9А 9В

ТРл

9С

ik rtj r4j aj

2i2i

2l2i

r) 90

n

Рис. 9.1. Трехфазные инверторы, состоящие из трех однофазных двухтактных ячеек

тематически исключаются третья и кратные трем высшие гармоники, присутствующие в фазном напряжении.

Например, когда фазные напряжения Ua, Ub, Uc имеют форму полного прямоугольника (в схемах на рис. 9.1, а, б), линейные напряжения Uab = Ua-Ub; Ubc = Ub-Uc; Uca = Uc-Ua имеют нулевую паузу 60 эл. град каждого полупериода. При фазном напряжении с нулевой паузой 60 эл. град, что может быть выполнено.

н +н

г- ИОЯд -

Вел

РНс\ИЯс\

А

5 -0 v

С О

Рис. 9.2. Стабилизация фазных и линей-~У ных напряжений в трехфазной системе, состоящей из трех однофазных инверторов

например, в схеме на рис. 9.1, в, линейное напряжение имеет двухступенчатую форму (рис. 8.7, а) с тем же спектральным составом, что и в ранее рассмотренном случае.

Если в фазных напряжениях схемы на рис. 9.1, в сформировать нулевую паузу шириной 30 эл. град, то линейное напряжение будет иметь форму, показанную на рис. 9.1, г, с коэффициентом гармоник А5г=17,7 % и с уменьшением в 3,86 раза 5-й, 7-й и кратных им гармоник.

На выходе инверторов на рис. 9.1 вместо трех однофазных трансформаторов может использоваться один трехфазный.

Если трехфазный инвертор используется в системе централизованного электропитания, где наряду с трехфазными нагрузкам имеются однофазные, то выход инвертора выполняется с нулевым проводом и требования по качеству предъявляются как к линейному, так и к фазному напряжению.

В этом случае формирование (фильтрация) синусоидального напряжения выполняется отдельно в каждой фазовой инверторной ячейке ИЯ, а выходы ячеек соединяются в звезду (рис. 9.2). Также индивидуально осуществляется регулирование (стабилизация) выходного напряжения в каждой фазовой ячейке. Такой принцип агрегатирования позволяет создавать трехфазные системы электропитания, состоящие из унифицированных однофазных инверторов с добавлением блока управления с незначительными габаритными размерами.

При управлении транзисторами инверторных ячеек в таком составном инверторе от расщепителя фаз с неизменным углом сдви-

га 120 эл. град между импульсами, поступающими в смежные ячейки, обеспечивается стабилизация фазных напряжении при любом разбалансе нагрузок по фазам, а стабильность линейных напряжений или углов сдвига фаз между выходными фазными напряжениями не обеспечивается. Это объясняется тем, что угол сдвига фаз между выходным напряжением и напряжением в цепях управления силовыми транзисторами однофазной ячейки зависит от сопротивления нагрузки ячейки из-за падения напряжения на сериесных им-педансах выходного фильтра и силового трансформатора. Поэтому в общем случае для обеспечения стабильности всех шести напряжений трехфазной системы (трех фазных и трех линейных) к регуляторам фазных напряжений РНа, РНв, РНс с измерительными органами напряжения ИОН добавляются два регулятора углов сдвига фаз <pi и суг между векторами фазных напряжении (рис. 9.2,6). Исполнительными органами этих регуляторов являются фа-зосдвигающие устройства (ФСУ) ФСУ1 и ФСУ2, связывающие цепи управления смежных ячеек, а измерительными - балансные выпрямители, выявляющие разность значений смежных линейных напряжений и управляющие через усилители У1 и Уг указанными ФСУ (рис. 9.2, а) [9.1]. Так как требуемый диапазон изменения углов ф1 и 0:2 невелик (обычно не превышает 30 эл. град), ФСУ выполняются с ограничением зоны регулирования угла сдвига во избежание развала системы в переходных процессах при пуске, коммутации нагрузки и других режимах.

Если требования по разбалансу линейных напряжений при несимметричной по фазам нагрузке невысоки, то трехфазный инвертор может быть выполнен не только с жесткими угла.ми сдвига фаз между фазными напряжениями, т. е. с цифровым распределителем импульсов в блоке управления, но и с одним регулятором напряжения, общим для всех трех фаз. Выравнивание фазных напряжений при этом осуществляется, например, с помощью параметрического корректора нулевого потенциала.

В простейшем виде такой корректор выполнен в виде трехфазного трансформатора нулевой последовательности Тро (рис. 9.3, а) [9.2]. Вторичные обмотки фаз этого трансформатора соединены между собой согласно-последовательно и включены между нулевым выводом силовых трансформаторов О' и нулевым выводом системы электропитания О, а первичные обмотки подключены к фазным выводам системы.

