Принцип построения и управления автономным инвертором

В современных системах электропривода переменного тока практически повсеместно в качестве силовых регуляторов используются транзисторные автономные инверторы. Оконечный каскад трехфазного автономного инвертора содержит шесть транзисторов с обратными диодами. Основные принципы построения, управления и защиты таких схем были изложены выше.

Для управления трёхфазными машинами переменного тока в электроприводе используется схема автономного инвертора (АИН), содержащая шесть транзисторных ключей ТК1-ТК6 (рис. 2.13).

Рисунок 2.13 — Выходной каскад АИН Статорные обмотки машины при питании от такого инвертора включаются либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора (например, ТК1, ТК4) вызывает изменение напряжения на всех обмотках двигателя. Это обстоятельство сильно усложняет анализ электромагнитных процессов.

В настоящее время известно большое число различных способов управления силовыми ключами инвертора. Для сравнительной оценки различных схем и способов управления инвертором целесообразно разделить их на ряд групп, положив в основу деления структуру силовой цепи инвертора и регулируемые параметры результирующего пространственного вектора напряжения и тока на выходе инвертора (табл. 2.1). В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразделяются на два класса: инверторы с постоянной структурой силовой цепи и с переменной структурой силовой цепи.

Таблица 2.1 — Способы управления трехфазным АИН.

В схемах первого класса управляющие сигналы подаются всегда на три силовых ключа, что обусловливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах второго класса число ключей, на которые подаются управляющие сигналы, может быть меньше трёх.

Простейшим способом управления транзисторными ключами ТК1-ТК6 инвертора, обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи, является способ с б = 180° (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 — Алгоритм управления АИН с б = 180°.

Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения (в течение периода повторяемости Т_пвт) включены три транзисторных ключа. Последовательность управления ключами следующая: 123, 234, 345, 456, 561, 612.

Простейшими способами управления транзисторными ключами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы б = 120° и б = 150°. Последовательность управления транзисторными ключами при б = 120° следующая: 12, 23, 34, 45, 56, 61. При б = 150° транзисторные ключи переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234, 34, 345, 45, 456, 56, 561, 61, 612. Общим недостатком этих способов является необходимость применения управляемого выпрямителя для изменения напряжения на выходе инвертора.

Рассмотрение сложных способов управления удобно осуществить, пользуясь понятием результирующего (пространственного) вектора. Пространственные векторы напряжения и тока на выходе инвертора определяются уравнениями.

(2.1).

где, .

Например, при управлении с б = 180 и соединении обмоток машины переменного тока (МПТ) звездой вектор напряжения равен.

(2.2).

где l — номер интервала (целые числа 1, 2, 3, …);

U_n — напряжения питания инвертора.

Из уравнения (2.2) видно, что пространственный вектор статорного напряжения постоянен на интервале и скачкообразно изменяет фазу при переключении с интервала на интервал. При управлении с б = 180° на периоде выходного напряжения АИН укладываются шесть периодов повторяемости Т_пвт, каждому из которых соответствует определённое сочетание включённых полупроводниковых приборов инвертора и положение пространственного вектора .

На рис. 2. 15 представлены изображающие векторы и для общего случая индуктивно-активной нагрузки. Номера в квадратных скобках соответствуют тем транзисторным ключам, на которые поданы отпирающие сигналы. При этом каждому сочетанию соответствуют определённые положения вектора, помеченные цифрами 1−6.

Рисунок 2.15 — Пространственные векторы напряжения и тока на входе АИН Годограф вектора тока при этом представляет собой кривую а-б-в-г-д-е. В круглых скобках помечены транзисторные ключи инвертора, которые проводят ток. Так, при включении ТК6, ТК1, ТК2 вектор займёт положение 1, а вектор начнёт перемещаться из положения, а в положение б. До пересечения годографа вектора с прямой, отстающей на р/6 вектора, т. е. до точки al, ток проводят ключи ТК6, ТК1 и обратный диод D2 (этот диод входит в состав транзисторного ключа ТК2; аналогично все остальные диоды являются составной частью соответствующих транзисторных ключей), а в момент, соответствующий точке а1, ток в фазной обмотке двигателя С изменяет направление, диод D2 запирается и проводящими становятся ключи ТК6, ТК1, ТК2. Длительность отмеченных двух состояний силовой цепи инвертора зависит от постоянной времени нагрузки, при увеличении которой увеличивается длительность состояния (6, 1, D2); при определённом значении на этом интервале ТК2 не включается.

