Теоретическая справка

Трехфазный автономный инвертор состоит из трех полумостовых схем, подключенных параллельно к источнику постоянного напряжения (рис. 9.1). Приведенная мостовая схема инвертора напряжения является базовой схемой для трехфазных преобразователей переменного/постоянного тока. Нагрузка инвертора включается либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник». Транзисторы с обратными диодами представлены в схеме как ключи S1–S6. В схеме также выделен узел 0, образованный соединением конденсаторов С1 и С2, относительно которого можно рассматривать фазные напряжения ua0, ub0, uc0. Напряжение на каждом из конденсаторов составляет E/2. В сбалансированной трехфазной системе напряжения и токи одинаковы в каждой фазе (отличаются только их начальные фазы) и сумма их значений для двух любых фаз определяет значение напряжения и тока в третьей фазе.

Рис. 9.1. Трехфазный мостовой инвертор

Управление ключами трехфазного мостового инвертора может осуществляться посредством формирования импульсов управления длительностью π или 2 π /3 (управление методами  и -коммутации). При алгоритме 180°-управления каждый транзисторный ключ находится в проводящем состоянии в течение половины периода формируемого выходного напряжения инвертора. При этом одновременно в проводящем состоянии находятся три ключа: один из верхней группы, два – из нижней, или наоборот (рис. 9.1), всего возможно 6 комбинаций. При чередовании этих комбинаций на выходе инвертора формируется последовательность импульсов линейных (междуфазных) напряжений. При 120°-коммутации импульсы управления поступают на транзисторы со сдвигом π /3 относительно друг друга и имеют длительность 2 π /3. В этом случае в каждый момент времени в проводящем состоянии находятся два ключа. При этом форма напряжений изменяется по сравнению со случаем 180°-управления.

Как и в однофазных инверторах в трехфазных схемах можно организовать ШИМ-управление, используя в качестве модулирующих сигналов синусоидальные сигналы, имеющие соответствующий сдвиг фаз, и высокочастотный сигнал треугольной формы в качестве несущего. В процессе модуляции в схеме имеет место восемь комбинаций состояний ключей, указанные в таблице 9.1 (проводящему состоянию соответствует 1, выключенному – 0). Смена комбинаций происходит в зависимости от соотношения текущих значений опорных (модулирующих) и несущего сигналов. Рассмотрим формирование линейных напряжений на выходе инвертора. Линейное напряжение uab будем рассматривать как разность фазных напряжений ua0 и ub0. Напряжения ua0 и ub0 могут принимать следующие значения:

– на интервалах включенного состояния ключа S1 фаза а соединяется с положительной шиной E и ua0 = E/2, а на интервалах включенного состояния S4 фаза а соединяется с шиной –E и ua0 = –E/2;

– на интервалах включенного состояния ключей S3 и S6 напряжение ub0 = E/2 и -E 2 , соответственно.

Из таблицы 9.1 видно, что состояния ключей S1, S3, S5 противоположны

состояниям ключей S4, S6, S2. Условия переключения (рис. 9.2):

             – S1 включен, S4 выключен;

             – S3 включен, S6 выключен;

             – S5 включен, S2 выключен.

                                                                                       Таблица 9.1

Комбинации состояний ключей (транзисторов) мостового инвертора

Таким образом, в течение положительных полупериодов модулирующих сигналов потенциалы фаз a, b, c равны +E/2 при включенных ключах S1, S3, S5, соответственно, а при выключенных S1, S3, S5 =- E /2. В случае одновременной проводимости ключей S1, S3, S5 или S4, S6, S2 потенциалы фаз a, b, c будут равными, что соответствует нулевым значениям всех линейных напряжений.

Амплитуда первой гармоники линейных напряжений инвертора зависит от коэффициента модуляции (0 < M < 1):

                                                                       (9.1)

Рис. 9.2. Формирование напряжений в трехфазном инверторе при синусоидальной ШИМ

В трехфазных инверторах, как и в однофазных, нагрузку полупроводниковых элементов по току можно оценить по средним значениям тока в них на интервале одного периода. Усредненные значения токов транзисторов и диодов будут соответствовать токам фаз. При этом общий ток фазы при активно-индуктивной нагрузке распределяется, например, между транзистором (ключ S1) и обратным диодом. Таким образом, через транзистор S1 ток поступает в нагрузку, а при изменении знака возвращается в источник через соответствующий обратный диод. Момент смены знака тока определяется параметрами нагрузки (R и L), от которых зависит разность фаз между основными гармониками фазных напряжений и токов. Кроме требования к значению выходного напряжения инвертора обычно необходимо обеспечить его синусоидальность. Эта задача решается подключением фильтров на выходе инвертора. Наиболее распространенным является применение пассивных фильтров, состоящих из индуктивных и емкостных элементов. Наиболее простым фильтром является однозвенный Г-образный LC-фильтр. Параметры фильтра рассчитываются из условия обеспечения заданного уровня содержания высших гармоник, т.е. искажения формы выходного напряжения.

Описание стенда

Исследуемый инвертор представляет собой автономный инвертор, питающийся от однофазной сети переменного тока.

Рис. 9.3. Силовая схема преобразователя частоты с автономным инвертором

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого однофазного выпрямителя, промежуточного звена постоянного тока с емкостным фильтром, содержащего тормозной резистор и трехфазного транзисторного инвертора.

Параметры преобразователя:

- частота ШИМ 2…14.5 кГц;

- максимальная мощность 2.2 кВт;

- инвертор позволяет реализовать векторное и скалярное ШИМ управление U / f.

Рис. 9.4. Лицевая сторона преобразователя частоты

Внешний вид панели представлен на рис. 9.5. На панели находятся кнопка включениея, сенсорный дисплей (резистивный) клеммы заземления и клеммы подключения трехфазной нагрузки.

Рис. 9.5. Главное меню дисплея

В меню дисплея возможно выбрать следующие режимы: прямой ход, реверс, остановка, выбор значения частоты вращения плавно, либо в % от базовой (доступны 25%, 50%, 75%, 100%), имеются настройки режимов плавного пуска и остановки (продолжительность пуска/остановки, стартовая частота).

Порядок проведения

1. Подключите преобразователь к двигателю по схеме указанной на рис. 9.3

2. Включите преобразователь нажав кнопку «power» на стенде

3. Нажмите на дисплее кнопку «Fwd» – произойдет запуск двигателя, в верхней части дисплея будет отображаться текущая частота тока в нагрузке и скорость вращения двигателя

4. Установите частоту тока в нагрузке 50 Гц нажав кнопку 100%

5. Снимите осциллограммы тока и напряжения на нагрузке

6. Установите частоту тока в нагрузке 25 Гц нажав кнопку 50%

7. Снимите осциллограммы тока и напряжения на нагрузке

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы трехфазного инвертора напряжения.

2. Что такое ШИМ? Объясните принцип формирования сигналов управления трехфазным инвертором.

3. Каково назначение выходного фильтра инвертора и его основные

характеристики?

4. Объясните полученные в работе осцилограммы при различных режимах работы инвертора.

5. Каковы преимущества и недостатки различных методов управления трехфазным мостовым инвертором?