Если нагрузка симметрична, фазные напряжения Uai, вь Uci (рис. 9.3, б) равны между собой, напряжение нулевой последовательности на выходе трансформатора Тро равно нулю, т. е. потенциал точки О' равен потенциалу точки 0.

При несимметричной нагрузке (например, при полно.м отключении нагрузки в фазе А) происходит увеличение напряжения в этой фазе на некоторое значение AVa, что приводит к появлению напряжения и (jo\ на выходе Тро (рис. 9.3, в), которое направлено встречно напряжению Uai и компенсирует его увеличение. В результате нулевой потенциал системы (точка 0) смещается относи-

Рис. 9.3. Коррекция нулевого потенциала в трехфазной системе, состоящей из трех однофазных инверторов

тельно нулевого потенциала выхода инвертора (точка О'), а фазные напряжения Ua2, Ub2, Uc2 (рис. 9.3,6) выравниваются.

Вследствие статизма системы коррекции выравнивание не является идеальным - принципиально остается разбаланс напряжений, вызывающий напряжение нулевой последовательности U т'2 (рис. 9.3,г), которое меньше AUa в тро раз, где тро - коэффициент трансформации трансформатора Тро.

Одновременно с работой системы коррекции происходит работа замкнутой системы регулирования среднего выходного напряжения инвертора, т. е. Ucp=0,333 {Ua-\-b +Uc), путем воздействия измерительного органа среднего по трем фазам значения напряжения ИОНср на общий регулятор напряжения РН. В результате в установившемся режиме фазные напряжения Uac, Овз, Ucs (рис.

9.3, д) достаточно хорошо выравнены, но углы между ними несколько отличаются от 120 эл. град, т. е. симметрирование линейных напряжений отсутствует.

На рис. 9.3, е показано выполнение подобного корректора с однофазным трансформатором нулевой последовательности Тро, подключенным к выходу усилителя У, на входе которого включен маломощный резисторнын измеритель составляющей нулевой последовательности выходного напряжения инвертора (резисторы Ra, Rb, Rc, Ro) [9.3]. Работа корректора происходит аналогично рассмотренному выше, но остаточное значение напряжения t/oo2 в данном случае определяется произведением коэффициента трансформации тро и коэффициента усиления по напряжению усилителя ус. Поэтому для упрощения конструкции трансфор.матора коэффициент тро в отличие от коэффициента трансформации схемы на рис. 9.3, а может быть взят существенно меньше единицы. Соответственно в несколько десятков раз уменьшается расчетная мощность, габаритные размеры и масса трансформатора Тро. Например, если разбаланс токов нагрузки и, следовательно, ток в нулевом проводе трехфазной системы составляет 10 % полной мощной, нагрузки (30% мощности фазы), а разбаланс фазных напряжений на выходе инверторных ячеек (относительно точки О') -10 %, что соответствует жесткости внешней характеристики инверторной ячейки примерно 30%, то расчетная мощность трансформатора Тро составляет Ярто.=0,1-0,1 =0,01, т. е. 1 % мощности нагрузки инвертора.

Малая расчетная мощность корректора позволяет выполнить его усилитель линейным (в классе В) и не вносящим фазовых искажений, что принципиально необходимо для правильной работы корректора. При использовании в тракте корректора фильтров высших гармоник они также не должны создавать фазовых искажений. Трехфазный инвертор может иметь лишь один общий регулятор напряжения, поддерживающий стабильным среднее напряжение всех фаз в тех случаях, когда в основном используется трехфазная симметричная нагрузка либо когда инверторные ячейки выполнены с жесткой внешней характеристикой, напри.мер бестрансфор-маторнымн и бесфильтровымн. Таким образом, в зависимости от параметров инверторных ячеек, параметров нагрузки и требований по симметрии фазных и линейных напряжений могут использоваться рассмотренные пять, три, два или один канал стабилизации напряжения.

9.1.2. ТРЕХФАЗНЫЕ ИНВЕРТОРЫ, СОСТОЯЩИЕ ИЗ ДВУХ ОДНОФАЗНЫХ

Трехфазный инвертор может быть выполнен состоящим из двух однофазных инверторных ячеек, выводы питания которых соединены параллельно, а выходы включены по схеме открытого треугольника или по Т-образной схеме.

При включении по схеме открытого треугольника управление инверторными ячейками производится со взаимны.м сдвиго.м фазы

В h

ИОН

+ Bab

PH I Hff, -oo

A 2,

<H=H

0 Ic

Рис. 9.4. Стабилизация линейных напряжений в трехфазной системе, состоящей вз двух однофазных инверторов

120 эл. град, а выходные напряжения ячеек соответствуют линейным напряжениям трехфазной системы (рис. 9.4,а).

