ВЫХОДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Основные соотношения для асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора напряжения
Автономные инверторы напряжения, преобразующие постоянное напряжение в переменное, получили широкое распространение в тяговом и промышленном частотно-регулируемом электроприводе с асинхронными двигателями [24, 25]. Автономный инвертор напряжения (АНН) формирует на выходе переменное напряжение заданной прямоугольно-ступенчатой формы, а форма кривой тока определяется свойствами нагрузки.
Схема АИН без узлов принудительной коммутации тиристоров представлена на рис. 5.1, а. Отличительная особенность АИН состоит в том, что параллельно основным тиристорам VS1 — VS6 включены диоды VD1—VD6. При таком соединении тиристор и диод представляют собой ключ с двусторонней проводимостью. Например, при подключении фазы А к «плюсу» питающего источника Ud через тиристор VS1 может протекать ток нагрузки прямого направления (от точки А к точке 0), а через диод VD1 может протекать ток нагрузки обратного направления. Поэтому диоды VD1 — VD6 называют диодами обратного тока.
Пренебрегая незначительным падением напряжения в тиристоре и диоде при их проводящем состоянии, можно считать, что потенциал на выходе инвертора (т. е. потенциал точек А, В, С,) равен или потенциалу положительного полюса питающего источника (при проводящем состоянии тиристоров VS1, VS3, VS5 или диодов VD1, VD3, VD5), или потенциалу отрицательного полюса питающего источника (при проводящем состоянии тиристоров VS2, VS4, S6 или диодов VD2, VD4, VD6).
Если в течение периода выходного напряжения осуществлять многократное включение и выключение тиристоров, то АИН позволяет регулировать выходное напряжение при неизменном входном напряжении. Этот вопрос рассмотрен в параграфе 5.4.
Здесь рассматриваем АИН без внутреннего регулирования напряжения. Такой инвертор регулирует только частоту, а регулирование напряжения производится на входе инвертора вследствие изменения напряжения Ud.
Для этой цели используют управляемый выпрямитель (при питании от сети переменного тока) или импульсный прерыватель (при питании от сети постоянного тока).
Напряжение Ua принимаем идеально сглаженным. Рассмотрим наиболее часто используемый алгоритм 180-градусного управления АИН, при котором интервал проводимости каждого из тиристоров VS1— S6 равен половине периода выходного напряжения. Считаем, что фазы нагрузки симметричны и соединены в звезду.
Диоды и тиристоры, подсоединенные к «плюсу» источника питания Ua, т. е. диоды и тиристоры с индексами 1, 3. 5 относятся к плюсовой (анодной) группе, а тиристоры и диоды с индексами 2,4,6, подсоединенные к «минусу» питающего источника, — к минусовой (катодной) группе.
Чтобы на выходе АИН была сформирована симметричная трехфазная система напряжений, зоны проводимости тиристоров одноименной группы должны быть сдвинуты относительно друг друга на 120 и 240°, а зоны проводимости противофазных тиристоров, принадлежащих одной фазе (т. е. VSI и KS2, IAS3 и VS4, IAS5 и S6), — на 180° (рис. 5.1, б).
Рис. 5.1. Трехфазная мостовая схема автономного инвертора напряжения (а), интервалы проводимости тиристоров (б) и диаграммы потенциалов и напряжении на нагрузке (в).
За нулевой потенциал примем потенциал средней точки источника питания Ud. В этом случае потенциалы фаз на выходе инвертора φΑ, Фв, фс принимают значение Ud/2 при проводящем состоянии диодов и тиристоров анодной группы или значение — Ud/2 при проводящем состоянии диодов и тиристоров катодной группы (рис. 5.1, в).
Линейные напряжения имеют вид двухполярных прямоугольных импульсов длительностью 120° и амплитудой Ud.
Для фазных напряжений относительно средней точки нагрузки 0 выполняется равенство = 0. Потенциал точки 0 имеет вид двухполярных прямоугольных импульсов с амплитудой Ud/6 длительностью 60° и следующих с частотой 3 fх, где fх — рабочая частота инвертора.
Рассмотрим интервал, следующий за моментом 180°. Если нагрузка была бы чисто активной, то сразу же после выключения тиристора VS1 и включения VS2 произошло бы изменение полярности напряжения и направления тока фазы А. Поскольку ток статора асинхронной машины содержит индуктивную составляющую, то после выключения тиристора VS1 ток фазы А на интервале от 180 до (18θ+φ0)° сохраняет прежнее направление. Хотя сигнал управления для включения тиристора VS2 в это время подан, он не может проводить ток фазы А такого направления. Поэтому после выключения тиристора VS1 вступает в работу диод VD2, через который ток фазы А протекает на интервале от 180 до (180 4- ф1). К тиристору VS2 в это время приложено небольшое обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде VD2.
Напряжение на фазе А при этом равно — Ud/3, т. е. тому же значению, что и при чисто активной нагрузке. Из сказанного следует, что АНН обладает ценным свойством в режиме 180-градусного управления, заключающимся в том, что выходное напряжение инвертора (значение н форма) не зависит от коэффициента мощности нагрузки. Поэтому при использовании в тяговом электроприводе АИН работает, как правило, в этом режиме. Однако в начальной стадии пуска асинхронного тягового двигателя целесообразно использовать алгоритм 150-градусного управления. При этом включение тиристоров осуществляется с задержкой 30° после выключения соответствующего тиристора данной фазы.
Прн разложении кривой фазного напряжения, представленной на рис. 5.1, в, в ряд Фурье получаем
(5.1)
где k — 5, 7, 11, 13............ т. е. в фазном напряжении присутствуют только нечетные и некратные трем высшие гармоники.