Инвертор с частотно-импульсной модуляцией выходного напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

1975

Том 192

ИНВЕРТОР С ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Б. П. СОУСТИН, С. И. КОРОЛЕВ, А. Н. БАРКОВСКИИ

(Представлена научно-техническим семинаром кафедры электрооборудования)

Наиболее узким местом на современном этапе развития частотно-управляемого привода переменного тока является инвертор. Причем в самом инверторе необходимо решить задачу регулирования выходного напряжения, надежной коммутации вентилей, генерирования реактивной мощности. Два последних вопроса решаются введением в схему конденсаторов и дополнительным усложнением схемы инвертора. Несмотря на актуальность этих вопросов, они в статье не рассматриваются, хотя и ждут своих исследователей.

Обычно для получения регулируемой частоты и напряжения используют схемы трансвертора, где в качестве регулятора напряжения используется управляемый „выпрямитель. Имеются схемы, в которых источник постоянного тока неуправляем, а регулирование выходного напряжения осуществляется управлением относительной продолжительности включения очередного тиристора [ 1]. Однако количество управляемых вентилей здесь не меньше, чем в трансверторе. Схема [2] имеет лишь 8 тиристоров для получения трехфазного управляемого напряжения, однако она требует дополнительного источника постоянного напряжения для коммутации вентилей. Кроме того, в обеих схемах время, предоставляемое для восстановления управляющих свойств тиристорам, изменяется в функции тока нагрузки.

В предлагаемой схеме инвертора с питанием от нерегулируемого источника постоянного тока управление выходным напряжением осуществляется широтно-импульсным методом. Инвертор такого типа иногда называют импульсным, он обладает практической безынерцион-ностью по частоте и напряжению, надежно коммутирует ток при любых допустимых нагрузках. Отличительная особенность схемы рис. 1, а — наличие прерывателя, который в определенные промежутки времени замыкает и размыкает цепь постоянного тока. Частота срабатывания прерывателя превышает в несколько раз выходную частоту инвертора и может быть как независимой, так и жестко с ней связанной.

Регулирование выходного напряжения в этой схеме осуществляется либо широтным, либо широтно-импульсным методом, который в дальнейшем будет называться частотно-импульсным, так как кроме изменения амплитуды выходного напряжения изменяется и частота. При широтном способе изменения выходного напряжения и связанном регулировании частота прерывателя превышает частоту выходного напря-

жения для мостового трехфазного инвертора в 6 раз, при частотно-импульсном регулировании — в 6 п раз где п — число включений пре-

2т

рывателя за _ периода выходного напряжения. Особый интерес представляет последний способ регулирования, так как кроме прочих преимуществ при активно-индуктивной нагрузке введением специальных устройств или обратных связей возможно получить форму тока нагрузки, близкой к заданной, в частности, синусоидальной.

При исследовании схемы считается, что сопротивление тиристора в открытом состоянии равно пулю и в закрытом — бесконечности, коммутация тока происходит мгновенно, сопротивление источника питания равно пулю. Для прерывателя берется схема также на тиристорах [3] рис. 1, б. Схема исследуется лишь в течение 7/6 периода, так как в течение каждого другого Т/6 картина повторяется, но для других фаз нагрузки. Этот интервал времени разбивается на 4 отрезка: t\, открыты вентили I, 1, 2 и диод Д1, конденсатор Ск, который был заряжен до напряжения Un и с полярностью, указанной на рис. 1, перезаряжается через индуктивность L и диод Д1, время t\", в течение которого через тиристоры I, 1 и 2 протекает ток, определяемый параметрами источника питания и нагрузки; время /2, когда открывается тиристор II, и конденсатор С\; перезаряжается через нагрузку,, закрывая все тиристоры, и время паузы fi течение которой в силовых элементах инвертора отсутствуют токи. При активной нагрузке решаются несложные дифференциальные уравнения для момента времени м-Значения напряжения и токов в элементах схемы:

h (0 — íl (0 -- ип Ш0 с sin 0)0

А

un(t) - un,

где ш0 = _; r = 2rlb.

Vlc ф

Обязательным условием для следующего отрезка времени является tí — ti-\- ti ;> — = ~Ylc.

шо

В случае необходимости для удовлетворения этого неравенства можно увеличить частоту соо, однако это приведет к увеличению амплитуды зарядного тока согласно [1]. Увеличение частоты кроме того ограничивается длительностью импульса тока управления тиристора 1.

17

/\ з\ s

i |¡ г

м

ПГ"pzp

LJ

U

.-J

4* a)

r

►K-

"—r~wf-г

Рис.