Из векторной диаграммы (рис.9.4, б), построенной для активной нагрузки, т.е. для со5фн = 1, следует, что инверторная ячейка ИЯ1 работает с отстающим cos ф1=0,86, а ЯЯ2 с опережающим cos (р2 = =-0,86. При уменьшении совф нагрузки неравномерность по активной мощности ячеек увеличивается, например при cos(pH=0,86 cos ф1 =0,5, а со8ф2=1, т. е. через вторую ячейку проходит вдвое большая активная мощность, чем через первую; при со8фн=0,5вся активная .мощность нагрузки проходит через вторую ячейку, а при меньших со8фн первая ячейка не отдает, а принимает активную мощность, т. е. работает как выпрямитель. Вследствие этого при работе в широком диапазоне изменения созфн установленная суммарная .мощность ячеек превышает мощность нагрузки. Кроме того, в данном инверторе отсутствует нулевой провод. Поэтому при-менени-е подобных инверторов ограничено.

Более совершенна в этом отношении Т-образная схема (схема Скотта). Инверторные ячейки в данной схеме управляются напря-

жением с взаимным сдвигом примерно 90 эл. град (рис. 9.4, в), причем одна из них формирует горизонтальный вектор линейного напряжения Uac, а друга( - вертикальный Um =0,867Uac- Вторичная обмотка трансформатора Тр2 второй ячейки одним концом подключена к отводу от средней точки вторичной обмотки трансформатора Tpi первой ячейки и имеет промежуточный отвод, разделяющий ее на две части с соотношением витков 1 : 2 и образующий нулевой вывод выходной трехфазной системы. Из векторной диаграммы (рис. 9.4, г) следует, что в данной схеме при любом cos фн обе ячейки нагружены одинаково как по полной, так и по активной мощности благодаря тому, что для нагрузки одной половины вторичной обмотки (напряжение Uao О коэффициент мощности отстающий, а для нагрузки другой половины (напряжение Uoc) такой же, но опережающий.

Расчетная мощность трансформатора Тр2 и первичной обмотки трансформатора Tpi равна 0,867 6л/ф, а вторичной обмотки трансформатора Тр\ия1ф (t/л -линейное напряжение, /ф -ток фазы). Поэтому относительная расчетная мощность двух трансформаторов

2Р,р^ = (Р,и + тР2)/5н = (0,867 + 0,5.1,867)/! .73 = 1,04,

т. е. превышает мощность нагрузки только на 4 % В схеме открытого треугольника суммарная расчетная мощность трансформаторов (и ячеек в целом) превышает мощность нагрузки в 2/1,73 = 1,15 раза, т. е. на 15 %.

Стабилизация выходных напряжений в Т-образной схеме осуществляется путем стабилизации линейного напряжения Uac с помощью регулятора напряжения PHi, на который воздействует измерительный орган ИОН ас, стабилизации фазного напряжения и во с помощью регулятора напряжения РН2, на который воздействует измерительный орган ИОНво, и регулирования угла сдвига фаз ф по сигналу, пропорциональному разности боковых линейных напряжений Uab и Ubc (рис. 9.4, в) [9.4]. Во избежание развала системы стабилизации в переходных режимах зона регулирования угла ф должна быть ограничена пределами ±15°.

9.2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ТРЕХФАЗНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

9.2.1. мостовой ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР

Принцип действия мостового трехфазного инвертора (рис. 9.5) рассмотрен в гл. 1. При соединении нагрузки звездой фазное напряжение имеет двухступенчатую форму с амплитудой ступеней Uti/3 и 2UJ3. Действующее значение первой гармоники этого напряжения

Ф1действ = 4(1+ COS 60°) UJn 1/23 = 0,45 . (9.1)

0,3 0,2 0,1

.Г/ Г/ Г^ . Г?-

5) уТ/б

ts/tb

-/Т. к- t

о 0,2 0,4 0,S cos/ г)

Рис. 9.5. Элементарный мостовой трехфазный инвертор

Согласно (1.8) с учетом (9.1) базисное значение тока

йазис = SJn = З^фхдейстЕ н1действ/п = 1.35/н1действ (2)

откуда относительное значение тока нагрузки фазы

ндейств* -н1действ/-базис ~ 0,74. {-Щ

. Если принять, что ток нагрузки синусоидален, то относительное максимальное значение тока каждого транзистора

т.м* ~ н.действ* ~ >048, (9.4)

Т.е. в 1,5 раза меньше, чем в однофазных инверторах (табл. 3.1). Суммарный максимальный ток транзисторов в мостовой схеме

2/,. = 6.1,048 = 2я, (9.5)

что соответствует току однофазного инвертора.

