При использовании автономных инверторов напряжения на ЭПС применяют два основных способа регулирования выходного напряжения (т. е. напряжения на статоре асинхронного тягового двигателя):
- амплитудный способ, при котором выходное напряжение регулируется путем изменения входного напряжения инвертора Ud;
- широтно-импульсный способ, при котором выходное напряжение регулируется внутренними средствами инвертора (при неизменном входном напряжении Ud) путем многократного включения и выключения ключей инвертора за один период выходного напряжения. Инвертор, в котором применяют такой способ регулирования, называют инвертором с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [30].
Возможен и комбинированный способ регулирования напряжения. В начальной стадии пуска локомотива на вход инвертора подают напряжение Ud (например, выпрямитель питают от части вторичной обмотки трансформатора) и регулируют напряжение способом
ШИМ; на завершающей стадии пуска напряжение изменяют амплитудным способом, увеличивая выпрямленное напряжение на входе АИН до максимального значения Ud maX. На практике комбинированный способ регулирования используется редко.
При амплитудном регулировании частота коммутаций тиристоров одной фазы инвертора равна частоте первой гармоники тока статора f1, а форма кривых фазного и линейного напряжения остается неизменной и соответствует диаграммам, представленным на рис. 5.1, в. Благодаря невысокой частоте коммутаций в АИН с амплитудным регулированием допустимо использовать тиристоры с относительно большим временем выключения (120—150 мкс). Такие тиристоры изготавливаются на основе высокоомного кремния и имеют высокое допустимое напряжение (3200—4000 В). В этом заключается наиболее ценное достоинство амплитудного способа регулирования, поскольку при напряжении Ud, равном примерно 2500—3000 В, инвертор можно выполнить без последовательного соединения тиристоров и в результате значительно уменьшить объем, массу и повысить КПД преобразователя. Невысокая частота облегчает также режимы работы элементов узла принудительной коммутации: конденсаторов, реакторов и коммутирующих тиристоров.
Недостатком амплитудного способа регулирования является повышенный уровень пульсаций момента асинхронного тягового двигателя на стадии пуска. Однако исследования данного вопроса и измерения на электровозе ВЛ80а показали, что при трогании с места пульсации момента незначительны (в пределах 10 % при 180-градусном управлении инвертором и в пределах 5 % при 150-градусном управлении) и практически не отражаются на тяговых свойствах локомотива.
К недостаткам амплитудного способа следует отнести усложнение узлов принудительной коммутации инвертора из-за использования дополнительного зарядного источника и тиристоров для подзаряда коммутирующих конденсаторов. Потребляемая от зарядного источника мощность невелика (обычно не более 1—3 % мощности инвертора), поскольку она расходуется только на компенсацию незначительных потерь в контуре коммутации.
При питании от сети переменного тока и наличии на локомотиве трансформатора выполнение зарядного источника в виде выпрямителя с емкостным фильтром не вызывает особых затруднений. Регулирование входного напряжения инвертора Ud в этом случае можно осуществить простым и экономичным способом в звене управляемого выпрямителя. Переводом выпрямителя в режим ведомого сетью инвертора легко реализуется рекуперативное торможение локомотива. Поэтому наиболее целесообразной областью применения АИН с амплитудным регулированием являются электроподвижной состав, получающий питание от контактной сети переменного тока, а также тепловозы с синхронными генераторами.
При амплитудном регулировании, как было показано в параграфе 5.1, действующее значение первой гармоники фазного напряжения
связано с входным напряжением Ud соотношением
асинхронного тягового двигателяктивная мощность статора асинхронного тягового двигателя Рх. Пренебрегая потерями в инверторе и считая UdU — P1, запишем выражение для среднего значения входного тока инвертора
В инверторе с ШИМ для регулирования выходного напряжения изменяют соотношение между интервалами подключения фазы двигателя к «плюсу» и «минусу» источника питания в течение одного периода выходного напряжения и тем самым изменяют глубину регулирования выходного напряжения, которую характеризует коэффициент регулирования Кр· Действующее значение первой гармоники фазного напряжения в этом случае
, Соответственно средний ток на входе инвертора с ШИМ
Коэффициент регулирования Кр изменяется от нуля до единицы. При Кр — 0 получаем иг — 0, Id = 0. Значение Кр = 1 означает, что регулирование способом ШИМ завершилось, дополнительные коммутации не происходят и частота коммутаций тиристоров одной фазы. При этом кривые фазного напряжения иф и тока ίΦ соответствуют диаграммам, представленным на рис. 5.1, а и 5.2, т. е. они такие же, как и в инверторе с амплитудным регулированием.
При управлении способом ШИМ напряжение на выходе АИН имеет форму серии импульсов положительной и отрицательной полярности с нулевыми паузами, причем длительность импульсов и пауз в пределах одного периода выходного напряжения можно изменять по различным законам. Выполнение устройств формирования сигналов управления для АИН с ШИМ рассмотрено в главе 10.
