10.Лабораторная работа №9

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы трехфазных инверторов;

2. Экспериментально исследовать сигналы управления трехфазного

инвертора;

3.Экспериментально исследовать работу силовой части трехфазного

инвертора с асинхронным двигателем в качестве нагрузки;

4. Изучить регулировочную характеристику трехфазного инвертора;

Краткие теоретические сведения [3].

Автономные, или независимые инверторы – это полупроводниковые преобразователи электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока, работающие на сеть переменного тока, не имеющую других источников электрической энергии, кроме рассматриваемого преобразователя. Инверторы напряжения находят широкое применение в электроприводах переменного тока, генераторах ветросиловых установок, источниках бесперебойного питания и т.д. Шкала мощностей трехфазных инверторов находится в пределах от десятков Вт до МВт.

Силовая схема трехфазного инвертора напряжения. Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее простой схемы трехфазного транзисторного инвертора напряжения, схема которого приведена на рис. 10.1.

Рис.10.1 - Схема трехфазного инвертора напряжения

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 инверторах напряжения входная индуктивность L_d отсутствует. Такие инверторы работают при постоянстве мгновенного значения входного напряжения. Для обеспечения этого условия на входе инвертора напряжения устанавливают конденсатор С_ф, допускающий пуль­сации входного тока инвер­тора и обеспечивающий пра­ктически постоянство мгно­венных значений входного напряжения, т.е. U_п=const. Этим условием и определяет­ся общее название класса схем "инверторы напряже­ния".

Благодаря наличию группы вентилей обратного тока и конденсатора С_ф в инверторе напряжения созданы условия свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного тока, что полностью исключает необходимость компенсации реактивной энергии нагрузки конденсаторами, включаемыми в цепь нагрузки, как это реализуется в инверторах тока.

При расчете токов и напряжений силовой схемы следует учитывать особенности работы системы управления инвертора. Эти особенности можно пояснить с помощью рис.10.2, на котором изображены пилообразное (опорное) напряжение u_оп, напряжение управления u_y1 (модулирующее напряжение) транзисторами одной из трех фаз моста, а также функции состояния двух транзисторов 1– ой фазы k_i1 и 1-k_i1.

Рис.10.2 - Опорное напряжение, напряжение управления и сигналы управления, подаваемые на транзисторы одного плеча инвертора в режиме синусоидальной ШИМ

Напряжения управления транзисторами двух других фаз u_y2 и u_y3 на рис. 10.2 не изображены. Однако можно отметить, что в симметричном режиме работы они имеют ту же амплитуду и взаимно сдвинуты по фазе на 120 электрических градусов.

Если напряжения управления синусоидальны и их амплитуда не превышает амплитуду опорного напряжения, то считается, что преобразователь работает в режиме синусоидальной ШИМ без перемодуляции.

В реальных установках, вследствие дискретности микропроцессорных устройств управления, напряжения управления имеют ступенчатую форму с «гладкими» составляющими, близкими по форме к синусоиде. Длительность цикла работы микропроцессорных систем управления Δt_y во многих случаях принимается равной периоду T_оп пилообразного напряжения. В пределах этого периода напряжения управления всех фаз неизменны. Временные диаграммы, приведенные на рис.10.2, построены с учетом этой особенности системы управления.

В моменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов. Существует минимально допустимое время переключения транзисторов, которое несколько сужает активную зону опорного напряжения (участвующую в формировании импульсов управления) на величину Du_оп сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения принять равной 1, то в соответствии с рис. 10.2 активная зона напряжений управления находится в пределах от (–1+Δu_оп) до (1–Δu_оп).

Если напряжение управления какой – либо фазы находится в активной зоне пилообразного напряжения, то в течение периода T_оп в данной фазе происходит одно включение и одно выключение транзистора с соответствующими переключениями токов, одно включение и одно выключение обратного диода, а также одно включение и одно выключение транзистора без тока. Если напряжение управления выходит за пределы активной зоны пилообразного напряжения, то в данной фазе на данном периоде вентили не переключаются, если ток фазы нагрузки не изменяет знак.

При работе в режиме ШИМ «гладкие» составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны напряжениям управления фаз (при условии постоянства напряжения в цепи постоянного тока инвертора).

На рис. 10.3 изображены опорное напряжение u_оп и напряжение управления u_y1 одной фазы при выходе напряжения управления на некоторых отрезках времени за пределы активной зоны опорного напряжения (ограниченной пунктирными линиями). В рассматриваемом случае АИН работает в режиме перемодуляции.

Рис. 10.3 - Опорное напряжение и напряжения управления транзисторами инвертора в режиме перемодуляции

На тех отрезках времени рис. 10.3, на которых напряжения управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения, переключения вентилей управляющими импульсами не производятся. На этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими по границам рабочей зоны на уровне (–1+Δu_оп ) или (1–Δu_оп). При этом, как изображено на рис. 10.3, фактическое напряжение управления u_оy1 приближается по форме к трапеции.

При работе в режиме перемодуляции «гладкие» составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны указанным трапецеидальным (усеченным) напряжениям управления фаз.

При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения управления u_y1 трапецеидальное напряжение u_оy1 приближается к прямоугольной форме. Инвертор переходит в режим работы так называемой фазной коммутации, при которой длительность открытого состояния транзисторов не регулируется.

В режимах перемодуляции и фазной коммутации амплитуда основных гармонических составляющих напряжений управления может быть больше 1. Соответственно в выходных напряжениях инвертора амплитуда основных составляющих превышает амплитуду «гладких» составляющих.

