Меню

Что такое трехфазный инверторы тока

Силовая схема трехфазного инвертора напряжения

Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее простой схемы трехфазного транзисторного инвертора напряжения, схема которого приведена на рисунке 19. Трехфазный инвертор напряжения можно представить состоящим из трех однофазных одноплечевых инверторов, присоединенных параллельно к одному источ­нику питания [4].

Полностью управляемые вентили (VT1-VT6) называются группой вентилей прямого тока, а неуправляемые вентили (VD1-VD6) называются группой вентилей обратного тока. Нагрузка такого инвертора включается либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора вызывает изменение напряжения на всех фазах. Это обстоятельство сильно ус­ложняет анализ электромагнитных процессов, В настоящее время известно большое число различных способов управления силовыми транзисторами инвертора.

Рисунок 19. Транзисторный трехфазный инвертор напряжения

Напомним, что транзисторы являются полностью управляемыми полупроводниковыми элементами. Открываются они при подаче на них импульса управления, закрываются — при снятии с них импульса управления. С учетом этого, при наличии временных диаграмм импульсов управления не составляет особого труда проследить цепи, по которым протекает ток от положительного полюса источника питания к отрицательному полюсу его.

Трехфазные инверторы напряжения могут работать как с неизменной длительностью сигналов управления, подаваемых на транзисторы силовой схемы, так и с переменной (регулируемой) длительностью этих сигналов. В этом случае, так же, как и в случае однофазных инверторов, возможно применение широтных и широтно — импульсных способов управления.

В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразде­ляются на два класса: инверторы с постоянной структурой силовой цепи и с переменной структурой силовой цепи [6]. В схемах первого класса управляющие сигналы подаются всегда на три силовых транзистора, что обуславливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах второго класса число транзисто­ров, на которые подаются управляющие сигналы, может быть мень­ше трех. Простейшим способом управления транзисторными ключами 1 — 6 инвертора (рисунок 19), обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи, является способ с λи.у = 180°, представлен­ный на рисунке 20. Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения (в течение пе­риода повторяемости Тпвт)включены три транзистора. Последователь­ность управления следующая: 123, 234, 345, 456, 561, 612.

Определим действующее значение выходного напряжения фазы инвертора напряжения при λи.у = 180°. Как видно из рисунка 20 фазное напряжение в этом случае имеет двухступенчатую форму кривой. Амплитуда степеней равна 1/3Uп и 2/3Uп. Длительность каждой ступени равна 2π/3.

Проинтегрировав полученное выражение, окончательно получим

Форма кривой линейного напряжения представляет собой прямоугольный импульс длительностью равной (2/3)π на интервале каждого из полупериодов. Амплитуда этих импульсов равна напряжению источника питания, UП. Действующее значение этого напряжения равно

Форма напряжения нагрузки при таком алгоритме управления постоянна и не зависит от коэффициента мощности нагрузки.

Простейшими способами управления транзисторами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы с λи.у = 120°, λи.у = 150°. Последовательность управления транзисторами при

λи.у = 120° следующая: 12, 23, 34, 45, 56, 61. При λи.у =150° транзи­сторы переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234, 34, 345,45,456, 56, 561, 61, 612.

На рисунке 21 приведены следующие временные диаграммы инвертора напряжения при длительности импульсов управления λи.у.=120 0 :

а, б, в, г, д, е – импульсы управления транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, соответственно;

ж— кривая напряжения фазы а (uа) и кривая тока фазы а (ia) инвертора, соответственно;

з— кривая напряжения фазы в инвертора;

и— кривая линейного напряжения uав.

При λи.у = 120° и активном характере нагрузки форма кривой фазного напряжения имеет одноступенчатый импульс на интервале каждого полупериода, амплитуда которого равна (1/2)Uп. Действующее значение фазного напряжения в этом случае равно

Действующее значение напряжения в этом случае равно

Сравнивая значения фазных напряжений при длительности импульса

λи.у = 180° и λи.у = 120°, можно видеть что фазное напряжение при λи.у = 180° больше в 1,15 раза.

Рисунок 20. Временные диаграммы, поясняющие управление трехфазного инвертора напряжения с постоянной и равной 180 0 длительностью импульсов управления (λи.у.=180 0 ).

Рисунок 21. Временные диаграммы, поясняющие управление трехфазного инвертора напряжения с постоянной и равной 120 0 длительностью импульсов управления (λи.у.=120 0 )

Рисунок 22. Временные диаграммы основных гармоник фазных токов, напряжений и мощности инвертора напряжения

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 λи.у = 120° и λи.у = 150° также зависит от характера нагрузки. При λи.у = 120° структура силовой цепи остается неизменной, если cosφнг≤0,72. Форма напряжения на нагрузке в этом случае ана­логична форме с λи.у = 180° (рисунок 20).

Общим недостатком этих способов является необходимость при­менения управляемого выпрямителя (или широтно — импульсного преобразователя постоянного напряжения) во входной цепи инвертора для регулирования напряжения на выходе инвертора.

Рассмотрим подробнее особенности работы инвертора напряжения с λи.у = 120° (рисунок 21) [2].

