Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
2.2.6 Многоячейковые инверторы Z н РИ 1 РИ 2 РИ 3 i 1 i 2 i 3 i н Z н РИ 1 РИ 2 РИ 3 C d1 C d2 C d3 а) б) Рис. 2.2.11 Блок схема трехячейкового инвертора с параллельным включением ячеек по входу и выходу показана на рисунке 2.2.11, а, с последовательным включением по входу и параллельным включением по выходу на рисун- ке 2.2.11, б. 125 Рис. 2.2.12. Каждая ячейка выполнена по схеме резонансного инвертора с вентиля- ми обратного тока. Уменьшая частоту работы каждой ячейки и вводя соот- ветствующий фазовый сдвиг между ними, получаем в нагрузке увеличенную в число ячеек раз частоту выходного напряжения, рисунок 2.2.12. 2.3 Автономные инверторы напряжения Название обусловлено режимом работы источника питания, который работает в режиме источника напряжения. В качестве источника используют либо аккумулятор, либо выпрямитель. На выходе выпрямителя включают конденсатор большой емкости, шунтирующий источник питания по пере- менному току и обеспечивающий проводимость в обратном направлении. В качестве вентилей могут применяться транзисторы, одно- или двух операци- онные тиристоры. В случае использования однооперационных тиристоров, схемы дополняют элементами, предназначенными для искусственной комму- 126 тации тиристоров. В последнее время широкое распространение получили инверторы на IGBT-транзисторах и GTO-тиристорах. 2.3.1 Однофазный мостовой АИН Рис. 2.3.1 Схема приведена на рисунке 2.3.1. Форма выходного напряжения определя- ется видом коммутационной функции вентильного комплекта. При широт- ном управлении, рисунок 2.3.2, поочередно переключаются накрест лежащие вентили VT 1 , VT 4 и VT 2 , VT 3 , так что каждый из них открыт 180 эл. гр. В уста- новившемся режиме кривая тока активно-индуктивной нагрузки симметрич- на и состоит из участков экспонент с постоянной времени τ=L н /R н . На интер- вале t 0 -t 1 проводят транзисторы VT 1 , VT 4 . Напряжения на нагрузке равно U d и имеет полярность указанную на схеме без скобок. В момент t 1 с транзисторов VT 1 , VT 4 снимается, а на транзисторы VT 2 , VT 3 подается отпирающее напря- жение. Напряжение прикладывается к нагрузке с обратной полярностью. Под действием ЭДС самоиндукции индуктивности нагрузки ток на интервале t 1 -t 2 сохраняет прежнее направление. Транзисторы VT 2 , VT 3 в таком направлении проводить не могут, поэтому ток протекает через диоды встречно включен- ного диодного моста VD 2 , VD 3 . В момент t 2 ток нагрузки становится равным нулю, диоды VD 2 , VD 3 закрываются и транзисторы VT 2 , VT 3 начинают прово- дить ток. В момент t 3 происходит очередное переключение транзисторов с VT 2 , VT 3 на VT 1 , VT 4 . Процессы протекают аналогично, на интервале t 3 -t 4 про- водят диоды VD 1 , VD 2 , на интервале t 4 -t 5 транзисторы VT 1 , VT 2 127 Рис. 2.3.2. 128 В кривой выходного напряжения при широтном регулировании содер- жится значительное количество высших гармоник 3, 5, 7. Особенно трудно подвергается фильтрации 3 гармоника, наиболее неблагоприятная для типо- вой нагрузки АИН асинхронного двигателя. Поэтому широтное управление можно применять только в малом диапазоне для стабилизации выходного напряжения. Для улучшения гармонического состава применяют широтно- импульсное регулирование (ШИР). При широтно-импульсном регулировании, рисунок 2.3.3 кривая вы- ходного напряжения состоит из нескольких однополярных импульсов в каж- дой из его полуволн. Изменением длительности импульсов осуществляют ре- гулирование действующего значения выходного напряжения. Особенностью широтно-импульсного регулирования является наличие интервалов времени, в течение которых все вентили инвертора закрыты. Рис. 2.3.3. По окончании интервала времени t 1 -t 2 проводимости транзисторов VT1, VT4 отпирающее напряжение снимается со всех транзисторов схемы. Однако 129 из-за накопленной в индуктивности нагрузки энергии ток мгновенно прекра- титься не может, в