Для питания асинхронных тяговых двигателей в АИН наиболее часто используют два вида ШИМ: синусоидальную и прямоугольную. Второй вид ШИМ является наиболее простым и его обычно называют широтно-импульсным регулированием (ШИР).
Считаем, что АИН выполнен по схеме рис. 5.1, а. Принцип управления таким инвертором способом синусоидальной ШИМ поясняет рис. 5.21. Период выходного напряжения Т1 разбивают на N равных интервалов (в рассматриваемом примере N =9).
Длительность одного интервала равна Тн=Т1/N. С периодом повторения Тн и частотой fн = Nf1 которую называют несущей, изменяется двухполярный разворачивающий сигнал треугольной формы ир. Модулирующий синусоидальный сигнал имеет частоту первой гармоники выходного напряжения инвертора. Отношение амплитуд сигналов UM/UP — μ называют глубиной модуляции. При регулировании выходного напряжения μ изменяется от 0 до 1. Для синусоидальной ШИМ при μ = 1 коэффициент регулирования напряжения Кр< 1, поскольку значение Кр = 1 соответствует только режиму однократной коммутации инвертора, когда число коммутаций на одну фазу за период выходного напряжения равно 2.
В инверторе с ШИМ на одном интервале Тн осуществляются две коммутации, а за период Тх — 2 N коммутаций на одну фазу. Поэтому кратность коммутаций в инверторе с синусоидальной ШИМ равна N.
Моменты коммутаций инвертора соответствуют точкам пересечения сигналов. При условии им >ир фаза подключается к «плюсу» питающего источника и ее потенциал относительно средней точки источника питания.
Рис. 5.21. Диаграммы модулирующего и разворачивающего мр сигналов и потенциала фазы фф при синусоидальной ШИМ (N—9)
При условии им < ир фаза подключается к «минусу» источника питания и φφ= — 0,5Ud. Диаграмма φΦ на рис. 5.21 симметрична по полуволнам выходного напряжения (относительно моментов Т1/4 и 3T1/4) только в том случае, если N — нечетное число.
На рис. 5.22 приведены диаграммы потенциалов трех фаз — фд, φβ, фс — для инвертора с синусоидальной ШИМ при N = 9. Кривые φβ и фс сдвинуты относительно фд на 120 и 240°. Диаграмма линейного напряжения иАВ построена в соответствии с равенством иАВ = = фд — φβ. Там же приведена диаграмма потенциала средней точки нагрузки ф0 = (фд + фв + Фс)/3. Напряжение фазы иА построено в соответствии с равенством иА = фа — φ0.
При разложении в ряд Фурье кривой напряжения инвертора, управляемого способом синусоидальной ШИМ на несущей частоте, наряду с основной гармоникой, определяемой частотой fx модулирующего сигнала, присутствуют гармоники с комбинационными частотами, где н= 0; ±1; ±2; ±3; ... и т = I; 2; 3; ... .
В отличие от синусоидальной ШИМ при управлении АИН способом ШИР дополнительные коммутации достаточно осуществлять только на средних интервалах положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения, т. е. на интервалах от 60 до 120 и от 240 до 300°.
На рис. 5.23 показаны диаграммы потенциалов фд, φβ, фс для случая, когда в течение средних интервалов на время паузы ttt производится подключение фазы к противоположному полюсу источника питания. Там же показаны линейное напряжение иАВ = Фд — φβ, диаграмма потенциала средней точки нагрузки φ0 = (фд + Фв + фс)/3 и напряжение фазы иА — фа — φ0.
Поскольку в одной фазе инвертора (в начале и конце паузы) осуществляются две дополнительные коммутации, а за один полупериод выходного напряжения — всего три коммутации, то диаграммы рис. 5.23 соответствуют режиму ШИР с кратностью коммутаций. В общем случае, если при управлении способом ШИР на средних интервалах осуществляют К одинаковых пауз, то кратность коммутаций
п= 2К + 1.
Обозначим через Т0 общую длительность К пауз, т. е. Та = Kta. При уменьшении Тп до нуля инвертор переходит в режим однократной коммутации с коэффициентом регулирования напряжения Кр= 1. Если Тп увеличить до значения T1\6, т. е. до длительности среднего интервала, то выходное напряжение инвертора уменьшится до нуля. Зависимость коэффициента регулирования Кр от Тп определяется равенством Кр = (1 — 6Τп)/Τ1.
Амплитуды напряжения гармоник зависят от кратности коммутаций п, и от коэффициента регулирования Кр (рис. 5.24). Следует иметь в виду, что гармоники, для которых п > 0, образуют прямой порядок чередования фаз, а гармоники, для которых п < 0, — обратный.
Управление инвертором способом ШИМ применяют для решения двух задач: изменения первой гармоники выходного напряжения инвертора и приближения формы кривой фазного тока двигателя к синусоидальной.