Анализ взаимного рас­положения первых гармоник напряжения и тока в фазе нагрузки uA1, iA1, нанесенных на рисунке 22, по­казывает, что в течение ин­тервалов π-φ, когда uA1, и iA1 имеют соглас­ное направление, протека­ние тока iA1 осуществляет­ся через группу управляе­мых вентилей прямого тока. В течение интервалов φ, когда uA1, и iA1 направлены встречно, фазный ток iA1 замыкается через груп­пу диодов обратного тока и встречно по отношению к по­лярности напряжения источника питания Ud2. Аналогично, на основании кривой колебания мгновенной мощности фазы А PA1=uA1iA1можно установить, что поло­жительным значениям PA1 соответствует потребление энергии от источника через вентили прямого тока и накопление ее в электромагнитном поле индуктивности нагрузки. Отрицательный зна­чениям соответствует возврат накопленной энергии через группу вентилей обратного тока в источник. В совокупности такой не­прерывно повторяющийся процесс определяет сущность обмена реактивной энергией между нагрузкой и питающими источниками постоянного тока и особенность такого процесса передачи реактивной энергии от традицион­ного разложения кажущейся мощности на активную и реактивную по гео­метрическим составляющим активного и реактивного тока. При активной нагрузке инвертора форма кривой выходного напряже­ния становится прямоугольной, а ток через вентили груп­пы обратного тока не протекает, что связано с отсутствием запаса реактивной энергии в фазах нагрузки.

Изменение формы фазного напряжения при переходе от индуктивной к активной нагрузке в таком инверторе напряжения сопровождается
уменьшением действующего значения фазного напряжения на 13,5%, однако гармонический состав фазного напряжения остается неизменным. Такой режим будет ха­рактеризоваться постоянством мгновенной мощности, передаваемой в на­грузкуи уравновешенностью основно­го питающего источника Pd1=const, id1=const.

При работе инвертора в режиме 0,720≤cosφнг≤0,892 имеют мес­то промежуточные формы токов и напряжений в ветвях схемы. Так, в частности, ток, протекающий через диоды обратного тока становится прерывистым, спадающим до нуля в те­чение каждого такта между коммутациями управляемых вентилей (транзисторов). На рисунке 23 показана зависимость относительной продолжительности интер­вала работы диодов обратного тока на каждом такте Ψ ‘ =Ψ/θ от коэффициента мощности на­грузки, наглядно иллюстрирую­щая указанный диапазон переход­ных форм кривой выходного на­пряжения при параллельном со­единении элементов активно-ин­дуктивной нагрузки в конкрет­ной схеме трехфазного мостово­го инвертора.

При cosφнг≥0,892 диодная группа обратного тока в работе не участвует, т.к. вследствие несинусоидальности выходного напряжения и тока энергия, запасаемая в индук­тивных сопротивлениях нагрузки, рассеивается в параллельных активных сопротивлениях. Форма кривой выходного напряжения в этом режиме та­кая же, как при активной нагрузке.

При cosφнг=0 входной ток id равен разности то­ков вентильных групп прямого и обратного тока id = id1id2. При этом режиме работы инвертора входной ток id будет двухполярным пульсирующим током с нулевой постоянной составляющей [2].

Рисунок 23. Зависимость длительности работы вентилей обратного тока от коэффициента мощности нагрузки

Следо­вательно, при пренебрежении потерями мощности в инверторе, средняя мощность, потребляемая от источника, равна средней мощности нагрузки и равна нулю:

Характерным свойством инвертора напряжения является его работо­способность при нагрузке активно-емкостного характера и при отрица­тельных значениях активных сопротивления в фазах нагрузки rA=rB=rC π/2.. Эти вентили совместно с диодами обратного тока обеспечивают протекание через статорную обмотку машины реактивного намагничивающего тока. Рекуперируе­мая с вала машины активная мощность передается в цепь питающих источников через диоды обратного тока [2].

Используя временные диаграммы, приведенные на рисунке 22, можно вывести выражения для определения средних значений токов, потребляемого группой вентилей прямого тока, Id1, и возвращаемого группой вентилей обратного тока в источник, Id2:

(54) (55) где Iл1— действующее значение первой гармоники линейного тока нагрузки.

Результирующий ток, потребляемый инвертором от источника питания, Id,:

(56)

Сравнительная оценка загрузки элементов трехфазного инвертора напряжения при λи.у = 180° и λи.у = 120°.

При проектировании инверторов необходимо знать соотношения между действующими значениями первых гармоник напряжения и тока нагрузки, а также тока и напряжения источника питания и связь их с максимальными значениями напряжения и тока транзисторов, поскольку транзисторы выбираются по максимально допустимым значениям тока и напряжения на коллекторе. Такие соотношения для трехфазного мостового инвертора напряжения при двух способах управления (λи.у = 180° и λи.у = 120°)и двух схемах соединения нагрузки (треугольником (Δ) или звездой (Υ)) приведены в таблице2.

Условные обозначения параметров, принятые в таблице 2: Um— амплитуда прямоугольно- ступенчатого фазного напряжения на нагрузки;

Im— амплитуда прямоугольно- ступенчатого фазного тока активной нагрузки;

Uп— напряжение источника питания инвертора;

U, I— действующие значения первых гармоник фазных напряжения и тока нагрузки, соответственно;

Р1-действующее значение мощности (по первой гармонике) на выходе инвертора при чисто активной нагрузке и полном использовании транзисторов;

Pк=Uк maxIк max— предельная мощность переключения транзистора;

kp= Р1/(nPк)- коэффициент использования инвертора по первой гармонике;

n-число установленных транзисторов.

Отметим, что соотношения для токов, приведенные в таблице 2, справедливы лишь при чисто активной нагрузке (cosφнг=1). Форма тока нагрузки при cosφнг=1 совпадает с формой напряжения нагрузки. Разложение тока в ряд Фурье в этом случае представляется теми же формулами, что и разложение напряжения. Поскольку действующие значения фазных напряжений и токов для разных схем инверторов и способов управления ими отличаются друг от друга, то важно оценить различаются ли при этом выходные мощности инверторов

Читайте также:  Почему нельзя оставлять разомкнутую обмотку трансформатора тока с маркировкой и1 и2

(по первой гармонике). Такую оценку проще провести для случая чисто активной нагрузки. Оказывается, что действующее значение выходной мощности трехфазного инвертора (по первой гармонике) при чисто активной нагрузке не зависит от способа управления (Р1/Рп=0,915).

