Трифазний дворівневий автономний інвертор напруги
Перетворення постійної напруги в трифазне змінну напругу може здійснюватися за допомогою інвертора, виконаного на транзисторних модулях IGBT або на приладах IGCT. Одним з найбільш простих перетворювачів цього типу є автономний інвертор напруги (АІН), схема якого представлена на рис 1.1.
Рис. 1.1 Схема з автономним інвертором напруги
Харчування інвертора здійснюється від джерела постійної напруги uk. На вході інвертора використовується згладжує дросель з індуктивністю Id і струмом id. У ланцюзі випрямленої напруги інвертора є конденсатор з ємністю с і струмом ic. Трифазний мостовий інвертор містить шість транзисторів, кожний з яких зашунтірован зворотним діодом. Транзистори підключені до позитивного і негативного полюсів конденсатора, а також до фаз навантаження. Трифазна навантаження представлена індуктивностями 1н і активними опорами гн. Вона має фазні напруги un і струми in. (П = 1, 2, 3).
При аналізі даної схеми та інших розглянутих у книзі схем передбачається, що вентилі (транзистори і діоди) є ідеальними ключами. У відкритому стані вони замикають накоротко ділянки електричних ланцюгів, в закритому стані розривають їх.
Інше припущення – кожні два транзистора, підключені до однієї фазі навантаження, працюють в протифазі, якщо один транзистор відкритий, другий закритий і навпаки. Відсутні ситуації, в яких обидва транзистора однієї фази закриті або обидва відкриті. При цьому стану транзисторів описуються функціями km (П = 1, 2, 3). Функції km приймають значення 1, якщо відкритий транзистор або зворотний діод, підключають фазу до позитивного полюса конденсатора, і значення 0, якщо відкритий транзистор або зворотний діод, підключають фазу до негативного полюсу. В цьому випадку всі вентилі, підключені до однієї фазі навантаження, описуються однією функцією.
У схемі рис. 1.1 за допомогою транзисторів і зворотних діодів фази навантаження підключаються або до позитивного або до негативного полюса конденсатора або замикаються накоротко. За рахунок зміни співвідношення длительностей замикання навантаження накоротко і підключення її до полюсів конденсатора змінюються напруги на виході інвертора. Перетворювач в цьому випадку працює в режимі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).
При перемиканні транзисторів змінюється структура схеми та електричні контури, в яких протікають струми. Характерні стану схеми зображені на рис. 1.2.
Рис. 1.2 Стани схеми з інвертором напруги при перемиканні транзисторів
Як зображено на рис. 1.2, в стані схеми 1) в 1 фазі інвертора відкритий верхній транзистор, в 2 і в 3 фазах відкриті нижні транзистори. Токи в инвертор протікають через відкриті транзистори відповідно до напрямків струмів у фазах. Закриті транзистори і діоди відкинуті, оскільки струмів в них немає.
Якщо верхній транзистор 1 фази закривається, а нижній транзистор цієї фази відкривається, то відповідно до знаками струмів навантаження відкривається зворотний діод нижнього транзистора
1 фази. При цьому схема переходить в стан 2). Гілки схеми, в яких струми відсутні, також відкинуті. У стані схеми 2) ланцюг джерела живлення і згладжує дроселя замкнута на конденсатор. Фази навантаження замкнуті накоротко через вентилі інвертора. Електричний зв’язок джерела живлення і навантаження відсутня.
Якщо в стані схеми 2) в 2 фазі закривається нижній транзистор і, відповідно, відкривається верхній транзистор, то схема переходить в стан 3), в якому зв’язок джерела живлення і навантаження відновлюється.
Схема переходить в стан 4), коли в 1 фазі закривається нижній транзистор, а верхній транзистор відкривається.
Зі стану 4) схема може перейти в стан 5), якщо відкриється верхній транзистор в
3 фазі.
Зі стану 5) у стан 6) схема може перейти, якщо в 1 фазі закриється верхній транзистор, а нижній відкриється.
Зазначені переходи схеми з одних станів в інші визначаються системою управління та знаками струмів в індуктивностях.
