Узлы принудительной коммутации автономного инвертора напряжения

Общие сведения. Все без исключения автономные инверторы напряжения, нашедшие применение на построенных образцах ЭПС с асинхронными двигателями, выполнены по трехфазной мостовой схеме (см. рис. 5.1). Они различаются только устройствами принудительной коммутации. Для выключения обычного (не запираемого по цепи управления) тиристора необходимо уменьшить его анодный ток до нуля и в течение определенного времени приложить к тиристору обратное напряжение для восстановления запирающих свойств. Время выключения /_выкл указывается в паспортных данных тиристора. Следует иметь в виду, что /_выкл увеличивается, если обратное напряжение Uоср> приложенное к тиристору на интервале выключения, меньше определенного значения. Зависимость /_выкл (?/_обр) обычно приводится в справочных данных.

Для выключения тиристоров АИН необходимо применять узел принудительной коммутации. Такой узел для трехфазного АИН, как правило, состоит из одного или нескольких коммутирующих конденсаторов С_к и реакторов L_K н нескольких (обычно не менее шести) коммутирующих тиристоров 127, 28, 29). Коммутирующий тиристор VK (рис. 5.7, а) периодически подключает предварительно заряженный конденсатор С_к к выключаемому основному тиристору инвертора. При разряде конденсатор за короткий интервал времени уменьшает ток основного тиристора IAS до нуля. Реактор L_K, соединенный последовательно с конденсатором С_к, придает разряду конденсатора колебательный характер и ток конденсатора «с имеет форму полуволны синусоиды с амплитудой /„ (рис. 5.7, б).

Естественно, должно выполняться условие /„>/„ (здесь /„-ток нагрузки, протекающий через основной тиристор в начальный момент выключения /₀). Вследствие кратковременности процесса выключения тиристора ток нагрузки /„ на интервале коммутации остается практически неизменным (/„ = const).

Интервал времени, на котором с помощью узла коммутации к тиристору приложено обратное напряжение, называется схемным временем выключения /_сх- Понятно, ЧТО ДОЛЖНО ВЫПОЛНЯТЬСЯ условие /_сх tfS* S*⁸ *выкл- На интервале от t_r до /₂ ток конденсатора i_c больше тока нагрузки /„и разность токов (t_c - /„) протекает через диод VD (см. рис. 5.7, а). В ряде случаев последовательно с диодом включают элемент Z„ (низкоомиый резистор R₀ или реактор L₀). Если элемент Z„ отсутствует, то на интервале от /_х до t_t (см. рис. 5.7, б) к тиристору приложено обратное напряжение «_оСрх, равное небольшому прямому падению напряжения на диоде (примерно 1 В). При этом /_сх = -/_х).

Если последовательно с диодом включен резистор /?„, то также /сх = (^1 - /*), но обратное напряжение и_обр2 значительно больше. Если последовательно с диодом включен реактор Ь₀, то напряжение на нем, равное изменяет знак в середине интервала (/₂-

-/_х) и потому /_сх = ((₂ - /_х)/2, т. е. схемное время уменьшается в 2 раза (см. диаграмму ы_обр3).

Перейдем к рассмотрению вариантов выполнения узлов принудительной коммутации АИН, нашедших применение иа ЭПС с асинхронными двигателями.

На рис. 5.8 представлены три схемы АИН. В инверторе электровоза ВЛ80® (рис. 5.8, а) используется общий для трех фаз коммутирующий конденсатор С„ и реактор Ь_к. Рабочая частота конденсатора трехкратна по отношению к частоте выходного напряжения инвертора /_х. Подключение конденсатора С_к к основным тиристорам УЭ1 - УЭ6 осуществляется с помощью восьми коммутирующих тиристоров УК7 - УК 14, причем тиристоры УК.7 - У К12 включаются 1 раз, а тиристоры УК13 и УК14 - 3 раза за период выходного напряжения. В данном инверторе регулирование напряжения производится амплитудным способом путем изменения входного напряжения 11_а. Поэтому для обеспечения надежной коммутации при малых значениях 1/_а используется подзаряд конденсатора С„ от зарядного источника и_я с помощью тиристоров У815 - У518. Потребляемая от источника и_з мощность невелика, так как она компенсирует относительно небольшие потери в контуре коммутации.