Соотношения расчетных параметров инвертора напряжения

λи.у Схема соедине ния на- грузки Um/ Uп ________ _ Im / Iк.max U1U/ Uп I/ Iк.max Uп/ U Iк max / I Uкmax/ U Р1/Pк kp
180 0 Δ Υ 2/3 0,5 0,78 0,45 0,39 0,68 1,28 2,23 2,56 1,48 1,28 2,23 0,915 0,152
120 0 Δ Υ 0,5 2//32/3 0,68 0,39 0,45 0,78 1,48 2,56 2,23 1,28 1,48 2,56 0.915 0,152

При активно – индуктивном характере нагрузки выходная мощность и коэффициент использования инвертора по первой гармонике будут меньше, так как форма тока будет не прямоугольно – ступенчатой, а ближе к треугольной и максимальное значение тока через транзистор будет больше при одинаковой величине первой гармонике тока нагрузки [8],[9].Приведем соотношения, по которым можно рассчитать максимальное значение коллекторного тока транзистора при λи.у = 180° и двух способах соединения нагрузки [9]:

— нагрузка соединена в треугольник

При cosθнгн=0,53 формулы дают одинаковый результат.

При соединении нагрузки в звезду максимальные значения коллекторного тока транзисторов для инвертора напряжения с λи.у = 180°

где а=е -1 /(6fT) ;

f— частота выходного напряжения инвертора;

Т=Lнг/Rнг— постоянная времени нагрузки.

где θнг представляет собой некоторый фиктивный угол.

При fTнг 0 и б)- при λи.у.=120 0 .

3. При каком значении коэффициента мощности нагрузки форма кривой выходного напряжения при λи.у.=180 0 и при λи.у.=120 0 одинакова.

Дата добавления: 2019-04-03 ; просмотров: 1759 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Трехфазный инвертор напряжения, способы управления и характеристики

Трехфазный АИН с нулевым проводом

Одним из простейших вариантов схем трехфазных АИН является инвертор, состоящий из трех однофазных полумостовых инверторов (аналогичных рассмотренному в предыдущем разделе), управляемых со сдвигом на 120 градусов. Схема инвертора показана на рисунке 2.1, а развертки импульсов управления транзисторами – на рисунке 2.2. На рисунке 2.3 показаны развертки выходных напряжений и токов в фазах А и В, и линейного напряжения между этими фазами при активно-индуктивной нагрузке. Кривые построены в предположении, что положительная полуволна выходного напряжения каждой фазы формируется при включении транзистора, имеющего четный номер. Номера транзисторов соответствуют очередности выработки управляющих импульсов. Например, положительная полуволна напряжения фазы А формируется при включении транзистора VT4 в момент времени . Соответственно, отрицательная полуволна формируется при включении транзистора VT1 при Амплитуда фазного напряжения равна напряжению на верхней емкости фильтра CФ1, которое составляет половину напряжения источника питания Ed. Ток нагрузки фазы А замыкается через нулевой провод. При наличии нулевого провода, соединяющего нулевую точку звезды нагрузки со средней точкой входного фильтра, каждая фаза инвертора работает независимо друг от друга. В принципе, возможно два способа управления транзисторами инвертора: с длительностью управляющих импульсов 180 градусов, и с длительностью управляющих импульсов 120 градусов. Поскольку при втором способе управления форма выходного напряжения зависит от параметров нагрузки [3,5], то в настоящее время, как правило, используется лишь первый способ. При длительности управляющих импульсов равной 180 градусов кривая фазного напряжения имеет прямоугольную форму с амплитудой равной половине напряжения в звене постоянного тока. Соответственно, спектр выходного напряжения одной фазы содержит все нечетные гармоники, а действующее значение первой гармоники выходного напряжения определяется соотношением (1.18):

Кривая линейного напряжения показана на рисунке 2.3.

Амплитуда линейного напряжения равна напряжению Ed, а длительность импульса – 120 градусов. Равенство нулю линейного напряжения соответствует тем моментам, когда фазные напряжения равны. Например, на интервале одновременно включены транзисторы VT4 и VT6, следовательно, потенциалы фаз А и В равны потенциалу верхней шины моста, а, соответственно, их разность потенциалов равна нулю.

Исходя из кривой линейного напряжения, нетрудно определить его действующее значение:

При вычитании напряжений фаз А и В, первые гармоники которых сдвинуты на 120 градусов, происходит компенсация третьей гармоники и высших гармоник с номерами кратными трем. Соответственно, действующее значение первой гармоники линейного напряжения больше фазного в раз:

Форма кривой входного тока инвертора зависит от характера нагрузки. На рисунке 2.4 показаны развертки тока фазы А, входного тока (потребляемого положительной шиной моста), и тока нулевого провода при чисто активной нагрузке. Очевидно, что в этом случае ток фазы равен:

В течение периода выходного напряжения происходит шесть переключений силовых транзисторов и, соответственно, имеется шесть состояний схемы, которые чередуются через 60 градусов. Соответствующие интервалы пронумерованы на рисунке 2.4 а. В соответствии с алгоритмом формирования управляющих импульсов, показанном на рисунке 2.2, на первом интервале включены транзисторы VT2, VT3 и VT4. То есть, включены два транзистора верхней группы (имеющих общие коллекторы) и лишь один транзистор нижней группы (имеющих общие эмиттеры). Следовательно, к верхней шине моста подключены две фазы нагрузки, а к нижней только одна. Таким образом, от верхней полови-

ны входного фильтра потребляется ток , а от нижней — . Разность этих токов замыкается через нулевой провод.