Для

цп = к(1) = О,

иещ = - иа,

= О, (2)

i

н /?'

и„ = и п.

Для следующего отрезка времени считается, что тиристор 1 закрылся мгновенно, тогда напряжение будет иметь вид

- <

(3)

и

Для определения параметров С и I необходимо знать время восстановления управляющих свойств тиристора Иь. Задавшись временем, предоставляемым для восстановления управляющих свойств ¿0>(2-3) /в >из [3] при ис (0=0 и / = /0 находятся

с =

I =

/?1п2'

/? 1п 2

(4)

1,2«)2 шах ¿0

Амплитудные значения токов: а) через тиристор 1

1пЧ= ^(1 +сой/?С),

в) через остальные тиристоры и нагрузку

2£/„

/ тП — / ш! —:

(5)

(6)

Средние значения токов

/сР1 = !^п1Л + 2ЯС),

* н

ср И

ср!

6£/пС т

2ип

-ь

енс

(7)

-Л

Г/?

/ср О, =

1267п С т

При работе на активно-индуктивную нагрузку процессы в прерывателе остаются неизменными, однако в этом случае выражение тока нагрузки имеет вид при I ~ 1Х

(8)

где

т

> /-Ф1 + /-Фа ' "

Если индуктивность нагрузки такова,, что в течение времени 12 можно считать ток перезаряда конденсатора постоянным, то напряжение на конденсаторе изменяется линейно и будет иметь следующий вид:

(9)

Учитывая выражение [3],

с = г

2 иа

О'

так как считается, что конденсатор был заряжен до £/и. Поскольку прерыватель закрылся мгновенно, то есть то энергия, запасен-

ная в индуктивностях нагрузки, должна поступать в какую-то цепь помимо прерывателя. На рис. 1 реактивная энергия нагрузки передается в дополнительный источник 1/а. При наличии только одного источника постоянного тока необходимо включение развязывающих индуктив-ностей, как в обычных инверторах.

При частотно-импульсном регулировании напряжения выбор несущей частоты играет большую роль, так как при питании асинхронного двигателя потери в нем, вызванные наличием высших гармоник, и потери коммутации увеличиваются. В [4] рекомендуется выбирать из

шш

иа

там

я

Рис. 2

условия равенства 1, 5, 7 гармоник при непрерывном и частотно-импульсном регулировании; считается, что это условие выполняется при

г

> 12.

Если любую серию импульсов с одинаковой длительностью рис. 2, а разложить в ряд Фурье, то напряжение на выходе

1

(10)

где

4 иа V

Б1П П<*>0сгя БШ П<й

ъП т = \ 2

Здесь п—номер гармоники, т — номер импульса, тт —ширина т-то импульса, <хт — угловая координата очередного импульса.

106

При связанном регулировании и изменении / пропорциона-

/

льно изменяется /0, так что — =сопэ1 и содержание высших гар-

/о

моник остается неизменными. При К = уаг результирующая форма кривой может содержать пульсирующие гармоники и постоянную составляющую. Этот факт отдает предпочтение связанному регулированию. Кроме того, при связанном регулировании, изменяя определенным образом -с в функции а, возможно подавление высших гармоник.

Так, если т-й импульс будет иметь относительную длительность,, пропорциональную интегралу синусоиды (рис. 2, б), то есть

то в выходном напряжении исследуемого инвертора будут гармоники порядка (I к + 1), где I—целое число. Потери в двигателе, питающемся от инвертора с ШИМУ с такой системой управления практически не отличаются от потерь при питании от источника с выходным синусоидальным напряжением. Этот метод уменьшения высших гармоник без специальных схем подавления дает значительный эффект даже при однофазном выходе и весьма перспективен при создании частотно-управляемого привода.

1. Кремниевые управляемые вентили-тиристоры. Техническим справочник. Под общей редакцией В. А. Лабунцова и А. Ф. Свиридова. М.—Л., «Энергия»,

:2. М а р h а ш N. W. The Classification of SCR inverter circuits. «IEEE Internat, Convent. Ree-». 1964, 12, № 4.

3. L. Abraham, Heumann K., Koppelmann F. Wechselrichter fur Dzehzahlsteurung von Käfigläufermotoren. AEG—Mitt., 1964, 54, N 1—2, S 89—106.

4. Т. А- Г л a 3 e н к о. Импульсное регулирование скорости вращения асинхронного двигателя. М., «Энергия», 1965.

(m+i) -к

(И)

к

ЛИТЕРАТУРА

1964.