Рис. 5.8. Схемы инверторов электровозов ВЛ80» (а), Е-120 (б) н ВЛ86* (в)

В инверторе электровоза Е-120 производства ФРГ (рис. 5.8,6) каждая фаза снабжена отдельным узлом коммутации, в который входят конденсатор С„, реактор и два коммутирующих тиристора (например, УК7 и УК8 для фазы А). Общая точка трех коммутирующих конденсаторов подключена к средней точке двух фильтровых конденсаторов Сф1 и Сф2. Регулирование напряжения осуществляется внутренними средствами инвертора - методом широтно-импульсной модуляции. Входное напряжение II_а является неизменным, и устройств подзаряда коммутирующих конденсаторов не требуется.

В инверторе советско-финского электровоза ВЛ86* (рис. 5.8, в) для каждой фазы используются два коммутирующих тиристора (например. УК7 и УК8 для фазы А). Для выключения основных тиристоров плюсовой группы применен коммутирующий конденсатор С_К1 и реактор Ь_к1. Выключение тиристоров минусовой группы производится с помощью конденсатора С_к2 реактора /,_к2.

Интервалы процесса коммутации. Анализ процесса коммутации автономного инвертора напряжения выполним вначале для схемы рис. 5.8, а. Рассмотрим процесс выключения тиристора УЗ/, который начинается в момент /„ при включении коммутирующих тиристоров УК7 и УК13. Конденсатор С_к предварительно заряжен до напряжения (/со с указанной полярностью. Ток нагрузки фазы А за время коммутации считаем неизменным, и потому в схемах замещения (рис. 5.9, а -д) нагрузка представлена в виде источника тока /„.

Электромагнитные процессы в узле коммутации инвертора по схеме рис. 5.8, а в общем случае можно разбить на шесть отдельных интервалов, схемы замещения для которых показаны на рис. 5.9, а - е [26, 29). Потери мощности в контуре коммутации учтены путем введения резистора /?_к. Сопротивление резистора /?_к определяется суммарным сопротивлением, в которое входят динамические сопротивления тиристоров, активное сопротивление обмотки реактора Ё_к и соединительных проводов.

На первом интервале коммутации (см. рис. 5.9, а) от момента /„ до момента происходит уменьшение тока в основном тиристоре У5/. В момент времени /_ь когда ток коммутирующего конденсатора достигнет значения /_н, первый интервал заканчивается.

На втором интервале (см. рис. 5.9, б) ток конденсатора превышает ток нагрузки и часть тока конденсатора, равная («с - 1 _н). замыкается через диод Уй1. Данный интервал коммутации является определяющим в отношении условий выключения основных тиристоров инвертора. Разность (/₂ - /_х) равна времени /_с*. предоставляемому схемой для выключения основных тиристоров.

Напряжение на конденсаторе в течение второго интервала изменяет полярность и в момент времени /₂, когда вновь выполняется равенство /с = /_н» имеет некоторое значение и а- В зависимости от соотношения (по абсолютной величине) напряжений 1!с% и иа, а также в зависимости от момента поступления управляющего импульса на тиристор минусовой группы У32 дальнейшее протекание процесса перезаряда конденсатора С„ может происходить тремя различными путями.

Рис. 5.9. Схемы замещения (а-е) и соответствующие диаграммы для процесса коммутации (ж)

В первом случае, если |СУс*| < \0_а\ н сигнал управления на тиристор ^2 не подан, имеет место третий интервал коммутации (см. рис. 5.9, в), в течение которого ток конденсатора неизменен и равен току нагрузки іс = /_н, а напряжение ис во времени линейно возрастает. Третий интервал заканчивается в момент /₃ при выполнении равенства |1/с8І = \Ud\- На диаграммах рис. 5.9, ж кривые токов и напряжения для третьего интервала показаны штриховыми линиями.

Если в момент окончания второго интервала на тиристор УЭ2 поступает управляющий сигнал и выполняется неравенство |?/с2І< <| ?4 |, то создается контур перезаряда конденсатора по схеме рис. 5.9, г. Данный интервал коммутации назовем интервалом 111'. Режимы работы инвертора, при которых имеют место третий интервал и интервал 111', будут рассмотрены ниже.

В случае если |?/с*| 5*1 ?41, в момент времени вступает в работу диод Уй2 и непосредственно за вторым начинается четвертый интервал коммутации, схема замещения для которого дана на рис. 5.9, д, а диаграммы процесса изображены на рис. 5.9, ж сплошными линиями.

