Трехфазный двухуровневый автономный инвертор напряжения

May 24, 2012 by admin Комментировать »

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение может осуществляться с помощью инвертора, выполненного на транзисторных модулях IGBT или на приборах IGCT. Одним из наиболее простых преобразователей этого типа является автономный инвертор напряжения (АИН), схема которого представлена на рис 1.1.

Рис. 1.1 Схема с автономным инвертором напряжения

Питание инвертора осуществляется от источника постоянного напряжения uk. На входе инвертора используется сглаживающий дроссель с индуктивностью Id и током id. В цепи выпрям­ленного напряжения инвертора имеется конденсатор с емкостью с и током ic. Трехфазный мосто­вой инвертор содержит шесть транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом. Транзисторы подключены к положительному и отрицательному полюсам конденсатора, а также к фазам нагрузки. Трехфазная нагрузка представлена индуктивностями 1н и активными сопротивле­ниями гн. Она имеет фазные напряжения un и токи in. (п=1, 2, 3).

При анализе данной схемы и других рассматриваемых в книге схем предполагается, что вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами. В открытом состоянии они замы­кают накоротко участки электрических цепей, в закрытом состоянии разрывают их.

Другое допущение – каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, рабо­тают в противофазе, если один транзистор открыт, другой закрыт и наоборот. Отсутствуют ситуа­ции, в которых оба транзистора одной фазы закрыты или оба открыты. При этом состояния тран­зисторов описываются функциями km (п=1, 2, 3). Функции km принимают значение 1, если открыт транзистор или обратный диод, подключающие фазу к положительному полюсу конденсатора, и значение 0, если открыт транзистор или обратный диод, подключающие фазу к отрицательному полюсу. В этом случае все вентили, подключенные к одной фазе нагрузки, описываются одной функцией.

В схеме рис. 1.1 с помощью транзисторов и обратных диодов фазы нагрузки подключают­ся или к положительному или к отрицательному полюсу конденсатора или замыкаются накоротко. За счет изменения соотношения длительностей замыкания нагрузки накоротко и подключения ее к полюсам конденсатора изменяются напряжения на выходе инвертора. Преобразователь в этом случае работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При переключении транзисторов изменяется структура схемы и электрические контуры, в которых протекают токи. Характерные состояния схемы изображены на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Состояния схемы с инвертором напряжения при переключении транзисторов

Как изображено на рис. 1.2, в состоянии схемы 1) в 1 фазе инвертора открыт верхний тран­зистор, во 2 и в 3 фазах открыты нижние транзисторы. Токи в инверторе протекают через откры­тые транзисторы в соответствии с направлениями токов в фазах. Закрытые транзисторы и диоды отброшены, поскольку токов в них нет.

Если верхний транзистор 1 фазы закрывается, а нижний транзистор этой фазы открывает­ся, то в соответствии со знаками токов нагрузки открывается обратный диод нижнего транзистора

1    фазы. При этом схема переходит в состояние 2). Ветви схемы, в которых токи отсутствуют, так­же отброшены. В состоянии схемы 2) цепь источника питания и сглаживающего дросселя замкну­та на конденсатор. Фазы нагрузки замкнуты накоротко через вентили инвертора. Электрическая связь источника питания и нагрузки отсутствует.

Если в состоянии схемы 2) во 2 фазе закрывается нижний транзистор и, соответственно, открывается верхний транзистор, то схема переходит в состояние 3), в котором связь источника питания и нагрузки восстанавливается.

Схема переходит в состояние 4), когда в 1 фазе закрывается нижний транзистор, а верхний транзистор открывается.

Из состояния 4) схема может перейти в состояние 5), если откроется верхний транзистор в

3 фазе.

Из состояния 5) в состояние 6) схема может перейти, если в 1 фазе закроется верхний тран­зистор, а нижний откроется.

Указанные переходы схемы из одних состояний в другие определяются системой управле­ния и знаками токов в индуктивностях.

