Гармонический состав выходного напряжения инвертора

Гармонический состав напряжения на выходе АИН определяет в
значительной степени энергетические характеристики полупровод-
никового электропривода. Поэтому не случайно исследование гар-
монического состава выходного напряжения инвертора проводи-
лось широким фронтом. Этому вопросу уделено значительное вни-
мание в литературе. Ниже в конспективной форме приведены
результаты из литературы [6, 11, 35].

 

 

 

Рис. 3.43. Гармонический состав выходного напряжения АИН

 

При управлении АИН по закону отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:

 

 

где Umv — амплитуда v-ой гармоники; v = 6n±1;n = 0,1,2,3....;

В этом случае отношение амплитуд гармонических составляющих
фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид

Из уравнения (3.13) следует, что при простейшем алгоритме
управления гармонический состав постоянен, отсутствуют все четные гармоники и гармоники кратные трем. В выходном напряжении наиболее сильно выражены пятая и седьмая гармоники. При ШИР на основной частоте повторения (рис. 3.38) отношение амплитуд гармонических составляющих фазного напряжения к амплитуде первой гармоники имеет вид:

 

На рис. 3.43 а показаны зависимости относительных амплитуд
гармоник от относительной длительности управления (см. рис.
3.38). Из рис. 3.43 видно, что в процессе регулирования при умень-
шении выходного напряжения 5, 7, 11, 13 гармоники приближают-
ся к основной, что искажает форму напряжения и тока и приводит
к увеличению потерь от высших гармоник.

Некоторое улучшение гармонического состава достигается за
счет ШИР на несущей частоте (рис. 3.39).где к определено выражением (3.12).

Из последнего выражения следует, что для монотонного умень-
шения v-гармоники необходимо соблюдение условия . При к = 1 ни для одной из высших гармоник это условие не выполня-
ется. При к = 2 оно выполняется для только для пятой гармоники.
При к = 3 — для пятой и седьмой гармоник и.т.д.

На рис. 3.43 б показаны зависимости относительных амплитуд
гармоник от относительной длительности управления для к = 2.

В случае широтно-импульсной модуляции разложение выходно-
го напряжения на гармоники может быть осуществлено с использо-
ванием двойных рядов Фурье. Исследования, проведенные в этом
направлении, показали, что на гармонический состав выходного
напряжения слабо сказывается закон модуляции. Гораздо сильнее
сказывается отношение несущей частоты к выходной частоте ин-
вертора На рис. 3.43 в приведены зависимости относитель-
ных амплитуд гармоник от относительной глубины модуляции (ко-
эффициент модуляции)

 

 

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, ТКЗ для создания паузы в напряжении на нагрузке запираются ТК1 и ТКЗ. 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.

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,
ни АГП, ни АОП не формируют паузу в выходном напряжении, поэтому преимущества АОП проявляются лишь в режимах потребления энергии асинхронным двигателем.

. Следует подчеркнуть, что именно это обстоятельство обуславливает 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. 3.38 штриховыми линиями. Здесь при запирании ключа ТК2, отпирается ключ ТК5, при запирании ключа ТКЗ, отпирается ключ 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 Т₀ происходит включение и отключение одного из силовых ключей

При этом обмотки двигателя оказываются подключёнными к источнику питания на интервале , а на интервале они отключены и закорочены. Рассмотрен случай, когда Т_ПВТ = 2Т₀. Гармонический состав выходного напряжения при ШИР на несущей частоте, улучшается с увеличением кратности

 

 

 

 

 

 

Улучшение гармонического состава выходного напряжения осуществляется при переходе к широтно-импульсной модуляции. Рассмотрим типичный для ШИМ способ управления АИН. Сущность этого способа поясняется рис. 3.40, где показаны законы управления ключами и выходное напряжение на фазе «А».

В интервале от 0 до на управляющий вход транзисторного ключа (например, ТК1) подаётся постоянный отпирающий сигнал, а в интервале от до — 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 (см. рис. 3.37). В течение импульса 1 (рис. 3.37) ключ ТК1 отперт, поэтому и из (рис. 3.11) имеем = 0. Три четверти периода импульса 2 ключ ТК1 отперт, а четверть периода он заперт.

Поэтому здесь и

Длительность импульса 3 будет t1 = T₀ /2, а четвертого t1 = Т₀/4

 

 

 

.Управление АИН при ШИМ на несущей частоте

 

 

При этом средняя фаза изображающего вектора напряжения принимает последовательно значения 0; 14°; 30°; 46°.

Таким образом, изображающий вектор , перемещаясь между
положениями 2 и 3 (рис. 3.37), 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 (табл. 3.2), 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 впервые была подмечена в [11], где описан оптимальный алгоритм 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.3.40) 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 , необходимо на рассматриваемом интервале переключать только ключи ТК1 и ТК4, на следующем (см. рис. 3.40) — 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 ТКЗ 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 синусоидальной 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. 3.41.

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. 3.42. 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:

минимальные потери в двигателе и минимальные пульсации момента, обусловленных воздействием полей первой и высших гармоник;

минимальные потери в элементах преобразователя.

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

 

 

Рис. 3.41. Реализация ШИМ в АИН

 

 

Рис. 3.42. Реализация «токового коридора» в АИН