Через 60 градусов выключается транзистор VT2 и включается транзистор VT5, теперь две фазы нагрузки подключены к нижней шине моста и лишь одна к верхней. Соответственно, ток верхней половины фильтра уменьшается в два раза, а ток нижней – увеличивается. Разность этих токов опять же замыкается через нулевой провод. Аналогичное изменение структуры схемы происходит при каждом переключении силовых транзисторов – шесть раз за период выходного напряжения.

Таким образом, через нулевой провод течет ток с амплитудой равной амплитуде тока фазы, но с тройной частотой. Такую же частоту имеет первая гармоника пульсаций входного тока.

Среднее значение входного тока при активной нагрузке определяется очевидным соотношением:

Таким образом, амплитуда переменной составляющей входного тока равна половине амплитуды тока нагрузки и, соответственно, амплитуда первой гармоники пульсаций входного тока:

причем частота первой гармоники пульсаций входного тока равна утроенной частоте выходного напряжения.

На рисунке 2.5 показаны кривые токов в схеме при активно-индуктивном характере нагрузки. Поскольку в этом случае кривая тока нагрузки состоит из отрезков экспоненты, соответственно изменился вид кривых входного тока и тока нулевого провода. В то же время, нетрудно видеть, что мгновенные значения входного тока на четных и нечетных интервалах отличаются, что приводит к появлению в этой кривой составляющей тройной частоты.

Спектральный состав входного тока инвертора можно определить, если просуммировать спектры входных токов каждой фазной ячейки, поскольку, в соответствии с первым законом Кирхгофа, можно записать:

Спектр входного тока фазной ячейки можно рассчитать методом коммутационных функций. Действительно, полагая, что кривая выходного напряжения имеет прямоугольную форму, можно представить напряжение фазы А как результат умножения эдс источника питания на коммутационную функцию:

где определена по (1.2) и (1.3).

В этом случае, комплексное сопротивление нагрузки для -той гармоники равно:

Следовательно, спектр тока нагрузки фазы А описывается следующим тригонометрическим рядом:

Величины и , используемые в уравнении (2.10) – амплитуда и фаза -той гармоники тока нагрузки, соответственно.

Как следует из принципа действия полумостовой схемы АИН, ток верхней половины схемы существует только на интервале от нуля до (см. рисунок 1.4д). Следовательно, для расчета кривой входного тока фазной ячейки можно использовать коммутационную функцию следующего вида:

Подставив (1.1) в (2.13) легко убедиться, что:

Тогда, используя (2.13) можно записать:

После подстановки (2.10) и (1.3) в (2.15) получим:

Индексы членов ряда коммутационной функции в (2.16) заменены на , поскольку перемножение рядов должно выполняться почленно. После раскрытия скобок в выражении для можно выделить две составляющих, одна из которых содержит нечетные гармоники, кратные частоте выходного напряжения, образующиеся после перемножения ряда для выходного тока на 1/2, а вторая составляющая содержит четные гармоники, образующиеся после перемножения рядов.

Первая составляющая равна:

Поэтому вторая составляющая представляет собой бесконечную матрицу, содержащую косинусные гармоники суммарных и разностных частот. Результаты перемножения первых трех членов каждого ряда показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Матрица результатов перемножения первых трех членов рядов.

Верхние строки каждой ячейки матрицы соответствуют разностным частотам, а нижние – суммарным.

В частности, разностные частоты для равны нулю, а соответствующие коэффициенты, размещенные на главной диагонали матрицы, формируют постоянную составляющую входного тока. Выборка коэффициентов для составляющей «нулевой частоты» позволяет записать соотношение для постоянной составляющей входного тока в виде следующего ряда:

Аналогично можно получить ряд для старшей гармоники пульсаций входного тока, имеющей двойную частоту. Эта гармоника формируется при суммировании частот первых членов ряда ( ) и вычитании частот следующих членов ( ).

Подставив (2.11) в (2.19) и выразив косинус через тангенс, будем иметь:

Интересно отметить, что при чисто активной нагрузке ( ), когда второй сомножитель под знаком суммы равен единице, оставшаяся часть ряда сходится к величине . Тогда уравнение (2.20) дает величину среднего значения входного тока полумостовой схемы АИН при чисто активной нагрузке:

Анализ остальных коэффициентов бесконечной матрицы показывает, что суммы коэффициентов при косинусах одинаковых частот при активной нагрузке строго равны нулю, а при активно-индуктивной нагрузке ими можно пренебречь.

Таким образом, полное выражение для кривой входного тока одной фазы можно представить в виде суммы постоянной составляющей по (2.20) и переменной составляющей по (2.17). Очевидно, что гармонический состав входных токов двух других фаз отличается от полученного выше только соответствующим сдвигом фазы. Следовательно, при суммировании входных токов трех однофазных полумостовых ячеек, будут складываться постоянные составляющие и составляющие гармоник тройной частоты. Что же касается первой гармоники входного тока и гармоник не кратных трем, то при симметричной нагрузке они образуют трехфазную систему токов, сумма которых равна нулю.

Все сказанное справедливо при условии равенства фазных токов. Если же нагрузки по фазам не равны, то результирующий спектр входного тока искажается. В частности, в этом случае в кривой входного тока появляется составляющая, имеющая частоту выходного напряжения.

Таким образом, среднее значение входного тока (при симметричной нагрузке) определяется уравнением:

Читайте также:  Раствор нитрата бария проводит ток или нет

Соответственно, спектральный состав переменной составляющей этого тока будет:

Анализ полученных соотношений показывает, что коэффициенты, находящиеся под знаком суммы, быстро убывают с ростом . Поэтому для практических расчетов можно использовать лишь первые члены ряда, что существенно упрощает вид уравнений. Полагая и суммируя (2.22) и (2.23) получим приближенное выражение для входного тока трехфазного АИН:

Нетрудно убедиться, что соотношение для амплитуды первой гармоники пульсаций входного тока по (2.24) при (т. е. при чисто активной нагрузке), совпадает с (2.6), полученным из общих соображений.