Основные расчетные соотношения трехфазного инвертора напряжения при синусоидальной ШИМ

Действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ

(10.1)

где U_п – среднее значение напряжения на входе инвертора;

μ – коэффициент модуляции.

Пользуясь (10.1) можно определить требуемое значение напряжения постоянного тока на входе инвертора, если задано значение линейного напряжения нагрузки (например, асинхронного двигателя).

(10.3)

где U_{нг.л N} – номинальное значение линейного напряжения нагрузки;

μ_max– максимальное значение коэффициента скважности.

При практических расчетах можно принять μ_max=0,9.

Обратим внимание на то, что при синусоидальной широтно – импульсной модуляции действующее значение выходного напряжения инвертора (U_нг.л) даже при коэффициенте модуляции равном единице меньше того значения выходного напряжения инвертора, которое имеет место быть при управлении инвертора с постоянной длительностью сигнала управления транзистора (λ_и.у=180^о). Действительно,

Среднее значение тока транзистора, I_{vт ср}.

(10.4)

При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока транзистора имеет максимальное значение:

I_{vт ср max}= I_{ф m}(1+μ)/2. (10.5)

Максимальное значение тока коллектора, I_{к max}, по которому его следует выбирать:

(10.6)

где I_ф – действующее значение тока фазы инвертора.

Выбирать диоды обратного тока следует по среднему значению тока, I_{vд ср}:

(10.7)

При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока диода имеет максимальное значение:

I_{vд ср max}= I_{ф m}(1-μ)/2. (10.8)

Максимальное напряжение на транзисторах и диодах обратного тока можно принять равным максимальному значению напряжения, питающего инвертор, т.е.

U_кэ =U_vд =U_{d max}. (10.9)

При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя) возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена по следующей формуле [2]:

(10.10)

где Δt – интервал времени, в течение которого ток цепи постоянного тока i_d направлен от инвертора к источнику;

ΔU_c – допустимое перенапряжение на конденсаторе

Решая уравнение (10.10), получим формулу для расчета величины емкости компенсирующего конденсатора:

(10.11)

где μ– коэффициент модуляции (0< μ<1);

I_{нг m}–амплитудное значение тока нагрузки;

f_нес.– несущая частота ШИМ;

φ_нг(1) – фазовый угол между первыми гармониками напряжения и тока.

Расчетное соотношение (10.11) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы на очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте. Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ всегда меньше чем у инверторов без ШИМ.

Напомним, назначение емкости С₀ – обеспечение свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником питания инвертора. При питании инвертора напряжения от выпрямителя между выпрямителем и инвертором необходимо установить L-C сглаживающий фильтр для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока. При расчете и выборе емкости сглаживающего фильтра величина этой емкости должна быть выбрана не менее того значения, которое определяется формулой (10.11).

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения об инверторах;

2. Исследовать сигналы управления инвертора с помощью осциллографа

(без подключения силовой части);

3. Исследовать работу силовой части трехфазного инвертора с асинхрон-

ным двигателем с короткозамкнутым ротором в качестве нагрузки, исследовать с помощью осциллографа форму кривой тока фазы нагрузки;

4. Снять регулировочную характеристику при пропорциональном управ-

лении;

5.Снять внешнюю характеристику ИН при независимом управлении напряжения и частоты.

6.Оформить отчет по лабораторной работе. Сделать заключение по результатам исследований.

Описание универсального лабораторного стенда [1].

Для проведения необходимых экспериментальных исследований универ-

сальный лабораторный стенд в своем составе имеет трехфазный инвертор.

Трехфазный инвертор представляет собой мост на шести IGBT транзисторах

собранных в одном силовом модуле. Схема силовой части трехфазного инвертора лабораторного стенда приведена на рисунке 10.4.

Инвертор может работать в двух режимах (определяется положением

тумблера SA30):

- независимое управление – величина напряжения и частота задаются

независимо отдельными регуляторами R31 - задание частоты, R32 - задание величины напряжения.

- управление по пропорциональному закону (U-IR)/f=const – частота и

напряжение задаются регулятором R31.

Рис. 10.4 – Схема силовой части трехфазного инвертора напряжения

Управление транзисторами ИН осуществляется микроконтроллером. На микроконтроллер через АЦП поступают два сигнала управления (см. рис.10.5):

- управление величиной выходного напряжения инвертора (резистор R32);

- управление частотой выходного напряжения инвертора (резистор R31).

Кроме импульсов управления транзисторов инвертора микроконтроллер вырабатывает импульсы управления для транзистора VT37. Задача транзистора VT37 заключается в подключении тормозного резистора R33 параллельно конденсатору фильтра С31 для предотвращения перенапряжения на конденсаторе С31 при генераторном режиме работы двигателя.

10.5 – Схема подключения задатчика частоты (R31) в схеме управления ИН

Схема подключения драйвера к силовым транзисторам одного плеча ИН приведена на рис 10.6.

Рис.10.6 - Схема подключения драйвера к силовым транзисторам одного плеча ИН

Как видно из рис.10.4, питание инвертора в лабораторном стенде осуществляется от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель. Пульсации выходного напряжения выпрямителя фильтруется конденсатором С31. Выходное напряжение инвертора подается на обмотку статора асинхронного двигателя. Контакты К1 и К2 предназначены для изменения чередования фаз напряжения, подаваемого на двигатель. Эта операция выполняется при необходимости изменения направления вращения двигателя. Амперметр РА3 измеряет ток фазы двигателя, вольтметр PV3 измеряет величину линейного напряжения, подаваемого на двигатель.

Порядок проведения опытных исследований