Рис. 5.22. Диаграммы потенциалов и напряжений инвертора с синусоидальной ШИМ (У-9)
При решении второй задачи кратность коммутаций должна быть достаточно большой. Но увеличение частоты коммутаций инвертора влечет за собой возрастание потерь на переключение тиристоров, повышение мощности элементов узла коммутации и снижение КПД преобразователя.
По указанным причинам высокие значения кратности коммутаций используют только при малых выходных частотах в начальной зоне пуска асинхронных тяговых двигателей. Например, на электровозе Е-120 максимальная частота коммутаций max во всей зоне регулирования напряжения не превышает 200 Гц (рис. 5.25).
Рис. 5.23. Диаграммы потенциалов и напряжений инвертора с ШИР.
Рис. 5.24. Спектр гармоник выходного напряжения инвертора с ШИР в функции Кр.
В начальной стадии пуска кратность коммутаций изменяется от 200 до 20 и обеспечивается хорошее приближение формы тока двигателя к синусоидальной. По мере возрастания частоты тока статора до 20 Гц кратность коммутаций уменьшают до значений пк = 7 и пк = 5 для выполнения ограничения до 200 Гц.
Рис. 5.25. Зависимость частоты коммутаций от частоты тока статора
В зоне частот f1> 35 Гц кратность коммутаций пк = 3.
Затем длительность паузы (см. рис. 5.23) постепенно уменьшают до нуля и инвертор переходит на режим однократной коммутации пк = 1. Процесс регулирования выходного напряжения инвертора на этом заканчивается, причем частота тока статора примерно равна номинальной.
Таким образом, в номинальном режиме, который является определяющим для тягового двигателя локомотива, АИН с ШИМ в отношении формы кривых фазного тока и напряжения равноценен АИН с амплитудным способом регулирования.
Использование модуляции по синусоидальному закону позволяет уменьшить пульсации момента асинхронного тягового двигателя в начале пуска практически до нуля. Однако, как отмечалось выше, и при амплитудном способе регулирования пульсации момента при трогании с места не превышают 5—10 % среднего значения момента и практически не ухудшают тяговых свойств локомотива.
К недостаткам инвертора с ШИМ следует отнести пульсации напряжения и тока двигателя, вызванные дополнительными коммутациями инвертора. Эти пульсации вызывают дополнительные потери в двигателе. Для их снижения, например, на электровозе Е-120 в цепь статора каждого двигателя включен трехфазный реактор массой более 200 кг.
По окончании регулирования напряжения эти реакторы выводятся из цепи статора с помощью контактора.
Следует отметить еще одну особенность АИН с ШИМ, заключающуюся в том, что при каждом повторном включении основного тиристора создаются условия для кратковременного короткого замыкания источника питания. Например, при положительном направлении тока фазы А (от точки А к точке 0) после выключения тиристора VS1 (см. рис. 5.1, а) ток проводит диод VD2. При повторном включении тиристора VS1 в течение времени выключения диода VD2 (несколько микросекунд) создается цепь короткого замыкания источника. Поэтому в инверторе с ШИМ необходимо применять быстродействующие диоды, а для ограничения тока КЗ — токоограничивающие реакторы.
Из-за повышенной частоты коммутаций в АИН с ШИМ применяют быстродействующие тиристоры с малым временем выключения (не более 30—50 мкс). Такие тиристоры, как правило, изготавливаются на основе кремния с малым удельным сопротивлением и имеют допустимое напряжение ниже, чем тиристоры с временем выключения 120— 150 мкс. Поэтому может потребоваться последовательное соединение тиристоров в АИН с ШИМ, в результате чего масса и объем инвертора возрастают примерно в прямой пропорции от числа последовательно соединенных приборов. Кроме того, снижается КПД преобразователя.
Инвертор с ШИМ работает при неизменном (или изменяющемся в небольших пределах) входном напряжении н не требует дополнительных устройств подзаряда коммутирующих конденсаторов. Поэтому наиболее целесообразной областью применения АИН с ШИМ является электроподвижной состав, получающий питание от сети постоянного тока. При таком питании для инвертора с амплитудным регулированием (помимо устройств подзаряда коммутирующих конденсаторов) требуется использовать импульсный прерыватель, т. е. необходимо осуществлять двукратное преобразование энергии. Инвертор с ШИМ при питании от сети постоянного тока позволяет ограничиваться однократным преобразованием энергии, и в этом состоит его наиболее важное преимущество.
В ближайшие годы планируется освоить промышленное производство мощных запираемых тиристоров с выключаемым током до 2500 А и более, напряжением до 4000 В. Такие приборы позволят резко упростить схему АИН благодаря исключению устройств принудительной коммутации и расширить область эффективного применения АИН с амплитудным и преимущественно с широтно-импульсным способом регулирования напряжения.