На интервалах третьем, III' и четвертом в отличие от первых двух интервалов в контур перезаряда конденсатора С„ входит источник напряжения и_л. Четвертый интервал заканчивается в момент времени /₄ при уменьшении тока іс до нуля. Напряжение на конденсаторе достигает при этом значения Оса. Если же в процессе коммутации имеют место интервалы третий и III', то четвертый интервал начинается в момент времени /₈ при выполнении равенства |?/сз1 = |?41 и заканчивается в момент Їа- Для удобства построения на диаграммах рис. 5.9,ж напряжение IIс4 принято равным ііса-

В момент времени /₅ поступают импульсы управления на зарядные тиристоры У815, У816, ив том случае,если |?/с4І< |?/₃|, данные тиристоры включаются, и наступает пятый интервал, во время которого конденсатор подзаряжается от зарядного источника ?/₃ (см. рис. 5.9, е). Процесс подзаряда заканчивается в момент времени при снижении тока і'с до нуля, и схема оказывается подготовленной к коммутации основных тиристоров минусовой группы. Следует отметить, что в установившемся режиме работы инвертора выполняется равенство |?/сб| = |С/с.|. В случае если \іі_Са\ > |?/₃1. подзаряда конденсатора от источника ?/₃ не происходит, и для установившегося режима работа инвертора справедливо равенство \0са\ - |?/со1*

Уравнения переходных процессов перезаряда коммутирующего конденсатора имеют следующий вид: для первого и второго интервалов

для третьего интервала:

для четвертого интервала (при наличии третьего интервала)

или, если третий интервал не имеет места, для интервала ///'

Решение уравнений (5.9) - (5.13) не представляет особых трудностей в том случае, если заранее заданы параметры контура коммутации С_к, Я _н, напряжения II_л, и_а и ток нагрузки /„. Для установив

шегося режима работы инвертора расчет заканчивается при выполнении равенства |{/_Сб1 = \Ucol или 1СУ_С41 = |^со1-

Если же поставлена задача проанализировать влияние на протекание процесса коммутации значений напряжений С/_а, и_а, тока нагрузки /„ и параметров элементов узла коммутации С„, 1*_к, /?_н, которые могут изменяться в широких пределах, то решение уравнений (5.9)- (5.13) оказывается весьма трудоемкой задачей и требует использования ЭВМ.

Однако можно воспользоваться графическим изображением процесса перезаряда коммутирующего конденсатора на фазовой плоскости. Такой метод, предложенный проф. Т.А. Глазенко [261, позволяет получить наглядное представление о протекании переходного процесса без решения дифференциальных уравнений в конечном виде. На фазовой плоскости по оси абсцисс (рис. 5.10) откладывают мгновенные значения (в относительных величинах) напряжения на конденсаторе «с, а по оси ординат - производную напряжения во времени, т. е. в определенном масштабе ток коммутирующего конденсатора (?.

Учтем, что контур С„ - 1*_к - /?„ характеризуется следующими величинами:

волновым (характеристическим) сопротивлением

для пятого интервала

приведенным коэффициентом затухания

D=R_K/(2p) = R_K У С_к /(2 У). (5.15)

Затетнм, что коэффициент затухания D связан с добротностью контура q = p/R_K соотношением D = 1/(2q).

Введем также относительную назависимую переменную - угол поворота 6 изображающей точки на фазовой плоскости относительно фокуса фазовой траектории, причем

0 = <о_о/. (5.16)

За базовое напряжение II _б принимаем максимальное напряжение источника питания, т. е. II₆ = и,1_тл1, за базовый ток - амплитудное значение тока коммутирующего конденсатора для случая, когда напряжение на конденсаторе 11с₀ равно базовому напряжению Оашах и сопротивление /?„ = 0. Поэтому базовый ток /_б = и_Лтл*1р. Введем относительные переменные X и У, определяемые следующими выражениями:

Рнс. 5.10. Фазовая траектория процесса перезаряда конденсатора

где Л1 - множество фиксированных значений в области от -оо до -|-оо.

Изоклины проводят через фокусы фазовых траекторий, т. е. через точки 0, ±1)% и ±11%. При построении фазовой траектории следует иметь в виду, что в точке пересечения фазовой траектории с изоклиной, проведенной для того или иного значения N, производная (1У!<1Х и, следовательно, тангенс угла между касательной к фазовой траектории и осью абсцисс равны N. В частности, в точке пересечения фазовой траектории с изоклиной № = 0 производная <1У1<1Х - 0, и потому в этой точке значение У (следовательно, и тока /_с) максимальное.

Следует иметь в виду, что согласно уравнению (5.19) при N = О X = -2 О У, и потому угол между изоклиной N=0 и осью ординат возрастает при увеличении коэффициента затухания.

Для первого и второго интервалов коммутации фокус фазовой траектории находится в точке 0, для четвертого интервала и интервала ///' - в точках ±6/5, а для пятого интервала - в точках ± Щ. Фазовая траектория процесса перезаряда коммутирующего конденсатора (за исключением третьего интервала, где У = Г„) состоит из отрезков логарифмических спиралей. На рис. 5.10 отрезки фазовой тректории соответствуют следующим интервалам коммутации: АВ - первому, ВС - второму, СО - третьему, ОЕ - четвертому, Я/⁷ - пятому.

Фазовую траекторию можно наблюдать на электронном осциллографе, если горизонтальную развертку выполнять по напряжению Ис, а на отклоняющую систему (по вертикали) подать ток іс.

При использовании метода фазовой плоскости целесообразно воспользоваться тем обстоятельством, что для реальных небольших коэффициентов затухания отрезки логарифмических спиралей могут быть без заметных погрешностей заменены дугами окружностей (при выборе равных масштабов для базовых значений (/_б и /_б).

На рис. 5.11 приведена зависимость (/сц/(/со ^в функции коэффициента затухания, полученная путем построения логарифмических спиралей при нескольких значениях О для процесса свободного перезаряда конденсатора, причем (/со - начальное напряжение на конденсаторе, а і!ск - напряжение на конденсаторе в конце одного полу-периода резонансной частоты контура. Отношение (/₃„/(/со представляет собой декремент затухания контура за один полупериод резонансной частоты Очевидно, радиус заменяющей логарифмическую спираль окружности

Поясним порядок построения фазовой траектории перезаряда коммутирующего конденсатора с помощью заменяющих окружностей. Рассмотрим часто встречающийся режим, когда за вторым интервалом непосредственно следует четвертый интервал коммутации, подзаряд от источника (/₃ отсутствует и в установившемся режиме выполняется равенство |(/_Со| = |(/сч|. Ограничимся построением фазовой траектории в верхней полуплоскости, т. е. при У > 0 (рис. 5.12). По осям X и

У выбираем равные масштабы для базовых значений напряжения (1 б н тока I б, причем в относительных величинах (/5 = /5 = 1-Задаемся фиксированными значениями напряжения 1/} < 1 и тока нагрузки /!<1 н наносим их иа оси ли У. Задаемся также фиксированным значением коэффициента затухания О и по рис. 5.11 находим значение <1* = и_Ск/и_Со.

На оси X выбираем некоторое начальное (отрицательное) значение и со, которое по модулю больше! (см. рис. 5.12). По приведенным выше выражениям находим радиус и расстояние до центра (от

Рис. 5.11. Зависимости 1/ск/(/со и 6г от коэффициента затухания О

точки 0) для окружности, соответствующей фазовой траектории на первых двух интервалах коммутации: = 0,5 С/с₀ (1 + ^₃), ^ -

= 0,5 и со (1 -<к). Окружность проводим до ее пересечения в точке С с горизонталью У = Г_н.

Для четвертого интервала коммутации фокус траектории находится в точке иI. На оси X наносим значение 1/с* = |(/со1- Чтобы использовать приведенные выше формулы, обозначим через иск величину Vc* - (/* = \ии\ - VI И для окружности, соответствующей фазовой траектории на четвертом интервале, получим /?₂ = 0,5 (|(/с₀| - - VI) (1 + 1/<у, о«* = - 0,5 (|6/соI - V}) (1 - \Щ. Окружность проводим из точки (/?¦ до пересечения в точке С\ с горизонталью У = /Ц. Если точки С и С, не совпадают, то построение окружностей следует откорректировать, изменив исходную величину Ос» (если точка С, лежит левее точки С, то напряжение |(/с₀| следует* уменьшить, если же точка Сх лежит правее, то это напряжение следует увеличить). Для сокращения времени целесообразно зависимости /? и а_ц от иЬщ представить графически и использовать их для нахождения

и Од при изменении напряжения (/со-

Центральные углы 6, измеренные относительно центров заменяющих окружностей, в определенном масштабе равны времени протекания того или иного интервала. Переход от углов 6, выраженных в радианах, к временным интервалам осуществляется по формуле (5.16), т. е. 1 = 0/(о_о. Для рассматриваемого инвертора особый интерес представляет угол 0,, соответствующий времени приложения обратного напряжения к основным тиристорам на втором интервале коммутации инвертора. Если фазовая траектория построена в виде отрезков логарифмических спиралей, то центр, относительно которого отсчитывается угол 0, определяется путем проведения нормали к оси абсцисс из точки пересечения траектории с изоклиной N = 0.