В целях более подробной классификации схем используем следующие величины:

• а) модуль результирующего вектора
• б) средний модуль результирующего вектора

где — относительная длительность состояния, при котором обмотки машины переменного тока присоединены к источнику;

— относительная длительность состояния, при которой обмотки закорочены через анодные или катодные транзисторные ключи;

Т₀ — период напряжения несущей частоты на выходе инвертора. В частном случае, при регулировании на основной частоте период равен периоду повторяемости.

в) фаза результирующего вектора.

(2.3).

г) средняя фаза результирующего вектора.

(2.4).

Понятие «средняя фаза» требует дополнительного разъяснения.

Изменение средней фазы результирующего вектора достигается за счёт многократных переключений двух ключей одной фазы, например ТК3, ТК6, в течение периода повторяемости Т_пвт. При этом результирующий вектор напряжения перемещается между двумя соседними фиксированными положениями. Из этих двух фиксированных положении вектора, отстоящих друг от друга на рад, путём его многократных перемещений из одного положения в другое и обратно на основе принципа геометрического суммирования может быть получено любое промежуточное положение за счёт изменения времени нахождения вектора в одном и в другом положении. Фазовый сдвиг между промежуточным и исходным положением вектора представляет собой среднюю фазу.

С точки зрения поведения результирующего вектора все способы управления инвертором можно разделить на четыре группы (табл. 2.1):

• — регулирование модуля результирующего вектора, к этой группе относятся АИН с регулированием напряжения на входе и тремя рассмотренными способами управления (б = 120°, 150°, 180°);
• — регулирование среднего модуля результирующего вектора, к этой группе относятся схемы с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения на основной и несущей частоте;
• — регулирование модуля и средней фазы результирующего вектора, к этой группе относятся схемы с регулированием напряжения на входе инвертора и специальным управлением, улучшающим гармонический состав выходного напряжения;
• — регулирование среднего модуля и средней фазы результирующего вектора, по существу, это схемы с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному, треугольному и другим законам, позволяющим улучшить гармонический состав выходного напряжения.

В дальнейшем в соответствии с табл. 2.1 все инверторы будим обозначать цифрами, первая из которых будет соответствовать классу, а вторая — группе схемы.

К типу 1−1 [5] относятся АИН с б = 180° и регулирование напряжения на входе. Свойства этих схем достаточно подробно описаны в литературе [5].

К типу 2−1 [5] относятся инверторы с б = 120°, 150° и регулированием напряжения на входе. При этих способах управления в схеме выходного каскада образуются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста, обладающие односторонней проводимостью. Структура выходной цепи такого инвертора будет зависеть от направления тока в этих ветвях. В свою очередь момент изменения тока в той или иной ветви схемы зависит от характера нагрузки. Поэтому форма выходного напряжения при б = 120° также зависит от характера нагрузки. При б = 120° структура силовой цепи остаётся неизменной, если форма напряжения на обмотке двигателя в этом случае аналогична форме с б = 180°, а результирующий вектор напряжения описывается выражением (2.2).

Ко второй группе относятся инверторы с ШИР [5] на основной и несущей частоте. Рассмотрим наиболее простой способ управления при ШИР на основной частоте. Эпюры напряжений на входе ключей ТК1-ТК6 (рис. 2.13) напряжения на выходе АИН представлены на рис. 2.16.

Рисунок 2.16 — Управление АИН при ШИР на основной частоте В течение каждого периода повторяемости Т_ПВТ для подключения нагрузки к источнику питания отпираются три транзисторных ключа (например, ТК1, ТК2, ТК3); для отключения нагрузки от источника один из них запирается. Причём запирается тот ключ, который позволяет отключит всю группу анодных или катодных силовых ключей. Так для отключения нагрузки при отпертых ключа ТК1, ТК2, ТК3, запирается ключ ТК2, а при отпертых ключах ТК2, ТК3, ТК4 — ключ ТК3 и т. д. Такой способ управления назевается алгоритмом одиночного переключения (АОП).

Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе АИН на основной частоте и АОП осуществляется изменением относительной продолжительности включения нагрузки в цепь источника питания. Имеется и другая возможность ШИР на основной частоте, когда в паузе между импульсами запираются два силовых ключа одной группы (алгоритм группового переключения АГП). Здесь при отпертых ТК1, ТК2, ТК3 для создания паузы в напряжении на нагрузке запираются ТК1 и ТК3.

При алгоритме группового переключения создаётся пауза в напряжении на нагрузке, если к моменту запирания двух транзисторных ключей одной группы ток изменит знак. Это имеет место при малых постоянных времени нагрузки. Если значение велико и к рассматриваемому моменту ток знака не изменит, то паузу в выходном напряжении сформировать не удаётся.

Согласно рис. 2.15, нетрудно показать, что регулирование напряжения на выходе АИН, возможно пока мгновенная разность фаз между изображающими векторами. Алгоритм одиночного переключения способен формировать паузу в выходном напряжении инвертора при любых значениях, однако в системах электропривода при переходе асинхронного двигателя в генераторный режим с рекуперацией энергии в источник питания, АГП, ни АОП не формирует паузу в выходном напряжении, поэтому преимущества АОП проявляются лишь в режимах потребления энергии асинхронным двигателем.

Рассмотренные способы управления инвертором не позволяют реализовать постоянную структуру силовой цепи инвертора и относятся к типу 2−2 классификационной таблицы [5]. Следует подчеркнуть, что именно это обстоятельство обусловливает отмеченные выше отрицательные особенности работы инвертора при АОП и АГП.

Если реализовать постоянную структуру в инверторе, то отмеченные особенности исключаются. Для этого необходимы дополнительные переключения транзисторных ключей в каждой фазной группе. Пример такого управления для АОП представлен на рис. 2.16 штриховыми линиями. Здесь при запирании ключа ТК2 отпирается ключ ТК5, при запирании ключа ТК3 — отпирается ТК6 и т. д.

При ШИР на основной частоте гармонический состав выходного напряжения и тока резко ухудшается в области малых напряжений и частот. Для исключения этого нежелательного явления используется широтно-импульсное регулирование на несущей частоте. В этом случае в течение периода частоты повторяемости Т_пвт несколько раз с периодом T₀ происходит включение и отключение одного из силовых ключей (рис. 2.17).

Рисунок 2.17 — Управление АИН при ШИР на несущей частоте При этом обмотки двигателя оказываются подключёнными к источнику питания на интервале гТ₀, а на интервале (1 — г)T₀ они отключены и закорочены. На рис. 2.17 представлен случай, когда Т_пвт = 2T₀. Гармонический состав выходного напряжения при ШИР на несущей частоте улучшается с увеличением кратности:

(2.5).

Однако большие значения k трудно реализовать.

Улучшение гармонического состава выходного напряжения осуществляется при переходе к широтно-импульсной модуляции.

Рассмотрим типичный для ШИМ способ управления АИН. Сущность этого способа поясняется рис. 2.18, где показаны законы управления ключами и выходное напряжение на фазе «А».

Рисунок 2.18 — Управление АИН при ШИМ на несущей частоте В интервале от 0 до 2р/3 на управляющий вход транзисторного ключа (например, ТК1) подаётся постоянный отпирающий сигнал, а в интервале от 2р/3 до р — широтно-модулированный сигнал — 4 импульса, длительность которых линейно убывает. Аналогичные сигналы, но с соответствующим фазовым сдвигом, подаются на входы остальных ключей. При данном способе управления сигналы подаются поочерёдно то на два, то на три транзисторных ключа. Такой алгоритм управления несет в себе возможность изменения структуры силовой цепи, т. е. относится к типу 2−3. Действительно, исследования показали, что неизменность структуры сохраняется пока .

При запирании ключа ТК1 изображающий вектор переходит из положения 2 в положение 3 (рис. 2.15). В течение импульса 1 (рис. 2.15) ключ ТК1 отперт, поэтому t₁ = Т₀. Три четверти периода импульса 2 ключ ТК1 отперт, а четверть периода он заперт.

Поэтому здесь и .

