78. Трехфазный автономный инвертор.

Автономный инвертор – это преобразователь постоянного тока в однофазный или многофазный переменный ток, частота которого определяется системой управления, а величина и форма выходного напряжения зависит от характера и параметров нагрузки. В отличие от зависимого инвертора, частота которого определяется частотой сети, на выходе автономного инвертора получают переменный ток любой частоты, а напряжение плавно изменяется от нуля до максимально допустимого значения.

Коммутация тока в инверторах при использовании тиристоров производится независимо от процессов во внешних электрических цепях, благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. Автономные инверторы классифицируются в зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки. По характеру обмена энергией между источником питания и нагрузкой автономные инверторы подразделяются на автономные инверторы напряжения (АИН), тока (АИТ) и автономные резонансные инверторы (АИР).

Характерной особенностью автономного инвертора напряжения является то, что он получает питание от источника напряжения, на входе АИН включается конденсатор большой емкости. Вторая особенность АИН заключается в использовании в качестве ключей полностью управляемых вентилей, зашунтированных диодами обратного тока. АИН формирует в нагрузке напряжение прямоугольной формы, а форма тока определяется характером нагрузки. АИН находит большое применение в преобразовательной технике, его иначе называют универсальным модулем преобразования электроэнергии. На его основе выполняются регуляторы переменного напряжения, непосредственные преобразователи частоты, активные фильтры напряжения и тока, компенсаторы реактивной мощности.

Характерными признаками автономного инвертора тока является питание от источника тока. Тогда в цепь источника включается дроссель большой индуктивности. В простейших резонансных инверторах нагрузка, состоящая из последовательно включенного с катушкой индуктивности конденсатора, подключается к источнику с помощью основного тиристора. Затем вспомогательный тиристор коммутирует основной, при этом ток через нагрузку течет в противоположном направлении.

В зависимости от числа коммутаций тока различают инверторы с одно – и двухступенчатой коммутацией. При одноступенчатой коммутации ток нагрузки сразу переходит на вступающий в работу тиристор, при двухступенчатой коммутации нагрузка сначала переключается во вспомогательную цепь, а затем в основную. При использовании однооперационных тиристоров схемы дополняются специальными узлами принудительной коммутации. В автономных инверторах на тиристорах полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую выполняется в несколько этапов. Сначала происходит уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, затем задержка приложения прямого напряжения на нем до полного восстановления запирающей способности и далее нарастание прямого тока во втором тиристоре.

Как и выпрямители, автономные инверторы в зависимости от числа фаз подразделяют на однофазные и многофазные. В настоящее время в системе электроснабжения железных дорог переменного тока и метрополитенов используется асинхронный тяговый электропривод, одним из основных элементов которого является мостовой автономный инвертор.

Силовая часть трехфазного автономного инвертора напряжения содержит шесть транзисторных ключей VT1–VT6 с шестью диодами обратного тока VD1–VD6, образующих мосто­вую схему и присоединенных параллельно к источнику питания. Упрощенная схема трехфазного мостового АИН с использованием IGBT-транзисторов изображена на рис. 8.1.

Как известно, по способу построения силовой цепи инверторы подразделяются на инверторы с постоянной и переменной структурой силовой цепи. В схемах с постоянной структурой управляющие сигналы подаются всегда одновременно на три силовых транзистора, что обуславливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах с переменной структурой число транзисторов, на которые подаются управляющие сигналы, может быть меньше трех.

Длительность переключения транзисторных ключей и, следовательно, частота выходного напряжения определяется системой управления. На интервале одного периода выходного напряжения транзисторы анодной и катодной групп могут переключаться однократно и многократно. При однократном переключении транзисторы могут находиться в открытом состоянии в течение 120, 150 или 180° эл. Простейшим способом управления транзисторными ключами VT1–VT6 инвертора, обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи, является способ с a = 180° эл. Простейшими способами управления транзисторами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы с a = 120° и a = 150° эл. При этих способах управления в схеме выходного каскада образуются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста. 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 a = 120° также будет зависеть от характера нагрузки. При a = 120° структура силовой цепи остается неизменной, если cosφн ≤ 0,55. Форма напряжения на нагрузке в этом случае аналогична форме при a = 180°. Общим недостатком этих способов является необходимость применения управляемых вентилей. Нагрузка трехфазного АИН включается либо по схеме звезды, либо по схеме треугольника. Эффективное значение фазного напряжения при соединении нагрузки звездой определяется по формуле

; где – напряжение источника питания.

Соответственно эффективное значение линейного напряжения равно

(8.2)

Форма тока выходной цепи зависит от характера нагрузки. При активно-индуктивной нагрузке она представляет собой ломанную кривую, состоящую из четырех экспонент на участке, равном половине периода. Эффективное значение тока нагрузки определяется путем интегрирования характерных участков кривой тока.

При соединении нагрузки звездой действующее значение тока равно; где коэффициентобратно пропорционален постоянной времени, а параметр. Выражение (8.3) справедливо для промежутка времени.

Требуемую форму тока нагрузки, в том числе и синусоидальную, можно получить путем многократного включения и отключения управляемых вентилей на интервале одного периода. При этом плавно изменяется эффективное значение напряжения на нагрузке.

Для регулирования выходного напряжения с помощью инвертора наибольшее применение находит широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с формированием огибающей в виде прямоугольника, трапеции или синусоиды. Прямоугольную модуляцию иначе называют широтно-импульсным регулированием (ШИР). Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе инвертора на основной частоте осуществляется изменением относительной продолжительности включения нагрузки в цепь источника питания. Находит применение ШИР, когда в паузе между импульсами запираются два силовых транзистора одной группы. Тогда при открытых транзисторах VT1, VT2, VT3 для создания паузы в напряжении на нагрузке запираются VT1 и VT3. Алгоритм одиночного переключения способен формировать паузу в выходном напряжении инвертора при любых значениях постоянной времени

При алгоритме группового переключения создается пауза в напряжении на нагрузке, если к моменту запирания двух транзисторов группы ток изменит знак. Это явление может быть при небольших значениях постоянных времени нагрузки. Если значение велико и к рассматриваемому моменту ток не изменит знака, то паузу в выходном напряжении сформировать не удастся. 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. Наибольшее снижение содержания высших гармоник достигается при широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону. При этом в схеме управления формируется опорное напряжение треугольной формы, которое сравнивается с модулирующей кривой синусоидальной формы. Длительность импульса выходного напряжения определяется точками пересечения этих кривых.