Как видно из рис. 1.2, при принятых допущениях ток фазы нагрузки протекает всегда через то плечо моста, в котором находится открытый транзистор (при идеальных ключевых элементах).

В схеме рис. 1.1 для формирования выходных напряжений инвертора используется два уровня напряжения – 0 (при коротком замыкании фаз нагрузки) и напряжение конденсатора. По этому признаку, по аналогии с многоуровневыми системами [40], [49], рассматриваемый преобра­зователь можно называть двухуровневым.

При математическом описании и моделировании двухуровневого автономного инвертора напряжения используется более подробная схема замещения, которая представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема преобразования с двухуровневым АИН

В схеме рис. 1.3, кроме указанных выше параметров, во входном дросселе учтено активное сопротивление rd, в конденсаторе учтено активное сопротивление гс. Параллельно конденсатору включена цепь защиты от перенапряжений с активным сопротивлением rz и током iz. Состояние транзистора в цепи защиты от перенапряжений описывается функцией kz (kz=0, если транзистор закрыт, kz=l, если транзистор открыт). В инверторе учитывается входной (выпрямленный) ток idl, а также токи в плечах моста im (п=1, 2,… 6).

При математическом моделировании рассматриваемой схемы на каждом шаге расчета At определяется напряжение на емкости ис и ветвь с конденсатором заменяется зависимым источни­ком напряжения игс Г21:

Далее, в соответствии с другим известным методом электротехники [1], зависимый источ­ник напряжения игс переносится в другие ветви схемы, соединенные друг с другом в положитель-

ном полюсе цепи выпрямленного напряжения, – в ветвь источника питания, в цепь защиты от пе­ренапряжений и в цепь выпрямленного тока инвертора. Из цепи выпрямленного тока инвертора этот источник переносится далее в плечи транзисторного моста, подключенные к положительному полюсу. В результате выделяются подсхемы, изображенные на рис. 1.4, которые имеют взаимные связи через зависимые источники напряжения Urc и тока ic.

Рис. 1.4 Разделение схемы с трехфазным двухуровневым транзисторным инвертором

на взаимосвязанные подсхемы

Подсхемы рис. 1.4 и их взаимные связи описываются следующими уравнениями.

Фазные ЭДС инвертора:

Рис. 1.8 Напряжения и токи трехфазного двухуровневого АИН при работе в режиме перемодуляции

Из таблицы 1.1 видна характерная особенность рассматриваемого процесса – частота наи­больших высших гармонических составляющих выпрямленного тока и тока конденсатора 4000 Гц, то есть равна удвоенной частоте пилообразного напряжения. В напряжениях нагрузки с частотой основных составляющих 50 Гц высшие гармонические составляющие наиболее значительны на частотах 4000-50=3950 Гц и 4000+50=4050 Гц.

Из представленных расчетов видно, что для систем с двухуровневыми АИН характерны значительные пульсации напряжения на стороне трехфазной нагрузки. Эти пульсации существуют на повышенной частоте, определяемой частотой пилообразного напряжения.

При работе инверторов с перемодуляцией выходные напряжения имеют трапецеидальную форму, и в них присутствуют высшие гармонические составляющие, частота которых кратна ос­новной частоте.

Другая характерная особенность систем с двухуровневыми АИН заключается в том, что максимальное напряжение на стороне переменного тока ограничено. В режиме синусоидальной ШИМ напряжение нагрузки ограничивается в соответствии с известной формулой [25]:

UФ„ = 0,35£/т ,                                                                                                                                                         (1.17)

где Urc – среднее значение выпрямленного напряжения.

В режиме фазной коммутации напряжение нагрузки ограничивается в соответствии с дру­гой известной формулой [25]:

ифн=0,45игс.                                                                                                                                                              (1.18)

Необходимо также отметить, что системы с двухуровневыми АИН изготавливаются на сравнительно низкое напряжение, которое определяется номинальным напряжением используе­мых транзисторных модулей.

Пронин М.В., Воронцов А.Г., Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. – 172 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты