Автономные инверторы напряжения

Автономный инвертор напряжения(АИН)как преобразователь по­стоянного входного напряжения в переменное выходное напряже­ние отличается от автономного инвертора тока тем, что получает питание от источника напряжения безындуктивного характера.

Входной ток инвертора будет импульсным (со скачком тока), что не допускает присутствия во входном источнике индуктивности. Реальные источники входного напряжения (чаще всего выпрямители), как правило, обладают ин­дуктивностью L (если это не аккумуляторы). Для устранения ее влияния на входе инвертора напряжения включается фильтровый конденсатор С_ф достаточной емкости, что является первой особенностью инвертора напряжения. Через него замыкают­ся, минуя входной источник, импульсы входного тока инвертора.

Вторая особенность инвертора напряжения связана с тем, что входной ток может принимать отрицательные значения при большом сдвиге фазы выходного тока инвертора напряжения. Для этого необходимо наличие двусторонней проводимости у ключей вентильного комплекта инвертора, т.е. ключи должны быть выполнены на вентилях.

Необходимо отметить одну особенность инвертора напряжения при любом алгоритме управления им. Импульсный характер выходного напряжения инвертора при нагрузке его наудаленный потребитель (обычно асинхронный тяговый двигатель) через длинный кабель приводит к тому, что последний ведет себя как «длинная линия», вызывая сложение волн напряжения вследствие эффекта отражения импульсов в длинной линии с распределенны­ми параметрами. Это вызывает ускоренное старение и поврежде­ние изоляции статорных обмоток асинхронных тяговых двигателей. Поэтому вконце линии необходимо включение устройства ограничения на­пряжения, выполненного на базе трехфазной диодной мостовой схемы выпрямления, нагруженной на нелинейное сопротивление (варистор) или конденсатор, шунтированный резистором.

Схемы автономных инверторов разнообразны и различаются, главным образом, способом компенсации реактивной мощности асинхронных тяговых двигателей, которая из-за выпрямителя не может быть передана генератору, и способами коммутации тиристоров. Коммутация, как правило, осуществляется конденсаторами, но схемы включения их могут быть разными. Конденсаторы являются одними из наиболее громоздких элементов инвертора. В связи с весьма жесткими ограничениями по габаритным размерам отсеков на тепловозах, где может быть установлен преобразователь, основное внимание при выборе схемы инвертора обращается на уменьшение установленной мощности конденсаторов. Для этого необходимо, чтобы была обеспечена возможность компенсации реактивной мощности за счет обмена энергии между фазами, а не за счет поглощения ее в конденсаторах фильтра и узлах коммутации.

Самая простая и распространенная схема трехфазного инверто­ра напряжения получается простым объединением по общему ис­точнику входного напряжения трех полумостовых однофазных инверторов, в этом случае при соединении фаз трехфазной нагрузки по схеме «звезда» без нуля или по схеме «треугольник» не тре­буется наличие средней точки у источника входного напряжения.

Рассмотрим принцип работы по упрощенной схеме (рис. 8.6) с одним асинхронным тяговым двигателем и простейшим узлом коммутации. Напряжение тягового синхронного генератора СГ, выпрямленное выпрямителем ВУ и сглаженное емкостным фильтром С_ф, подается к инверторному мосту, с тиристорами VS1 – VS6 которого соединены фазы А, В, С асинхронного тягового двигателя АД. С фазами асинхронного тягового двигателя соединены также диоды VD1 – VD6 обратного моста, через который осуществляется обмен реактивной энергии между фазами при тяговом режиме. Система управления инвертором (МСУ) подает отпирающие импульсы на все тиристоры в определенной последовательности с частотой, определяемой задающим генератором по сигналу от системы автоматического регулирования (на рис. 8.6 не показаны).

Рис. 8.6. Принципиальная схема автономного инвертора напряжения

Длительность отпирающего сигнала для тиристоров может равняться 120°эл., 150°эл., 180°эл., в зависимости от построения системы управления. Подача отпирающего сигнала не означает включения тиристора. Последний включается, когда потенциал анода выше потенциала катода, т.е. зависит от наличия в фазе асинхронного тягового двигателя эдс и ее направления.

В режиме 180-градусного управления сигналы на верхний и нижний транзисторы каждого плеча моста поступают в течение полупериода выходного напряжения с соответствующими фазовы­ми сдвигами для получения трехфазной системы, как показано на первых шести временных диаграммах рис. 8.7.

На следующих трех диаграммах рис. 8.7 изображены кривые фазных напряжений трехфазной нагрузки, на последней диаграмме приве­дена кривая одного линейного напряжения. Шестиступенчатый характер диаграмм фазных напряжений инвертора свидетельствует о шести различных состояниях силовой схемы инвертора, интерва­лы существования которых обозначены цифрами 1 – 6. Шесть схем замещения инвертора, соответствующие этим шести состояниям силовой схемы, показаны на рис. 8.8.

В первом состоянии включены тиристоры VS1, VS4 и VS5. Фазы А и С нагрузки подключены к положительной шине входного источника питания Е, а фаза В нагрузки подключена к отрицательной шине источника Е. При одинаковых сопротивлениях фаз нагрузки на две параллельно соединенные фазы А и С будет приложена в положительном направлении треть напряжения источника, а на последовательно соеди­ненную с ними фазу В – две трети напряжения источника питания отрицательной полярности (минус на конце фазы нагрузки), что отражено соответствующей величиной ступеней фазных напряжений инвертора на первом интервале диаграммы рис. 8.7. Аналогично по схемам замещения определяются величины ступеней в фазных напряжениях инвертора и на всех остальных интервалах. Характерно, что каждое состояние отличается от предыдущего пе­реключением только одной фазы нагрузки в противоположную полярность напряжения. По построенным фазным напряжениям легко определить и межфазное (линейное) напряжение, как это показано для линейно­го напряжения U_ABна последней диаграмме.

Рис. 8.7 Диаграммы фазных напряжений и одного линейного напряжения на выходе автономного инвертора напряжения

Рис. 8.8. Схемы замещения инвертора, соответствующие шести состояниям силовой схемы