Преобразователи постоянно-переменного тока

Применение на электрическом транспорте электродвигателей переменного тока при электроснабжении на постоянном токе обусловило необходимость преобразования постоянного тока в трехфазный переменный, причем регулируемой частоты. Преобразователи такого типа получили название инверторов. В настоящее время применяются инверторы двух типов: инверторы тока и инверторы напряжения. Преобразование осуществляется при помощи ключей, в качестве которых используются тиристоры и транзисторы. Чтобы пояснить принцип работы инверторов, используем схему цепей преобразователя, показанную на рис. 4.8. Входные цепи преобразователя, состоящего из 6 ключей, присоединены к источнику постоянного напряжения. Выходные цепи образуют выводы (фазы) я, b, и с, присоединенные к общим точкам ключей К1-К2, КЗ-К4 и К5-К6. При замыкании ключей с нечетными номерами на соответствующие фазы подается положительный потенциал источника питания, а при замыкании ключей с четными номерами — отрицательный.

Длительность проводящего состояния ключей в течение периода регулирования может изменяться от 120° эл. до 180° эл.

Рассмотрим принцип работы преобразователя при 120° схеме управления. В интервале времени от нуля до 776 в проводящем состоянии находятся ключи К1 и К4. При этом ток нагрузки протекает по цепи «+» источника — К1 фаза «нагрузка фаза b — ключ К4 — «-» источника питания.

В момент времени 776 размыкается ключ К4 и замыкается ключ Кб. В интервале 776 — 773 ток нагрузки протекает по цепи «+» источника — К1 фаза «-нагрузка фаза с-ключ К6-«-» источника питания. В момент времени 773 размыкается ключ К1 и замыкается ключ КЗ. В интервале 773 — 772 ток нагрузки протекает по цепи «+» источника-КЗ-фаза b — нагрузка-фаза с-ключ К6-«-» источника питания. При этом направление тока в фазе b — обратное по отношению к периоду времени 0−776.

В момент времени 772 размыкается ключ Кб и замыкается ключ К2. В интервале 772 — 2773 ток нагрузки протекает по цепи «+» источникаКЗ-фаза />-нагрузка — фаза «- ключ К2-«-» источника питания. При этом направление тока в фазе а — обратное по отношению к периоду времени 0−773. В момент времени 2773 размыкается ключ КЗ и замыкается ключ К5. В интервале 2773 — 5776 ток нагрузки протекает по цепи «+» источника — К5-фаза с-нагрузка-фаза «- ключ К2-«-» источника питания. При этом направление тока в фазе с — обратное по отношению к периоду времени 776 — 772. В момент времени 5776 размыкается ключ К2 и замыкается ключ К4. В интервале 5776 — Тток нагрузки протекает по цепи «+» источника — К5-фаза с-нагрузка-фаза b — ключ К4-«-» источника питания. При этом направление тока в фазе b — обратное по отношению к периоду времени 773 — 2773.

В момент времени Т размыкается ключ К5 и замыкается ключ К1. При этом направление тока в фазе «изменяется на исходное. Далее процессы в схеме повторяются.

При 180° схеме управления период проводящего состояния ключей увеличивается до половины периода регулирования, что проиллюстрировано на рис. 4.8 пунктирной линией.

Применение ключей для формирования трехфазного питающего напряжения приводит к тому, что его форма существенно отличается от синусоидальной, на которую рассчитаны ТЭД.

На рис. 4.9 показаны диаграммы потенциалов двух фаз, а также линейное напряжение между ними при различных длительностях проводящего состояния ключей инвертора. Рассмотрим методику построения диаграмм для случая подключения к выходу инвертора ТЭД, обмотки статора которого соединены в «звезду», а схема управления — 120°.

Рис. 4.8. Схема и диаграммы инвертора.

Рис. 4.9. Диаграммы при различных схемах управления.

В интервале времени 0 — 776 фаза а подключена к «+» источника питания, а фаза b — к «-». При этом приложенное к фазе а напряжение (см. рис. 4.9) равно половине напряжения источника питания. К фазе b приложено напряжение, также равное половине напряжения источника питания. Разность потенциалов ср_а и <�р_Л дает линейное напряжение, равное напряжению источника питания.

u — = (Jab = Uj.

В интервале времени 776 — 773 потенциал фазы а сохраняет свой знак, а приложенное к фазе напряжение — величину U_a = (JJ2. Фаза b отсоединена от источника питания, потенциал сс равен 0, и напряжение к ней не приложено. Разность потенциалов ср_Л — ср/, = UJ2.

В интервале времени 773 — 772 потенциал фазы а равен 0, фаза b присоединена к «+» источника питания, приложенное к ней напряжение равно половине напряжения источника низания, а разность потенциалов ф₀ — <�р* = -UJ2.

В интервале времени 772 -2773 потенциал фазы а отрицателен, а приложенное к фазе напряжение имеет величину U_a = ~(JJ2, фаза b присоединена к «+» источника питания, приложенное к ней напряжение равно половине напряжения источника питания, а разность потенциалов ф₀ — ф* = ~U]d-

В интервале времени 2773 -5776 потенциал фазы а отрицателен, а приложенное к фазе напряжение равно U_a = -UJ2. Фаза b отсоединена от источника питания, приложенное к ней напряжение равно нулю, а разность потенциалов ф" - ф/, = -UJ2.

В интервале времени 5776 — Т потенциалы фаз а и b отрицательны и разность потенциалов ф_Л — ф/, = 0.

Аналогично строятся кривые для 150° и 180° схем управления при соединении обмоток статора ТЭД в «звезду» и «треугольник».

Как известно, функция, заданная ступенчатой кривой, может быть разложена в ряд Фурье. Разложение позволяет выявить гармонический состав питающего напряжения, в котором в данном случае присутствуют нечетные гармоники. На рис. 4.9 для всех схем управления приведены кривые первой гармоники, амплитуда которой равна величине питающего напряжения. Поскольку амплитуды последующих гармоник обратно пропорциональны квадрату их порядкового номера, практический интерес вызывают гармоники с порядковым номером не более чем 5 или 7. Чем меньше разность мгновенных значений ступенчатой кривой реальною напряжения и синусоиды первой гармоники, тем меньше амплитуды последующих гармоник.

Из сопоставления кривых питающего напряжения с различными временными интервалами проводящего состояния ключей видно, что наиболее приемлема кривая со 150° схемой управления.