связи с чем, возникает контур тока через диоды VD 2 , VD 3 В результате отпирания диодов к нагрузке прикладывается ЭДС обратной полярности. Энергия, запасенная в индуктивности, отдается в источник пи- тания и нагрузку, ток уменьшается по экспоненциальному закону, в момент t 3 диоды закрываются, и напряжение на нагрузке становится равным нулю. Пауза в напряжении продолжается до момента t 4 отпирания транзисторов VT 2 , VT 3 . Аналогичные процессы протекают в схеме и после запирания тран- зисторов VT 2 , VT 3 . Вследствие проводимости обратных диодов на нагрузке возникают дополнительные импульсы, что приводит к нежелательному уве- личению действующего выходного напряжения инвертора. Длительность этих импульсов зависит от постоянной времени нагрузки τ=L н /R н , а значит на практике возможен случай, когда из-за изменения параметров нагрузки ток не успеет достигнуть нулевого значения. Форма напряжения получится такой же, как у нерегулируемого инвертора, а изменение длительности паузы меж- ду импульсами управления не будет приводить к изменению действующего значения выходного напряжения инвертора. Для устранения этого эффекта изменяют коммутационную функцию транзисторов, так чтобы обеспечивалась одновременная проводимость двух транзисторов, относящихся к одной группе (катодной или анодной) инвер- торного моста: VT 1 , VT 3 или VT 2 , VT 4 , рисунок 2.3.4. При этом нагрузка замы- кается накоротко через одну из шин питания источника напряжения и на- пряжения на нагрузке равно нулю. Ширину импульсов напряжения в нагруз- ке регулируют с помощью изменения фазового сдвига коммутационных функций транзисторов. На интервале t 1 -t 2 проводят транзисторы VT 1 , VT 4 . В момент t 2 с VT 1 снимается, а на VT 3 подается отпирающее напряжение. На- грузка оказывается закорочена через шину «-» источника напряжения. На- пряжение на нагрузке равно нулю. Под действием энергии запасенной в ин- дуктивности нагрузки возникает контур тока через транзистор VT 4 и диод VD 2 , интервал t 2 -t 3 . В момент времени t 3 с VT 4 снимается, а на VT 3 подается отпирающее напряжение и к нагрузке подключается источник напряжения с обратной полярностью. В момент времени t 4 снимается управляющее напря- жение с транзистора VT 2 и подается на VT 1 . На интервале t 4 -t 5 образуется ана- логичное замыкание на шину «+» источника питания через транзистор VT 3 и диод VD 1 . Далее процессы повторяются. 130 Рис. 2.3.4. Применение ШИР смещает гармоники напряжения, обусловленные ре- гулированием, в область более высоких частот, что облегчает их фильтра- цию. Дальнейшее улучшение спектра выходного напряжения инвертора 131 обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) дли- тельности формирующих выходное напряжение импульсов по определенно- му закону. Рис. 2.3.5. По форме моделирующего сигнала различают синусоидальный, тре- угольный и трапецеидальный законы широтно-импульсной модуляции. По числу полярностей импульсов различают однополярную, рисунок 2.3.5, а, и двуполярную, рисунок 2.3.5, б, ШИМ. При двуполярной ШИМ вместо пауз между импульсами содержатся импульсы противоположенной полярности. По кратности частоты коммутации частоте выходного напряжения различа- ют ШИМ с целочисленной кратностью, ШИМ с кратностью, выражаемой дробно-рациональным числом и ШИМ с кратностью, выражаемой иррацио- нальным числом. По модулируемому параметру различают одностороннюю и двустороннюю ШИМ. При односторонней ШИМ изменяется положение только одного фронта импульса: переднего или заднего, при двусторонней ШИМ – обоих фронтов. По способу определения длительности импульса 132 различают ШИМ первого, второго, третьего и четвертого рода. По числу уровней модуля вектора напряжения различают одноуровневые и много- уровневые алгоритмы управления. 