Инверторы тока с ШИМ-управлением

До освоения промышленностью полностью управляемых силовых электронных ключей импульсная модуляция в инверторах тока практически не применялась. Причиной этого являлась сложность технической реализации импульсной модуляции источников тока средствами принудительной коммутации традиционных тиристоров. В то же время использование полностью управляемых ключей (транзисторов, запираемых тиристоров и др.) позволяет так же успешно осуществлять импульсную модуляцию в инверторах тока, как и в инверторах напряжения. Возможность использования практически идентичных методов модуляции в схемах инверторов тока и напряжения обусловлено дуальностью этих схем. Следствием указанной дуальности является идентичность процессов изменения выходного тока в инверторах тока и выходного напряжения в инверторах напряжения при импульсной модуляции.

Существенное различие в алгоритмах, реализующих импульсную модуляцию в схемах инвертора напряжения и инвертора тока, заключается в организации нулевых пауз в выходном напряжении или токе. Например, интервалы нулевого напряжения в однофазном мостовом инверторе напряжении (см. табл. 5.1) формируются переводом в проводящее состояние верхних (51, 53) или нижних ключей схемы (54, 52) и запиранием ключей 54,52 или 51, 53 соответственно (см. рис. 5.5). При этом нагрузка шунтируется и отключается от источника напряжения U_d на стороне постоянного тока. Такая коммутация ключей недопустима в инверторе тока, так как в его схеме на стороне постоянного тока включен дроссель L_d с током I_d, поступающим в нагрузку, и разрыв этой цени приводит к недопустимым перенапряжениям. На рис. 5.8, а представлена однофазная мостовая схема инвертора тока, выполненная на ключах однонаправленной проводимости (например, запираемых тиристорах), или дополненных последовательными диодами, защищающими транзисторы от воздействия обратных напряжений. Эквивалентная схема для установившегося режима работы инвертора приведена на рис. 5.8, б, где источник напряжения U_d и дроссель L_d представлены источником I_dy а вентильная часть — источником с противо-ЭДС {/_пэ. Из рис. 5.8, а видно, что интервал времени с нулевой величиной тока в цепи нагрузки может быть создан одновременным включением ключей 51, 54 или 53,52. При этом через них протекает ток I_d, а напряжение U_n3 становит;

Рис. 5.8. Однофазный инвертор тока:

а — мостовая схема; б — эквивалентная схема ся равным нулю, т. е. источник тока I_d шунтируется проводящими ключами. Поскольку в цепях нагрузки могут содержаться индуктивности, то для поглощения их энергии в схеме необходимо предусматривать включение конденсаторов. Таким образом, в токе нагрузки возможно организовать по определенному алгоритму интервалы со значениями 0, +I_d> -I_d. Применяя различные методы синусоидальной модуляции тока, аналогичные рассмотренным для инверторов напряжения, можно обеспечить синусоидальность переменного тока в инверторах тока. Для снижения высших гармоник в спектральном составе тока, обусловленных модуляцией, также используются «легкие» выходные LC-фильтры, но с подключением конденсаторов на стороне переменного тока инверторного моста. На рис. 5.9 показана форма выходного тока в однофазном инверторе тока при синусоидальной ШИМ.

Однофазные инверторы тока широкого практического применения не получили. Однако трехфазные инверторы тока, схема которых приведена на рис. 5.10, успешно используются в электроприводах средней и большой мощности. Поэтому обеспечение синусоидальности напряжения на их выходе является актуальной задачей, которая может решаться методами синусоидальной ШИМ, принцип реализации которых рассмотрен на примере.

Рис. 5.9. Форма тока на выходе инвертора тока при синусоидальной ШИМ

однофазной мостовой схемы. В табл. 5.3 приведены состояния ключей и значения токов фаз в схеме трехфазного инвертора тока, которые используются при синусоидальной модуляции выходных токов. В отличие от инвертора напряжения, в трехфазном инверторе тока могут иметь место три состояния (VII, VIII, IX), в которых фазные токи равны нулю. Это отличие вытекает из принципа формирования интервалов тока с нулевыми значениями каждым из трех плеч инверторного моста.

Другим существенными отличием инвертора тока от инвертора напряжения является то, что в инверторе тока величина выходного напряжения непосредственно зависит от нагрузки. Для ее регулирования можно использовать разные способы, включая изменение коэффициента модуляции М. Для этого необходимо учитывать следующие зависимости первой гармоники фазного тока от коэффициента модуляции:

• для 0 < М < 1.

• для М > 1.

Таблица 53.

Состояния ключей (0 — выключенное, 1 — включенное) и значения токов в схеме трехфазного инвертора тока.

Из неравенства (5.9) видно, что в соответствии с дуальностью схем инверторов тока и напряжения первая гармоника тока в инверторе тока имеет такую же зависимость от коэффициента М, как и первая гармоника линейного напряжения в инверторе напряжения.

Следует отметить, что формирование интервалов с нулевыми значениями токов можно эффективно использовать также для селективного подавления отдельных гармоник в спектре выходного тока, подобно тому, как это делается в инверторах напряжения.

Рис. 5.10. Мостовая схема трехфазного инвертора тока