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.