Уравнение для тока в нулевом проводе можно получить, если сложить переменные составляющие входного тока положительной и отрицательной шин транзисторного моста. Действительно, емкости входного фильтра не пропускают постоянные составляющие входных токов, которые замыкаются через источник питания. С другой стороны, величины конденсаторов фильтра должны быть достаточно велики и, следовательно, переменные составляющие входных токов замыкаются через емкости фильтра. Спектры входных токов верхней и нижней шин моста одинаковы, но первая гармоника переменной составляющей входного тока нижней шины сдвинута по фазе по

отношению к первой гармонике переменной составляющей входного тока верхней шины на 180 эл. градусов. Таким образом, получим:

Довольно часто при расчете спектра входного тока АИН делается допущение о синусоидальности кривой тока в нагрузке. Формирование кривых входных токов трехфазного АИН, состоящего из трех полумостовых инверторов с нулевым проводом показано на рисунке 2.6. Расчет спектра входного тока можно выполнить таким же образом, как и при активно-индуктивной нагрузке, если в (2.10) положить , то есть всеми высшими гармониками тока нагрузки пренебречь.

Тогда уравнение для входного тока одной фазной ячейки можно записать в следующем виде:

— натуральный ряд чисел.

При суммировании входных токов трех фазных ячеек (с учетом фазового сдвига) постоянные составляющие складываются, а в переменной составляющей сохраняются лишь гармоники с номерами кратными трем. Тогда, среднее значение входного тока АИН равно:

Соответственно, амплитуда первой гармоники пульсаций входного тока, имеющая 6-ти кратную частоту ( ), определяется следующим уравнением:

Нетрудно видеть, что при симметричной нагрузке ток нулевого провода равен нулю, (в соответствии с исходным допущением о синусоидальности фазных токов) поскольку кривые входного тока на четных и нечетных интервалах одинаковы.

Таким образом, допущение о синусоидальности фазных токов приводит к качественным изменениям спектрального состава входного тока инвертора: исчезает гармоника тройной частоты в переменной составляющей. Кроме того, исчезает ток в нулевом проводе. Принимая во внимание, что при активно-индуктивной нагрузке трехфазного АИН, в реальной схеме ток в нулевом проводе существует при любых соотношениях параметров нагрузки, можно сделать вывод о том, что допущение о синусоидальности тока в нагрузке является слишком грубым и приводит к качественным погрешностям в результатах анализа.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Трехфазный инвертор

Инверторные устройства используются в самых различных областях. В большинстве случаев, это однофазные приборы, работающие по классическим схемам. Однако, возникают ситуации, когда необходимо обеспечить электроэнергией асинхронный двигатель от аккумуляторной батареи или просто получить трехфазный ток для специфических нужд. И здесь на выручку приходит трехфазный инвертор с увеличенным числом электронных управляемых ключей, преобразующий постоянный ток в трехфазный переменный с требуемыми характеристиками.

  1. Где применяется
  2. Разновидности трехфазных инверторов
  3. Как работает 3-х фазный инвертор
  4. Схема подключения
  5. Различия между одно- и трехфазными инверторами

Где применяется

Область применения трехфазных инверторов достаточно большая, а в некоторых случаях без них просто невозможно обойтись. Управление электродвигателями будет гораздо эффективнее, когда используются модифицированные современные трехфазные инверторные устройства. Они включаются в общую схему с одно- и трехфазными асинхронными двигателями, коллекторными агрегатами, а также с трехфазными двигателями постоянного тока.

Трехфазный инвертор

Для управления разными типами двигателей используются свои режимы, поддерживаемые соответствующим программным обеспечением. Это дает возможность подключать практически любые двигатели в обмотках которых имеется от 1 до 3 фаз. В виде исключения можно отметить конструкцию биполярных двухфазных шаговых двигателей, оборудованных двумя независимыми обмотками.

В состав комплектующих такого инвертора входит основная плата управления, входы и выходы питания, а также интерфейс для ввода необходимых данных и вывода текущих показаний на дисплей или табло. Довольно часто управления осуществляется с помощью компьютера. Подключение инвертора выполняется через специальный разъем, установленный на плате.

В современных инверторах управления предусмотрен демонстрационный режим, при котором поочередно запускается показ основных функций – пуска и остановки, изменения скорости и реверса. Для переключений между функциями предусмотрены 4 кнопки, расположенные на плате.

Разновидности трехфазных инверторов

По своим параметрам, характеристикам и предназначению все виды преобразователей можно условно разделить на несколько групп.

В первую очередь, они могут быть автономными или зависимыми. В первом случае постоянный ток преобразуется в переменный, где частоту определяет система управления, а характеристики выходного напряжения тесно связаны с параметрами нагрузки. Зависимые устройства выдают ток, определяемый частотой местной сети, с постоянными значениями. В автономных приборах возможны плавные изменения напряжения от нуля до наибольшей допустимой величины. Поэтому такие инверторы чаще всего используются в различных схемах.

Существует дополнительная классификация автономных инверторов в соответствии с его схемой, способами принудительной коммутации, параметрами нагрузки и источников питания. Они могут быть автономными инверторами тока – АИТ или напряжения – АИН, а также резонансными – АИР.