Як видно з рис. 1.2, при прийнятих допущеннях струм фази навантаження протікає завжди через те плече моста, в якому знаходиться відкритий транзистор (при ідеальних ключових елементах).
У схемі рис. 1.1 для формування вихідних напруг інвертора використовується два рівні напруги – 0 (при короткому замиканні фаз навантаження) і напруга конденсатора. За цією ознакою, за аналогією з багаторівневими системами [40], [49], що розглядається перетворювач можна називати дворівневим.
При математичному описі й моделюванні дворівневого автономного інвертора напруги використовується більш детальна схема заміщення, яка представлена на рис. 1.3.
Рис. 1.3 Схема перетворення з дворівневим АІН
У схемі рис. 1.3, крім зазначених вище параметрів, у вхідному дроселі враховано активний опір rd, В конденсаторі враховано активний опір гз. Паралельно конденсатору включена ланцюг захисту від перенапруг з активним опором rz і струмом iz. Стан транзистора в ланцюзі захисту від перенапруг описується функцією kz (kz= 0, якщо транзистор закритий, kz= L, якщо транзистор відкритий). У инвертор враховується вхідний (випрямлений) струм idl, А також струми в плечах моста im (П = 1, 2, … 6).
При математичному моделюванні розглянутої схеми на кожному кроці розрахунку At визначається напруга на ємності із і гілка з конденсатором замінюється залежним джерелом напруги ігс Г21:
Далі, відповідно до іншим відомим методом електротехніки [1], залежний джерело напруги ігс переноситься в інші гілки схеми, з’єднані один з одним у позитивними
ном полюсі ланцюга випрямленої напруги, – в гілку джерела живлення, в ланцюг захисту від перенапруг і в ланцюг випрямленого струму інвертора. З ланцюга випрямленого струму інвертора це джерело переноситься далі в плечі транзисторного моста, підключені до позитивного полюса. У результаті виділяються підсхеми, зображені на рис. 1.4, які мають взаємні зв’язки через залежні джерела напруги Urc і струму ic.
Рис. 1.4 Поділ схеми з трифазним дворівневим транзисторним інвертором
на взаємопов’язані підсхеми
Підсхеми рис. 1.4 та їх взаємні зв’язки описуються наступними рівняннями.
Фазні ЕРС інвертора:
Рис. 1.8 Напруги і струми трифазного дворівневого АІН при роботі в режимі перемодуляціі
З таблиці 1.1 видно характерна особливість аналізованого процесу – частота найбільших вищих гармонійних складових випрямленого струму і струму конденсатора 4000 Гц, тобто дорівнює подвоєній частоті пилоподібного напруги. У напружених навантаження з частотою основних складових 50 Гц вищі гармонійні складові найбільш значні на частотах 4000-50 = 3950 Гц і 4000 +50 = 4050 Гц.
З представлених розрахунків видно, що для систем з дворівневими АІН характерні значні пульсації напруги на стороні трифазної навантаження. Ці пульсації існують на підвищеній частоті, яка визначається частотою пилоподібного напруги.
При роботі інверторів з перемодуляція вихідні напруги мають трапецеїдальної форми, і в них присутні вищі гармонійні складові, частота яких кратна основній частоті.
Інша характерна особливість систем з дворівневими АІН полягає в тому, що максимальна напруга на стороні змінного струму обмежена. В режимі синусоїдальної ШІМ напруга навантаження обмежується відповідно до відомою формулою [25]:
Uф ” = 0,35£/т , (1.17)
де Urc – Середнє значення випрямленої напруги.
В режимі фазною комутації напруга навантаження обмежується згідно з іншою відомою формулою [25]:
іфн= 0,45 ігс. (1.18)
Необхідно також зазначити, що системи з дворівневими АІН виготовляються на порівняно низьку напругу, яка визначається номінальною напругою використовуваних транзисторних модулів.
Пронін М.В., Воронцов А.Г., Силові повністю керовані напівпровідникові перетворювачі (моделювання і розрахунок) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Електросила», 2003. – 172 с.
Ваш відгук