Отметим также, что при испытаниях действующей преобразовательной установки отношение Vc_к/Vco измеряется простым способом, а значения С_к И обычно известны с высокой точностью. Поэтому с по

мощью зависимостей, представленных на рис. 5.11, и соотношения

(5.15) можно определить й и достаточно точно рассчитать сопротивление контура /?„ для преобразовательной установки конкретного конструктивного исполнения.

Устранение третьего интервала коммутации. Длительность третьего интервала коммутации определяется выражением 1 = С_к (?/<*- -11сг)Ин и может быть чрезмерной при малых токах нагрузки. В результате полное время коммутации существенно увеличивается и, если не принять специальных мер, происходит снижение диапазона регулирования выходной частоты инвертора при малых нагрузках. Устранить третий интервал коммутации можно путем увеличения напряжения и_Со, ^что требует повышения напряжения зарядного источника 1/_а. Однако целесообразнее использовать более простой способ - применение задержки включения тиристоров на время /_г. Для определенного тока нагрузки /Ц находим угол 0_Г (рис. 5.13, а), который согласно выражению (5.18) соответствует интервалу времени /_г. Если с задержкой /_г после начала процесса выключения тиристора УЭ1 будет подан управляющий импульс на тиристор К52 и выполняется условие для возникновения третьего интервала коммутации (т. е. Ьс, < Ц/), то создается контур перезаряда конденсатора согласно схеме замещения (см. рис. 5.9, г) и наступает интервал коммутации III'. Поскольку тиристор У52 включен по отношению к источнику С/а в прямом направлении (в отличие от диода У02), то ток коммутирующего конденсатора имеет возможность возрасти сверх значения I „. В точке О фазовой траектории (см. рис. 5.13, а) при уменьшении тока /с до значения II интервал III' заканчивается, включается диод Уй2 и наступает четвертый интервал коммутации. Нетрудно видеть, что в случае поступления управляющего импульса на тиристор 1/52 в момент окончания второго интервала (т. е. по истечении времени /_г после начала выключения тиристора УЭ!) суммарное время последних стадий коммутации, соответствующее углу 0„, не может превзойти одного полупериода резонансной частоты контура даже при минимальном токе нагрузки (при /_н-*-0). На рис. 5.11 представлены значения углов 0_Г для различных коэффициентов затухания й,

Рис. 5.13. Фазовые траектории с учетом интервала коммутации ИГ (в) и для

определения 1/$ о (б)

Рис. 5.14. Зависимости Кв ф) и (У'о ф) (а) и 42 (I») (6)

найденные из условий, что при изменении тока нагрузки в диапазоне О < /Ц < 0,6 третий интервал коммутации исключается.

Изменение коммутационной способности инвертора при регулировании входного напряжения и тока нагрузки. Условия работы автономного инвертора, питающего АТД, характеризуются весьма широким диапазоном регулирования напряжения и тока нагрузки. В процессе пуска и разгона поезда напряжение на входе автономного инвертора с амплитудным регулированием изменяется от нуля до максимального значения ^а ток нагрузки в момент коммутации дости

гает значения /„шах- При глубоком регулировании напряжения необходимая коммутационная способность инвертора при малых значениях 11 _л обеспечивается вследствие подзаряда конденсатора С„ от зарядного источника 1!_л.

Очевидно, относительное напряжение зарядного источника и\ следует выбирать таким, чтобы напряжение на конденсаторе оставалось неизменным в двух граничных режимах: в начальной стадии пуска с максимальным током нагрузки, т. е. при На « 0, 11 = /н_тах> в завершающей стадии пуска с максимальным током нагрузки, т. е.