В соответствии с количеством токовых коммутаций, трехфазный инвертор бывает одно- или двухступенчатым. В первом случае ток нагрузки сразу поступает к тиристору, включающемуся в работу, а во втором происходит изначальное переключение нагрузки на вспомогательную цепь, и лишь потом она переходит в основную. Если в схеме используются тиристоры, рассчитанные только на одну операцию, в нее могут быть дополнительно включены узлы принудительной коммутации.

Как работает 3-х фазный инвертор

В состав силовой части трехфазного инвертора входят транзисторные ключи с маркировкой от VT1 до VT6 в количестве шести элементов и диоды обратного тока VD1–VD6, также шесть штук. Диоды соединяются в общий мост и подключаются параллельно с источником питания.

Силовая трёхфазная цепь инверторов может быть построена разными способами. При постоянной структуре цепи, подача управляющих сигналов происходит одновременно сразу к трем силовым транзисторам. Таким образом, ее структура остается неизменной. В случае использования переменной структуры, количество транзисторов для подачи управляющих сигналов нередко бывает менее трех.

Продолжительность переключений, выполняемых транзисторными ключами и частота напряжения на выходе, зависит от используемой системы управления. В интервале, включающем в себя один период, переключения на выходе транзисторов анодной и катодной групп может происходить от одного до множества раз.

Конфигурация тока на выходе получается в соответствии с характеристиками нагрузки. Если нагрузка активно-индуктивная, получается форма в виде ломаной кривой, разделенной на четыре части, расположенные на половине периода. Эффект от токовой нагрузки определяется интегрированием наиболее характерных участков токовой кривой. Необходимая форма нагрузки, в том числе и синусоидальная, получается при многократном включении и отключении управляемых вентилей в пределах одного периода.

Регулировка выходного напряжения в инверторе осуществляется при помощи широтно-импульсной модуляции – ШИМ. Сформированная модуляция в виде прямоугольника, получила название широтно-импульсного регулирования – ШИР. Такое регулирование выходного напряжения выполняется за счет изменяющейся продолжительности подключения нагрузки к источнику питания. Данная схема применяется в момент паузы между импульсами, когда происходит запирание двух одинаковых силовых транзисторов.

В случае групповых переключений в нагрузочном напряжении возникает определенная пауза. Это происходит при изменении током своего знака в тот момент, когда два транзистора начинают запираться. Если же ток к этому времени не изменит своего знака или нагрузка окажется слишком продолжительной, то формирования паузы в напряжении на выходе не получится. При использовании ШИР, структура тока и напряжения на выходе в диапазоне малых частот и напряжений, значительно ухудшается. Для того чтобы избежать этого негативного явления, ШИР приходится выполнять на действующих несущих частотах.

Схема подключения

Подключение трехфазного инвертора в качестве примера можно рассмотреть в общей связке с электродвигателем. На представленном ниже рисунке обозначен двигатель М, работающий под управлением ключей V1 – V6. Все полупроводники для более наглядного отображения представлены как обычные механические контакты. Для питания используется постоянное напряжение Ud, поступающее из выпрямителя, не отмеченного на схеме. Ключи 1, 3, 5 относятся к верхним, а три ключа 2, 4, 6 – к нижним.

Верхние и нижние ключи никогда не открываются одновременно, во избежание короткого замыкания. Схема будет нормально работать, когда нижний ключ открывается, а верхний к этому времени уже находится в закрытом состоянии. Для формирования этой паузы используются контроллеры.

Продолжительность паузы должна гарантировать, чтобы силовые транзисторы закрывались своевременно. При недостаточности этого временного промежутка, верхний и нижний ключи могут одновременно открыться на очень короткое время. Это крайне нежелательно и не должно происходить систематически, поскольку выходные транзисторы сильно нагреваются и быстро выйдут из строя. Подобная ситуация известна как сквозные токи.

Существует гальваническая связь между нижними и верхними ключами и с управляющим устройством. Подача сигнала управления выполняется через резисторы непосредственно к составному транзистору, выполняющему функции драйвера нижнего ключа. У верхних ключей отсутствует гальваническая связь с элементом управления и с общим проводником. Поэтому для более эффективного управления к верхнему составному транзистору помимо драйвера дополнительно устанавливается оптрон. Питание верхних ключей производится от отдельных выпрямителей, каждый из которых подключен к собственной обмотке трансформатора.

Различия между одно- и трехфазными инверторами

Существуют принципиальные отличия однофазного от трехфазного инвертора. В основном они связаны с их конструктивными особенностями. Это наглядно видно на примере устройств, используемых с солнечными батареями. Схема однофазного инвертора использует 1 или 2 трекера МРРТ, выполняющих слежение за максимальной отметкой мощности панели.

Далее в цепь включается инвертор, выполняющий преобразование тока и синхронизирующий его с сетью. Электроэнергия, полученная от этого инвертора, поступает непосредственно в сеть. К каждому трекеру подключается своя солнечная панель. При наличии двух трекеров можно подключить на выбор 1 или сразу 2.

Трехфазный инвертор напряжения может иметь в своей схеме от 1 до 4 трекеров, в зависимости от мощности каждого преобразователя. Они также выполняют слежение за точкой максимальной мощности и направляют постоянный ток от солнечной панели к входу инвертора. В свою очередь, преобразователь соединяется с сетевыми фазами и синхронизирует их сдвиг на все 3 фазы.

Таким образом, основное отличие между обоими устройствами заключается в разнице распределения полученной энергии. Распределение электричества трехфазным прибором осуществляется равномерно между всеми фазами. Если же для этой цели используется три однофазных инвертора, то выходная мощность каждого из них будет колебаться в соответствии с мощностью, выдаваемой солнечной панелью.

