда двигатель представляет собой практиче­ски активную нагрузку, фор­ма тока в фазах двигателя по­вторяет форму кривой фаз­ного напряжения. Последнее приводит к «шагообразному» вращению двигателя, что для привода ряда механизмов может оказаться неприемлемым.

Существует ряд способов управления, с помощью которых удается получить практически синусоидальную форму тока в цепи нагрузки. Одним из таких способов является применение для пи­тания инвертора управляемого выпрямителя, среднее значение вы­прямленного напряжения на выходе которого регулируется по си­нусоидальному закону. В результате кривая выпрямленного напря­жения иъ имеет вид следующих друг за другом синусоидальных полуволн (рис. 20). Если теперь к выходу этого управляемого выпрямителя подключить однофазный мостовой инвертор (см. рис. 14), управляемый импульсами прямоугольной формы, длитель­ность которых равна длительности полуволны синусоиды выпрям­ленного напряжения (ток /у, рис. 20), то к нагрузке будет прило­жено синусоидальное напряжение UB.

Для получения трехфазной системы синусоидальных напряже­ний необходимо использовать три управляемых выпрямителя и три однофазных инвертора. При этом функции регулирования ве­личины переменного напряжения при изменении частоты выполняет управляемый выпрямитель. Максимальное значение частоты сину­соидального переменного напряжения на выходе инвертора зависит от выбранной схемы выпрямления управляемого выпрямителя и ча­стоты переменного тока сети, питающей выпрямитель.

Практически синусоидальную форму тока в цепи активно-ин­дуктивной нагрузки можно также получить с помощью широтно-им­пульсного способа управления транзисторами инвертора [Л. 28; 29].

Для ойрбделенйя закона гізМененйЯ токов І7 іірй sfoto способе управления транзисторами однофазного инвертора обратимся к рис. 21.

На верхней оси синусоидальная кривая U заменена прямо­угольниками равной длительности и амплитуды, равной среднему значению синусоиды на данном промежутке. Если заменить теперь

эти прямоугольники прямоугольниками равной высоты, то при соб­людении равенства площадей получим условия для построения формы кривой тока управления ty транзисторами. Можно считать, что ширина импульсов в течение каждого полупериода частоты синусоидального напряжения распределена по синусоидальному закону. Управляя теперь с помощью токов іуі и іУ2 транзисторами Ті иГ2,ас помощью токов г'у3 и іуі — транзисторами Г3 и ТА одно­фазного инвертора, получаем на нагрузке переменное напряжение UB прямоугольно-импульсной формы. Если учесть, что нагрузка является активно-индуктивной, форма тока в ее цепи будет близка к синусоидальной. Отступление от синусоидальной формы тока бу­дет тем меньше, чем на большее количество прямоугольников раз­бита исходная синусоида и чем больше индуктивность нагрузки. Обычно частоту переключения транзисторов выбирают в восемь-
десять раз больше значения максимальной частоты напряжения на выходе инвертора.

Рассмотрим, как при таком способе управления инвертором можно менять величину переменного напряжения на зажимах на­грузки.

Очевидно, если исходная синусоида U будет меньше по ве­личине, то и площади ее заменяющих прямоугольников будут также меньше. В этом случае при сохранении величины максимального

а)

пппппппппппппп пппппппппппппг

. пп п ппппппппп

Рис. 22. Управляющие импульсы транзисторов Т( и Г2: а — при отсутствии входного сигнала; б — при наличии входного сиг­нала.

значения импульсов тока управления импульсы будут уже, а сле­довательно, величина напряжения UB, приложенного к нагрузке, будет также меньше. Поэтому при широтно-импульсном способе управления инвертор одновременно выполняет функции регулиро­вания величины переменного напряжения и его частоты. Это озна­чает, что инвертор можно питать от обычного (неуправляемого) выпрямителя.

Трехфазная схема преобразователя с широтно-импульсной мо­дуляцией может быть выполнена как с тремя однофазными инвер­торами по схеме рис. 14, так и с одним трехфазным по схеме рис. 16. Трехфазная схема преобразователя частоты с широтно-им­пульсной модуляцией позволяет также обеспечить раздельное регу­лирование величины выходного напряжения инвертора и его частоты в широких пределах.

Управление трехфазным мостовым преобразователем с широт­но-импульсной модуляцией, выполненным по схеме рис. 16, проис­ходит следующим образом.

При отсутствии входного сигнала транзисторы одной ветви моста, например Т и Т2, находятся поочередно в открытом и за­крытом состояниях одинаковое время. Диаграммы токов управле­ния lyi и t'y2 этими транзисторами приведены на рис. 22. Тран­зисторы остальных ветвей работают в аналогичном режиме.

В результате к нагрузке прикладывается переменное напряжение прямоугольной формы, частота которого равна частоте коммутации транзисторов. Ток в нагрузке в этом случае очень мал.

При появлении сигнала в виде трехфазной синусоидальной си­стемы напряжений на выходе системы управления преобразовате­лем изменяется длительность импульсов, управляющих открытием транзисторов. При этом направление тока в нагрузке и величина напряжения на ней определяются соотношением длительностей им­пульсов управления транзисторами. Диаграмма изменения длитель­ности импульсов управления для транзисторов Ті и Гг при изме­нении входного сигнала UBX по синусоидальной зависимости представлена на рис. 22, б. Транзисторы двух остальных ветвей управляются напряжениями, сдвинутыми соответственно на угол 120° и 240° эл. по отношению к первой ветви.

Анализ работы такого преобразователя и системы его управле­ния приведен в работах [Л. 28 и 29].

Независимо от способа управления инвертором (однофазным или трехфазным) в моменты коммутации транзисторов одной ветви возникает кратковременный режим короткого замыкания источника постоянного напряжения, питающего инвертор. Этот ток короткого замыкания, называемый «сквозным током», обусловлен временем запаздывания при закрытии транзистора, а также конечной скоро­стью спада тока управления. Импульсы сквозного тока, если не принять мер для их ограничения или устранения, могут значительно превышать ток нагрузки. Последнее увеличивает потери в тран­зисторах инвертора, особенно при больших частотах их переключе­ния, что может привести к их порче из-за местных перегревов В частности, по этим причинам применение трехфазного мостового инвертора с широтно-импульсным управлением встречает труд­ности.

С целью ограничения сквозных токов в цепи постоянного тока инвертора включают (кроме случая управления инвертором широт­но-импульсным способом) реактор с небольшой индуктивностью. Для устранения сквозных токов через транзисторы инвертора умень­шают продолжительность управляющих импульсов тока на вели­чину времени запаздывания закрытия транзисторов инвертора и на величину времени спада управляющего тока [Л. 36; 50].

Для определения времени запаздывания закрытия транзисто­ров, а также потерь, выделяемых в них при работе, рассмотрим подробнее режим переключения транзисторов инвертора.