При и а = V & щах ⁼ 1 > I н - шах-

Рассчитанные из этих условий (при /5_тах ⁼ 0.6) значения относительного напряжения зарядного источника Щ ₀ для различных коэффициентов затухания ?) представлены на рнс. 5.14, а, а поясняющие фазовые траектории процессов коммутации и подзаряда приведены иа рис. 5.13, б.

Хотя в двух указанных граничных режимах напряжение (/со °С‘ тается одинаковым, тем не менее в процессе регулирования входного напряжения и тока нагрузки коммутационная способность инвертора изменяется. Нетрудно заметить, что при изменении и а и /_н напряжение на конденсаторе в конце четвертого интервала (/?< может изменяться от наименьшего значения (/_{*₄ (при и а = 0) до наибольшего

значения 1/со (при Щ = 1 /Л = К шах)- Если в процессе регулирования напряжения и тока нагрузки достигается условие \и*с₄\ = |1Ло1. интервал подзаряда конденсатора от источника ?/₃ не может иметь места, поскольку к зарядным тиристорам в момент поступления управляющих импульсов не приложено положительного напряжения в прямом направлении. Расчетные значения и’а и Г», при которых выполняется равенство \и'сЛ = Іі/зоI, представлены на рис. 5.14, б.

Поскольку |ІУзо|< \Ucol коммутационная способность инвертора несколько снижается. Под коммутационной способностью здесь понимаем время приложения обратного напряжения к выключаемому тиристору, т. е. время второго интервала коммутации. В случае \Uct\-- |(/;₀| и /„ = 1 ктах центральный угол 0, становится наименьшим. Степень снижения коммутационной способности инвертора, выраженная через коэффициент Кв и равная отношению углов 0, в двух режимах - при \и'_С4\ = |(/?о| и \0с₄\ = \Ucol - поясняется рис. 5.14, а. Хотя с повышением коэффициента затухания контура происходит более заметное снижение коммутационной способности инвертора, оно не очень значительно (при ?) = 0,2 не превышает 10-15 %).

Влияние коэффициента затухания контура на установленную мощность коммутирующего конденсатора. Проведенный выше анализ показывает большое влияние на протекание процесса коммутации в автономном инверторе напряжения исследуемого типа коэффициента затухания контура ?). Рассмотрим влияние коэффициента на мощность коммутирующего конденсатора С„ и определим параметры контура, при которых мощность конденсатора и, следовательно, его объем и масса минимальны. Вначале рассматриваем узел коммутации без устройств ограничения напряжения на конденсаторе С„.

Как следует из диаграммы рис. 5.15, а, за время коммутации /„ конденсатор С„ перезаряжается и напряжение на нем в установившемся режиме изменяется на величину 2 1!с о- Для упрощения примем, что процесс перезаряда конденсатора полностью заканчивается за один полупериод резонансной частоты контура, т. е. (о₀/_к - ^п-

В рассматриваемом инверторе условия для выключения тиристора обеспечиваются на втором интервале, иа котором ток конденсатора х'с превышает ток нагрузки /„. Длительность этого интервала равна схемному времени /_сх и должна выбираться в соответствии с паспортным временем выключения тиристора /_вынл-

Перейдя к угловым единицам, выраженным через резонансную частоту контура о>₀, согласно уравнению (5.16) получаем

Рис. 5.15. Диаграмма тока и напряжения конденсатора (а) н зависимость

и^₀(Ка) (б)

Рассмотрим условную мощность конденсатора:

Qc~⁼ ^с/^сх “ Усо Си^/(2*сх) • (5.22)

Объем и масса силовых конденсаторов при относительно высоких рабочих напряжениях пропорциональны произведению и²С. Поэтому величина (?с при заданном времени /_сх характеризует массу и объем коммутирующего конденсатора. С учетом уравнения (5.21) выражение (5.22) принимает вид

Qc^^ubof(W*)- (5 23)

Определим условия, при которых условная мощность конденсатора Qc минимальна. Если пренебречь активными потерями в контуре коммутации и считать напряжение Uco заданным, не зависящим от параметров контура, то выражение (5.23) можно записать в виде

Q_c - U_co /„1 (20_t) = t/_co /_н1 (2/С„ 0.), (5.24)

где /„ = U_colр - амплитудное значение тока конденсатора.