Длительность импульса 3 будет, а четвертого .

При этом средняя фаза изображающего вектора напряжения принимает последовательно значения 0; 14°; 30°; 47°.

Таким образом, изображающий вектор, перемещаясь между положениями 2 и 3 (рис 2.15), занимает некоторые промежуточные положения, отличающиеся друг от друга средней фазой. Чем больше этих промежуточных положений, тем ближе к синусоиде напряжение на выходе инвертора.

Для того, чтобы построить схемы инверторов с неизменной структурой, относящиеся к группе 1−3 (рис. 2.15 и табл. 2.1), необходимо после запирания очередного ключа, отпирать другой ключ той же фазной группы инвертора. Так, при запирании ключа ТК1, следует отпереть ключ ТК4. При этом электромагнитные процессы не будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки.

Схемы инверторов, отнесённые согласно представленной классификации к типу 1−3, отличаются большим разнообразием, но по сути своей сводятся к многократному перемещению результирующего вектора между основными соседними состояниями. Эта особенность осуществляется с помощью оптимального алгоритма управления транзисторными ключами АИН, который заключается в многократном переключении ключей только одной фазы в течение 1/6 периода выходного напряжения инвертора. Действительно, соседние состояния результирующего вектора напряжения (например, 2 и 3 на рис. 2.18) отличаются тем, что во втором состоянии отперт ключ ТК1, а в третьем — ключ ТК4. Поэтому для того, чтобы средняя фаза результирующего вектора могла принимать промежуточные значения между 0 и р/3, необходимо на рассматриваемом интервале переключать только ключи ТК1 и ТК4, на следующем (рис. 2.18) — ключи ТК2, ТК5 и т. д. Для изменения среднего модуля результирующего вектора (формированием паузы в выходном напряжении) следует в состоянии 2 запереть ключ ТК2 и отпереть ключ ТК5; в состоянии 3 запереть ключ ТК3 и отпереть ключ ТК6; в состоянии 4 запереть ключ ТК4 и отпереть ключ ТК1 и т. д. Таким образом, на основании поведения результирующего вектора разрабатывается способ управления транзисторными ключами инвертора, который легко реализуется с помощью цифровой микросхемотехники.

В последнее время в связи со значительными достижениями в технологии изготовления силовых транзисторов, практически повсеместно стали использоваться алгоритмы с синусоидальным ШИМ. Методы широтно-импульсной модуляции напряжения на выходе автономного инвертора реализуются в разомкнутых и замкнутых системах. Разомкнутый способ реализации ШИМ в одной фазе иллюстрирует рис. 2.19.

Рисунок 2.19 — Реализация ШИМ в АИН Генератор пилообразного напряжения (ГПН) генерирует напряжение пилообразной формы высокой частоты. Это напряжение сравнивается с синусоидальным напряжением, частота и величина которого задается входным сигналом. При рассмотренном способе модуляции инвертор представляет собой регулируемый источник напряжения.

При построении замкнутого электропривода переменного тока часто используется замкнутый способ реализации ШИМ. Этот способ иллюстрирует рис. 2.20.

Рисунок 2.20 — Реализация «токового коридора» в АИН Здесь за счет отрицательной обратной связи по току и релейного элемента (РЭ) ток в нагрузке пульсирует около заданного значения. Амплитуда и частота пульсаций определяется параметрами R, L активно-индуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного элемента. Часто такой способ ШИМ называют «токовым коридором». При реализации «токового коридора» инвертор представляет собой источник тока, а управление электрической машиной в этом случае относится к частотно-токовому.

Устройства управления инвертором должны реализовать способ, который обеспечил бы удовлетворение двух основных требований, предъявляемых к системе преобразователь — машина переменного тока:

• а) минимальные потери в двигателе и минимальные пульсации момента, обусловленные воздействием полей первой и высших гармоник;
• б) минимальные потери в элементах преобразователя.

Эти требования противоречивы, так как для улучшения работы двигателя следует повышать несущую частоту, а для уменьшения потерь в преобразователе — уменьшать, кроме того, двусторонняя энергетическая связь требует добавочных переключений в преобразователе. Компромисс в удовлетворении отмеченных требований находится на основании анализа электромагнитных процессов.