Читайте также:  Формулы для токов в трехфазной цепи

Довольно часто возникает вопрос, что выгоднее использовать, одно- или трехфазный инвертор? Решение принимается индивидуально, исходя из конкретных условий эксплуатации. Несмотря на 1 корпус вместо 3-х, он может оказаться слишком дорогим, поэтому сравнение нужно делать по тем или иным известным моделям. То же самое касается VHHN-трекеров, количества силовых ключей и других важных компонентов.

Схема подключения трехфазного электродвигателя

Что такое инвертор напряжения

Трехфазное реле напряжения

Подключение трехфазного двигателя к трехфазной сети

Источник



Трехфазный двухуровневый автономный инвертор напряжения

Трехфазный инвертор

В промышленности, особенно при работе в помещениях повышенной категории опасности, электроинструменты обычно питают от трехфазных электросетей 36 В 400 Гц или 42 В 200 Гц. Предлагаемый инвертор позволит пользоваться таким электроинструментом в местах, где имеется только однофазная сеть 36 В 50 Гц. В нем предусмотрено защитное отключение прибора при перегрузке по току. Схема инвертора показана на рис. 4.52. Его выходное напряжение — 3×42 В, частота — 200 Гц.

Мощность нагрузки — не более 400 Вт. КПД при максимальной выходной мощности — не менее 90%. Переменное напряжение однофазной сети поступает на мостовой выпрямитель VD2…VD5. Выпрямленным напряжением 42 В питают собственно инвертор, выполненный по известной «схеме Ларионова» на транзисторах VT2…VT10 с защитными диодами VD6…VD11. Нагрузку, соединенную «треугольником» или «звездой», можно подключать через разделительный трансформатор или без него.

Элементы DD1.,1 и DDI.2 образуют задающий генератор, а микросхемы DD2…DD4 вместе с элементами DDI.3…DDI.5 представляют собой распределитель импульсов, управляющий силовыми ключами. Микросхемы питают через стабилизатор напряжения, состоящий из резистора R1, стабилитрона VD1 и транзистора VT1.

Для защиты инвертора от перегрузки служит подключенный параллельно стабилитрону тринистор VS1. На его управляющий электрод поступает часть пропорционального току нагрузки напряжения, падающего на резисторе R2. Если она превысит порог открывания тринистора, последний «замкнет» стабилитрон и напряжение питания микросхем уменьшится почти до нуля. Задающий генератор и распределитель импульсов прекратят работу, причем все силовые ключи окажутся закрытыми. О срабатывании защиты сигнализирует погасший светодиод HL1. Чтобы вновь запустить инвертор, необходимо нажать на кнопку SB1.

Налаживание устройства следует начинать с установки порога срабатывания защиты. Для этого следует, установив движок подстроечного резистора R3 в крайнее левое (по схеме) положение, разорвать цепь в точке А.

Затем подать на крайние выводы резистора R3 от внешнего источника напряжение 1,2 В (плюс — к правому по схеме выводу), соответствующее падению напряжения на резисторе R2 при протекании через него тока силой 12 А. Медленно вращая движок резистора R3, добиваются срабатывания защиты. После этого внешний источник напряжения отключают и цепь в точке А восстанавливают.

В заключение следует установить подстроечным резистором R5 частоту выходного напряжения инвертора равной 200 Гц. Частота повторения импульсов на выходе элемента D1.2 должна быть в шесть раз больше — 1200 Гц. Транзисторы VT1, VT3, VT4, VT6, VT7, VT9, VT10 необходимо снабдить теплоотводами площадью по 100…200 см2. Следует иметь в виду, что различные экземпляры тринистора КУ101А открываются при напряжении на управляющем электроде от 0,25 до 10 В, поэтому не все из них смогут работать в предлагаемом устройстве. Для более надежной работы устройства рекомендуется увеличить сопротивление резисторов R4, R12, R17 до 2 кОм.

Способ управления трехфазным инвертором напряжения по мостовой схеме Способ управления трехфазным инвертором напряжения по мостовой схеме Способ управления трехфазным инвертором напряжения по мостовой схеме

Отличие от сетевого и гибридного инвертера

Потенциально все описанные функции может выполнять также т.н. гибридный инвертор, который под этим углом зрения допустимо рассматривать как наиболее технически совершенный представитель техники рассматриваемой разновидности.

Его основное отличие – возможность возврата излишков вырабатываемой электроэнергии обратно в сеть.

Практическому применению гибридных инверторов препятствует преимущественно не технические проблемы реализации этой техники, а отсутствие соответствующей правовой базы.

Действующие нормативные документы не предусматривают саму возможность самостоятельной выработки электроэнергии частным лицом и ее продажу энергосбытовой компании.

Прямым следствием такого положения дел становится также отсутствие серийных сертифицированных двухнаправленных счетчиков как оборудования, которое необходимо для выполнения взаимных расчетов после завершения отчетного периода (например, привычный для всех календарный месяц).

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Все про гибридный инвертор – устройство, принцип работы, как выбрать для дома, дачи, бизнеса

С учетом иерархии, представленной на рисунке 1, сетевой инвертор считается на фоне гибридного устройством более низкого класса, который реализует следующий простой двухрежимный алгоритм функционирования:

  • днем при наличии достаточной мощности, отдаваемой солнечной батареей, внутридомовая сеть отключена от электрического ввода и полностью обеспечивается электрической энергией от альтернативного источника;
  • утром, вечером и ночью, а также в пасмурную погоду, когда солнечная батарея не в состоянии обеспечить нормальное функционирование домовых потребителей, инвертор отключается и за счет байпасного переключателя электроснабжение домохозяйства полностью выполняется от сети электросбытовой компании.

Критерии выбора автономных инверторов

При выборе автономного инвертора обратите внимание на несколько главных характеристик. Выделим главные параметры и их особенности.