Коэффициент К_а равен отношению токов /„ и /₀ и определяется (см. рис. 5.15, а) выражением К_а = IJl_a = sin )• Поэтому выражение (5.24) можно записать в виде

Qc⁼ У со ^ sin ^ - jj. (5.25)

Если напряжение на конденсаторе Uco - заданная величина, не зависящая от коэффициента К_а (т. е. не зависящая от угла 0₂), то при исследовании на экстремум путем дифференцирования выражения (5.25) по 0₂ можно определить, что мощность Q_c минимальна при 0₂=^ = 1,7. Коэффициент К_а соответственно равен 0,66, т. е. параметры контура следует выбирать из условия, чтобы амплитудное значение тока конденсатора в 1,5 раза превышало ток нагрузки /_н:

I а~ 1_Н/Ка ⁼ I .5/„.

В действительности, если не предусмотрено устройств стабилизации, в рассматриваемом инверторе напряжение Uco является сложной функцией, зависящей как от коэффициента К_а (т. е. от угла 0₂), так и от коэффициента затухания контура D. Поэтому соотношение /_а = = 1,5 /„ не соответствует минимуму мощности конденсатора Qc, что было отмечено в исследованиях, выполненных канд. техн. наук Ю. И. Комаровым.

При проектировании инвертора заданными величинами, как правило, являются: максимальный ток нагрузки во время коммутации /_Нтах> максимальное напряжение на входе инвертора U_dmах. необходимое схемное время выключения /_сх. Активное сопротивление контура /?„ на стадии проектирования инвертора может быть задано приближенно из-за сложности учета динамических сопротивлений тиристоров и активного сопротивления монтажных соединений и реактора L_K при импульсных токах коммутации. Поэтому следует выполнять расчеты для различных значений коэффициента затухания D.

Расчеты проводим в относительных единицах. Базовые значения напряжения и тока, как отмечалось ранее, 1/ц = U_dmax, 1₀ = (/_б/р-За базовую мощность принимаем условную мощность нагрузки при коммутации Р₀ = U_dmaxI _итях. Умножив и поделив на U_dmax выражение (5.23), с учетом соотношения /_б = U_dmax/p получаем Qc = = ^co/e/(20₂^dmax)- Учтя, что Р_б = U_dmaxI _итах, выражение для относительной мощности коммутирующего конденсатора запишем в виде Qc = Qc/Po = t/со/(26,/;).

Для определения условий, при которых мощность Qc минимальна, необходимо найти зависимости напряжения Uco ^и угла 0₂ от относительного тока нагрузки для различных коэффициентов затухания контура. Расчеты выполнены на фазовой плоскости при условии U_d= = U_dmax, Т. Є. При U_d = 1.

Зависимость напряжения Uq₀ ^в функции коэффициента К_а (рис. 5.15, б) показывает, что напряжение на коммутирующем конденсаторе при уменьшении коэффициента затухания существенно возрастает. Интересно отметить, что при К_а = 0,66 для коэффициентов затухания D <Z 0,1 напряжение на конденсаторе более чем в 2 раза превышает напряжение источника питания U_dтаж. Такое чрезмерное повышение напряжения U_Со крайне нежелательно с точки зрения режима работы тиристоров, используемых в цепях коммутации и подзаряда.

Характерные зависимости К_а, 0₂, Uco, Qc от относительного тока нагрузки /и для коэффициента затухания/) = 0,1 даны на рис. 5.16, а. Нетрудно видеть, что имеется оптимальное значение тока /„*_ОПт, при котором относительная мощность коммутирующего конденсатора минимальна для заданного коэффициента затухания и равна Qc min-В свою очередь Qc min изменяется в зависимости от коэффициента затухания (рис. 5.16, б). Данная зависимость показывает, что относи-

Рис. 5.16. Зависимости /С«, 01, и со, Ос от относительного тока нагрузки 1 н (а) и от коэффициента затухания й (б)

тельная мощность коммутирующего конденсатора минимальна и практически неизменна при 0,1 <? <0,2. Оптимальное значение коэффициента К_а возрастает с увеличением О, но оно значительно меньше 0,66.

Разумеется, увеличение коэффициента затухания влечет за собой возрастание потерь в контуре коммутации и вызывает некоторое снижение КПД инвертора. Одиако в случаях когда коммутационные потери составляют незначительную часть от суммарных потерь в системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», влиянием коэффициента затухания контура коммутации иа общий КПД системы электропривода допустимо пренебречь, приняв за критерий оптимальности минимум массы и объема коммутирующего конденсатора. Следует также иметь в виду, что напряжение иа коммутирующем конденсаторе и со определяет режим работы тиристоров, входящих в цепи коммутации и подзаряда, их класс по напряжению и число последовательно соединенных полупроводниковых приборов. При возрастании коэффициента затухания напряжение 1/со снижается.