2.3.2 Трехфазный АИН Рис. 2.3.6. Схема получается объединением по общему источнику напряжения трех полумостовых однофазных инверторов, рисунок 2.3.6. Нагрузка может подключаться звездой без нуля или треугольником. В трехфазных инверто- рах применяют те же способы формирования выходного напряжения. При сто восьмидесяти градусном (широтном) управлении, рису- нок 2.3.7, последовательность вступления транзисторов в работу соответст- вует порядку следования их номеров при относительном фазовом сдвиге 60 эл. гр. В любой момент времени одновременно проводят ток три транзистора, два из которых относятся к одной группе (коллекторной или эмиттерной), а один к другой: VT 1 , VT 2 , VT 3 ; VT 2 , VT 3 , VT 4 ; VT 3 , VT 4 , VT 5 ; VT 4 , VT 5 , VT 6 ; и т. д. Кривые линейных напряжений состоят из импульсов с амплитудой U d , дли- тельностью 120 эл. гр., разделенных паузой 60 эл. гр. Импульсы создаются при проводимости накрест лежащих транзисторов двух фаз. Например, им- пульс положительной полярности линейного напряжения U AB получается при проводящих транзисторах VT 4 , VT 3 , а импульс напряжения отрицательной полярности при открытых транзисторах VT 6 , VT 1 . Интервалы пауз соответст- вуют одновременно открытым транзисторам VT 1 , VT 3 и VT 4 , VT 6 133 Рис. 2.3.7. 134 Фазные напряжения имеют вид ступенчатой кривой со значениями на- пряжения d U 3 1 и d U 3 2 . Это определяется тем, что в любой момент време- ни одновременно проводят ток три транзистора инвертора, подключая на- грузки в фазах Z a , Z b , Z c на напряжение источника питания U d таким образом, что две из них включаются параллельно между собой и последовательно с третьей. Форма кривой выходного напряжения такого инвертора является удовлетворительной для питания асинхронного двигателя. В ней отсутству- ют четные гармоники и гармоники кратные трем. Низшими гармоническими являются 5 и 7-я. Регулирование действующего значения выходного напря- жения производят по цепи питания, например, с помощью управляемого вы- прямителя или импульсного преобразователя постоянного напряжения. 2.3.3 Трехфазный АИН с ШИР Принцип формирования кривой выходного напряжения трехфазного АИН с ШИР подобен однофазному АИН с ШИР, рисунок 2.3.8. В кривой вы- ходного линейного напряжения формируют не один импульс длительностью 120 эл. гр., а несколько с регулируемой длительностью. Для создания пауз в выходном напряжении изменяют коммутационные функции транзисторов так, чтобы на время паузы подключить к шине «+» или «-» источника пита- ния сразу все три транзистора одной группы (коллекторной или эмиттерной). В связи с этим последовательность переключения транзисторов должна быть такой: VT 1 , VT 2 , VT 3 ; VT 1 , VT 3 , VT 5 ; VT 2 , VT 3 , VT 4 ; VT 2 , VT 4 , VT 6 ; VT 3 , VT 4 , VT 5 ; VT 1 , VT 3 , VT 5 ; VT 4 , VT 5 , VT 6 ; VT 2 , VT 4 , VT 6 ; … . В результате кривые линейных напряжений будут содержать 4, 8, 12, 16, 20, … импульсов, а кривые фазных напряжений соответственно 6, 12, 18, 24, 36, … импульсов. Увеличивают число импульсов в кривой выходного напряжения для того, чтобы улучшить его гармонический состав при регулировании. В рассмотренных выше трехфазных инверторах выходное линейное напряжение имеет только одну ступень, отличную от нулевой. Соответствен- но модуль обобщенного вектора напряжения также имеет только один уро- вень. Увеличение числа ступеней обобщенного вектора напряжения, приво- дит к улучшению формы выходного напряжения. Различают трех, пяти, семи уровневые инверторы напряжения. 135 Рис. 2.3.8. 136 Технически это достигается добавлением к методу ШИМ формирова- ния кривой выходного напряжения еще и метода амплитудной модуляции. Такие схемы инверторов оправданы при больших мощностях (более тысячи киловатт), когда улучшение качества выходного напряжения за счет добав- ления амплитудной модуляции компенсирует его ухудшение, вызываемое снижением допустимой кратности частоты коммутации на верхних частотах выходного напряжения. 