Следовательно, увеличение в 1,5 раза числа плеч транзисторов в трехфазном инверторе по сравнению с числом плеч транзисторов в однофазном приводит к уменьшению также в 1,5 раза тока каждого плеча транзисторов. Поэтому, если используется параллельное соединение однотипных транзисторов в каждом плече, общее число транзисторов в однофазном и трехфазном инверторах одинаково.

Относительное действующее значение тока транзистора /т.действ* и среднее значение тока диода /д* определяются по формулам табл. 3.1, умноженным на 0,666 (вследствие увеличения базисного тока в 1,5 раза).

Потребляемый ток и ток конденсатора трехфазного инвертора существенно отличаются от однофазного, так как каждую Ve часть периода происходит переключение потребляемого тока с транзистора одного полумоста (например, Т\) на транзисторы двух полумостов (Tl и Гз), а. затем на транзистор другого полумоста (Гз) и т. д. (рис. 9.5, б).

Так как токи смежных полумостов сдвинуты по фазе на угол 120 эл. град, их сумма равна каждому из них и сдвинута на 60 эл. град (рис. 9.5, в). Поэтому потребляемый ток имеет пульсацию шестикратной частоты (рис. 9.5,6), форма которой соответствует току нагрузки на интервале углов от л;/3 до 2л;/3.

С учетом (9.2) относительное среднее значение тока

3/н.т

i базис

1* sin ((0 - срн) (0 = cos Фн. (9.6)

Относительное действующее значение тока входного конденсатора по аналогии с (3.18)

/ = 1/ /2 /2 =

Свх у п. действ, пО,

базис л/З

1 sin {(d - Фн) d {(Dt) - cos Фн =

= 1,048 У 0,5 + cos2фн-- cos ф^ . (9.7)

Зависимость тока 1с вх* от cos фн показана на рис. 9.5, г (кривая 1). По сравнению с однофазным инвертором, работающим с

7=1 (рис. 3.3,6), ток входного конденсатора трехфазного инвертора уменьшен в 10 раз при созф11=1 и почти в 4 раза при со5фн = 0.

Ток входного конденсатора составного трехфазного инвертора (см. рис. 9.3) также определяется по (9.7).

В составном трехфазном инверторе, выполненном по схеме Скотта (см. рис. 9.4,0), ток входного конденсатора имеет четырехкратную частоту и форму, соответствуюшую форме тока нагрузки на интервале углов от jt/4 до 3jt/4.

Относительное действующее значение тока входного конденсатора для данной схемы

свх. = 1,11 j/ 0,5 + (1/я)со8 2ф, --jcosh. (9.8)

Если каждая инверторная ячейка составного инвертора по схеме Скотта работает с коэффициентом у = 0,666 (для исключения третьей гармоники и кратной трем), то, использовав аналогичный метод, получим

св.х, = Ь048 У 0,5 + [3 (1/3 + 2)/8я] со52ф^ - (Э/я) cos ф^. (9.9)

Формулам (9.8) и (9.9) соответствуют кривые 2 и 3 иа рис. 9.5, г.

При активно-индуктивной нагрузке в трехфазном мостовом инверторе (рис. 9.5, а) длительность открытого состояния каждого транзистора может быть принята меньшей длительности полупериода (коэффициент у меньше 1), так как на интервале времени, когда ток нагрузки протекает через диод, включенный параллельно с ним транзистор может быть закрыт. При этом форма и значение выходного напряжения не изменяются.

Критическое значение коэффициента мощности нагрузки, до которого сохраняется неизменность формы напряжения при уменьшении у,

cos фкр = sin зх/(у - 0,5).

Например, при у = 0,666 (угол проводимости транзистора 120°) со5фкр = 0,5, т. е. при со5фн>0,5 происходит искажение формы и уменьшение значения выходного напряжения (подробнее - см, [9.5]).

Поэтому метод однократной ШИМ для регулирования напряжения в мостовых трехфазных инверторах не эффективен.

Угол открытого состояния транзистора, меньший 180°, используют в трехфазном инверторе для исключения сквозных токов при переключении транзисторов полумоста, соблюдая при этом условие cos фн<с05 фкр.

Следует также учитывать, что при со5фн<0,5 потребляемый ток in (рис. 9.5, б) изменяет знак и источник питания инвертора должен обладать двухсторонней динамической проводимостью, например, путем выполнения его с входным конденсатором.

Эффективным методом регулирования выходного напряжения в трехфазном мостовом инверторе является метод дополнительной