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 u_k. На вході інвертора використовується згладжує дросель з індуктивністю Id і струмом id. У ланцюзі випрямленої напруги інвертора є конденсатор з ємністю с і струмом i_c. 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 1_н і активними опорами г_н. Вона має фазні напруги u_n і струми i_n. (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 k_m (П = 1, 2, 3). Функції k_m 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 r_d, В конденсаторі враховано активний опір г_з. Паралельно конденсатору включена ланцюг захисту від перенапруг з активним опором r_z і струмом i_z. Стан транзистора в ланцюзі захисту від перенапруг описується функцією k_z (k_z= 0, якщо транзистор закритий, k_z= L, якщо транзистор відкритий). У инвертор враховується вхідний (випрямлений) струм i_dl, А також струми в плечах моста i_m (П = 1, 2, … 6).

При математичному моделюванні розглянутої схеми на кожному кроці розрахунку At визначається напруга на ємності і_з і гілка з конденсатором замінюється залежним джерелом напруги і_гс Г21:

Далі, відповідно до іншим відомим методом електротехніки [1], залежний джерело напруги і_гс 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 U_rc і струму i_c.

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 U_rc – Середнє значення випрямленої напруги.

В режимі фазною комутації напруга навантаження обмежується згідно з іншою відомою формулою [25]:

і_фн= 0,45 і_гс.                                                                                                                                                              (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.