2.3.4 Трехуровневый трехфазный инвертор Рис. 2.3.9. Каждое плечо схемы состоит из двух последовательно включенных полностью управляемых вентилей, шунтированных обратными диодами, ри- сунок 2.3.10. Дополнительные диоды соединяют нулевую точку источника питания со средними точками плеч инвертора. В качестве полностью управ- ляемых вентилей в мощных инверторах используют GTO или IGCT тиристо- ры. Первому уровню модуля обобщенного вектора напряжения соответст- вует схема замещения инвертора, как у одноуровневого инвертора рису- нок 2.3.9, с тем отличием, что каждая фазы нагрузки подключаются чрез два последовательно открытых тиристора. Ступени напряжения на фазах нагруз- ки в этом состоянии могут быть равны d U 3 1 и d U 3 2 . Шести подобным схемам замещения соответствуют шесть векторов обобщенного вектора на- пряжения наибольшего уровня. 137 Рис. 2.3.10. Второму уровню модуля обобщенного вектора напряжения соответст- вует схема рисунок 2.3.11. Две фазы нагрузки подключаются к двум различ- ным полюсам источника, а третья через один из внутренних тиристоров под- ключается к средней точке. Ступени напряжения на двух фазах нагрузки равны d U 2 1 ± , а на третьей фазе нулю. Модуль обобщенного вектора на- пряжения равен 3 d U , а его фаза равна 30 ° . Возможно шесть таких векторов со сдвигом 60 ° Рис. 2.3.11. 138 Третьему уровню обобщенного вектора напряжения соответствует схема замещения рисунок 2.3.12. Две фазы нагрузки подключены к одному полюсу источника, третья через внутренний тиристор к нулевой точке источ- ника. Ступени напряжения на фазах нагрузки равны d U 3 1 и d U 6 1 . Модуль обобщенного вектора напряжения равен d U 3 1 , а начальная фаза нулю. Так- же возможно шесть таких векторов со сдвигом 60 ° Рис. 2.3.12 Таким образом, трехуровневый инвертор, имея в три раза больше воз- можных состояний обобщенного вектора напряжения, позволяет формиро- вать более качественную кривую выходного напряжения за счет широтно- импульсной и амплитудной модуляции выходного напряжения. С примене- нием такой схемы на сегодняшний момент достигнуты мощности порядка 500…1000 кВт. Для дальнейшего наращивания мощности применяют пяти, семи, и т.д. уровневые инверторы. 2.4 Преобразователи частоты Преобразователь частоты - устройство преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. Различают: 1. преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока; 2. преобразователи частоты с непосредственной связью; 3. преобразователи частоты с промежуточным звеном переменного тока. 139 2.4.1 Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока Рис. 2.4.1. Блок схема преобразователя частоты с промежуточным звеном посто- янного тока показана на рисунке 2.4.1. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется управляемым или неуправляемым выпрямителем (В), фильтруется LC-фильтром (Ф) и подается на автономный инвертор (АИ). Инвертор выполняет функцию регулирования частоты, управляемый выпря- митель функцию регулирования напряжения, если применяется неуправляе- мый выпрямитель, то обе функции выполняет автономный инвертор. В каче- стве АИ может использоваться любой из рассмотренных выше инверторов. Для управления скоростью двигателя переменного тока в последнее время широкое распространение получили преобразователи частоты, состоящие из неуправляемого трехфазного выпрямителя и трехфазного АИН с ШИМ. Та- кие преобразователи позволяют в широком диапазоне регулировать частоту выходного напряжения как вверх так и вниз. Имеют прекрасные техниче- ские, массо-габаритные и экономические показатели. Недостатком данного типа преобразователей частоты является двойное преобразование энергии, что приводит к уменьшению КПД преобразователя. 