Количество фаз

При выборе числа фаз учтите следующие моменты:

  1. Если к вашему дому походит трехфазное напряжение (380 В), автономный инвертор также должен быть трехфазным.
  2. В ситуации, когда к автомату подключено только однофазное напряжение (220 В), оборудование должно быть соответствующим.

Номинальная / пиковая мощность на выходе

Оптимально, чтобы номинальная мощность автономного инвертора равнялась сумме нагрузок (потребителей в доме). Для надежности лучше покупать оборудование с запасом и учетом пусковых токов.

Фактор пусковых I характерен для холодильного оборудования, насосов и иной техники с индукционной нагрузкой. В ней токи в момент запуска могут в 7-10 раз превышать номинальный параметр.

Для расчета перемножьте пусковой ток на напряжение в доме и сравните с пиковым параметром мощности (первый показатель должен быть ниже).

Если разработчик не указал пиковый мощностной параметр автономного инвертора, это означает, что номинальный параметр в реальности пиковый.

Форма U вых

Это ключевой параметр, от которого зависит качество работы приемников.

Здесь выделяется три типа:

  1. Чистый синус.
  2. Квази синусоида.
  3. Прямоугольная синусоида.

Во избежание проблем в эксплуатации и повреждения оборудования рекомендуется выбирать автономный инвертор с правильной синусоидой.

Это связано с тем, что индуктивная нагрузка очень чувствительная к форме напряжения. Если на выходе устройства прямоугольная синусоида, основное оборудование не будет работать и может поломаться.

Квази синусоида — некий компромисс между чистой и прямоугольной синусоидой. Большая часть моделей автономных инверторов, представленных на рынке и имеющих такую характеристику, являются качественными. Но нужно быть осторожным, ведь попадаются и малонадежные варианты.

Защита оборудования

Хорошая модель автономного инвертора должна обладать полным набором разного рода защитных характеристик.

Выделим основные виды защит:

  • от перегрева;
  • защита АКБ;
  • от КЗ;
  • от перегруза на выходе.

Если на модели установлен вентилятор для принудительного снижения температуры, уточните у консультанта, функционирует ли он во всех ситуациях или включается только при повышении нагрузки выше определенного значения.

В лучших моделях вентилятор выключается при минимальной нагрузке. Как результат, автономный инвертор издает меньше шума, что важно при его установке в жилом доме.

По параметру КПД можно понять, сколько энергии устройство расходует без пользы. Лучшие представители имеют КПД в диапазоне от 90 до 95%. Если этот параметр меньше 90%, 1/10 часть энергии будет расходоваться впустую, что является недопустимым для солнечных станций.

Собственное потребление

Показатель отображает, какую мощность потребляет оборудование без подключенной к нему нагрузки. Оптимально, если этот параметр составляет не больше 1% от номинальной мощности.

К примеру, если Sном автономного инвертора (номинальная мощность) составляет 3000 Вт, собственное потребление не должно превышать 30 Вт. Если устройство будет постоянно включено в сеть, лучше выбирать модель с низким параметром мощности.

Наличие спящего / дежурного режима

Суть опции состоит в отключении устройства, если оно не используется длительное время и отсутствует нагрузка.

В этом случае собственная мощность опускается до трех-шести Ватт. При этом автономный инвертор находится в режиме постоянного отслеживания тока, чтобы в любой момент включиться на полную мощность.

Но есть особенность. Во избежание трудностей с питанием девайсов, имеющих небольшие нагрузки, нужна опция ручного отключения дежурного / спящего режима. В этом случае владелец сможет сам активировать и деактивировать функцию в случае необходимости.

Если отключение не предусмотрено, возможна ситуация, когда автономный инвертор останется в дежурном режиме при подключении маломощной нагрузки, к примеру, зарядки.

В завершение отметим, что не берите слишком дешевые устройства, ведь их качество может оказаться далеким от идеала. Лучше выбирать модели с учетом производителя, характеристик и других параметров.

Применение конденсаторов и обратных диодов в схемах автономных резонансных инверторов

Определенное увеличение КПД преобразования достигается введением в состав схемы резонансных инверторов различных дополнительных элементов. Чаще всего используют конденсаторы и т.н. обратные диоды.

Конденсатор С1 на рисунке 6 включается параллельно нагрузке при наличии у нее существенной индуктивности. Назначение этого элемента – максимизация параметра cosφ.

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Виды солнечных батарей, рекомендации по выбору

Суть применения т.н. обратных диодов, которые включают встречно-параллельно каждому ключевому элементу, состоит в создании условий для рекуперации энергии, накопленной в реактивных элементах, за счет возврата ее в источник постоянного напряжения.

Любой из обратных диодов заперт в открытом состоянии ключевого элемента и открывается при переходе в запертое, что позволяет “сбросить” энергию реактивных элементов L и С обратно в источник «И».

Виды по способу переключения тока

Отдельно выделенный на схеме рисунка 3 формирователь выходного напряжения 220 или 380 В, который обязательно присутствует в составе любого инвертора, реализуется только по импульсной схеме.

Выгодность такого решения определяется тем, что при нахождении ключевого полупроводникового элемента в полностью открытом и полностью закрытом состоянии за счет минимального напряжения или, соответственно, минимального тока достигается значительное снижение мощности бесполезных потерь энергии.

Все это позволяет нарастить общий КПД устройства до значений свыше 90%, рисунок 4.


Рисунок 4. Мгновенное и среднее КПД инвертора импульсного типа

Фактически основные потери происходят в момент перехода их одного состояния в другое, что определяет наличие дополнительных высоких требований к ключевым элементам устройства и их быстродействия.

Особенность импульсных схем состоит в том, что в отличие от аналоговых, выходное напряжение представляет собой не чистую, а т.н. аппроксимированную синусоиду.

Источник