140 3.4.2 Трехфазно-однофазный преобразователи частоты с непосредствен- ной связью с естественной коммутацией тиристоров Рис. 2.4.2 Силовая схема трехфазно-однофазного непосредственного преобразо- вателя частоты (НПЧ) с естественной коммутацией не отличается от силовой части реверсивного управляемого выпрямителя с нулевым выводом транс- форматора, рисунок 2.4.2 Отличие заключается в логике управления. Пере- менный ток в нагрузке создается в результате поочередного отпирания вен- тильных групп. Положительный полупериод выходного напряжения форми- руется при поочередной подаче отпирающих импульсов на тиристоры груп- пы I, отрицательный при подаче отпирающих импульсов на тиристоры груп- пы II. Регулирование частоты осуществляется за счет изменения количества пульсаций напряжения в полуволне выходного напряжения. Регулирование действующего значения осуществляется изменением угла отпирания венти- лей. При активной нагрузке без учета потерь в вентилях и трансформаторе: π α π cos sin 2 1 1 1 2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = m U m U ф , где m 1 – число фаз первичной сети; α – угол регулирования. 141 Выходная частота регулируется вниз относительно входной. При от- сутствии пауз между полупериодами: 1 1 1 2 2 m n m f f + ⋅ ⋅ = , где n=0, 1, 2, … . Так как запереть тиристор на участке между подачей отпирающего им- пульса и моментом естественного запирания невозможно, возникает погреш- ность действительного полупериода выходного напряжения. Рис. 2.4.3. Частота регулируется дискретно, рисунок 2.4.3. Для плавного регули- рования частоты необходимо вводить паузы между включением выключени- ем групп тиристоров. В реальных схемах паузы необходимы даже при чисто активной нагрузке для предотвращения одновременной проводимости тири- стора выходящей из работы группы с тиристором группы вступающей в ра- боту. Длительность паузы должна быть больше времени восстановления за- пирающих свойств тиристора. При RL нагрузке длительность паузы опреде- ляется также временем спадания тока вентиля до нуля. Трехфазный НПЧ получается путем объединения трех трехфазно- однофазных схем. 142 3.4.3 Однофазный НПЧ с принудительной коммутацией Тиристоры непосредственного преобразователя частоты, рису- нок 2.3.16, выключаются с помощь коммутирующего конденсатора. При по- ложительной полярности питающего напряжения работают тиристоры VS 2 , VS 3 , при отрицательной VS 1 , VS 4 Рис. 2.4.4. Направление, тока нагрузки не зависит от полярности питающего на- пряжения U 1 . Выходное напряжение преобразователя промодулировано си- нусоидальным напряжением с частотой питающей сети. Благодаря принуди- тельной коммутации можно получить частоту выходного напряжения, как выше частоты питающего напряжения, так и ниже. 3.4.4 Преобразователь частоты с промежуточным звеном переменного тока Рис. 2.4.5. 143 Чем выше промежуточная частота автономного инвертора по сравне- нию с частотой выходного напряжения, тем более плавным является регули- рование частоты и напряжения, а также проще обеспечивается близкая к си- нусоидальной форма кривой выходного напряжения. Повышение промежу- точной частоты ограничено частотными свойствами вентилей, дросселей и конденсаторов, поскольку потери в этих элементах с ростом частоты увели- чиваются. Наиболее эффективно использовать в качестве АИ резонансный инвертор. Существенными недостатками ПЧ со звеном переменного тока, рисунок 2.4.5, являются: тройное преобразование энергии, что ведет к уменьшению КПД; сложность силовой схемы и системы управления; низкая надежность. Библиографический список 1. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая Шк., 1982. 3. Горбачев Н.Г., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 4. Ковалева Ф. И. Полупроводниковые выпрямители. – М.: Энергия, 1978. 5. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чижен- ко. – Киев: Техника, 1978. 6. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная тех- ника. - М.: Высшая шк., 1980. 7. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справоч- ник / Г. С. Найвельт, К. Б. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др.; Под ред. Г. С. Най- вельта. М., 1986. 8. Глух Е. М., Зеленов В. Е. Защита полупроводниковых преобразова- телей. – М.: Энергия, 1978. |