На основании изложенных соображений для инвертора, в котором нет устройств стабилизации напряжения и_Со, можно рекомендовать как оптимальное значение коэффициента затухания контура коммутации 0_опт = 0,15. При этом согласно зависимостям, представленным иа рис. 5.15, б. получаем: /;_опт= 0,58, в_1опт = 2,1, 1)Ъо = 1,47, К_аопт = 0,49. Для заданных значений и_{л тах}, /„та*. /_Сх при проектировании инверторной установки параметры узла коммутации, соответствующие условию Ь - 0,15, находим следующим образом. Определяем последовательно:

базовый ток контура

1<Ь - тах/^н опт~ тах/0.58;

волновое сопротивление контура с учетом уравнения (5.18)

Ропт ~и<1 щах/1 б = 0.58/?кн>

где /?_нк = и а тах^ тах - условное сопротивление нагрузки во время коммутации инвертора;

емкость коммутирующего конденсатора с учетом уравнения (5.21) ^н⁼ *сх/(Ропт 0*опт) ⁼ 0,82/_сх/(5.26)

индуктивность коммутирующего реактора с учетом уравнения (5.14)

^•к ⁼ Р*пт С_н = 0,276/_сх Яда»;

активное сопротивление контура из уравнения (5.15)

«Н 20₀п! Ропт - 0» 175/?цц.

Ранее отмечалось, что в ряде случаев целесообразно для увеличения обратного напряжения, прикладываемого к выключаемому тиристору, ввести в цепь обратных диодов резистор /?₀ (см. рис. 5.7). При этом

значение R_K является исходным для выбора сопротивления резистора R₀. Далее согласно рис. 5.16, б находим:

напряжение на коммутирующем конденсаторе

U С0~^С0 Ud mai ⁼ I >471Ы щах>

амплитудное значение тока конденсатора

ta = 7н тях/Ка опт= /н тах/®>49. (5.27)

Следует рассмотреть возможность дальнейшего уменьшения напряжения О_со и мощности коммутирующего конденсатора. Превышение напряжения U_cо над входным напряжением инвертора U_dmax обусловлено передачей конденсатору С„ той электромагнитной энергии, которая была накоплена реактором L_K в конце второго интервала коммутации. Хотя, как было показано выше, соответствующим выбором коэффициента затухания можно в определенных пределах уменьшить напряжение на конденсаторе, тем ие менее даже при D = 0,15 напряжение Uсо почти в 1,5 раза превосходит напряжение U_dmах.

Значительно лучшие результаты могут быть получены в том случае, если специальными схемными решениями осуществить стабилизацию напряжения (Jсо на уровне U_{d max} во всех режимах работы инвертора. При этом обеспечивается неизменная коммутационная способность инвертора и резко снижается мощность конденсатора; при Uco = = U_dm&x мощность конденсатора в сравнении с режимом при D =0,15 уменьшается в 1,47* = 2,2 раза.

Для стабилизации напряжения U_cо иа уровне U_{d max} применяют различные устройства так называемого «сброса» напряжения с коммутирующего конденсатора. Вариант такого устройства, использованный на электровозе ВЛ80*, представлен на рис. 5.17. По сравнению с исходной схемой (см. рис. 5.8, а) здесь встречно-параллельно зарядным тиристорам VS15 - VS18 включены диоды «сброса» VD7 - VD10 и последовательно с диодами включены резисторы R.

От обмотки электровозного трансформатора получает питание нерегулируемый выпрямитель подзаряда (диоды VD11 - VD14), причем напряжение на выходе зарядного выпрямителя (т. е. иа конденсаторе Сф₃) и_я выбирается равным U_dmax.

В режимах работа инвертора, при которых напряжение на коммутирующем конденсаторе становится выше напряжения на фильтровом конденсаторе С_фз, начинают проводить ток диоды «сброса» VD7- VD10 и избыточная энергия конденсатора С„ поглощается в резисторах R.

В рассмотренной схеме обе задачи - подзаряд коммутирующего конденсатора при низких значениях U_d и отбор от конденсатора С„ избыточной энергии в зоне высоких значений U_d - выполняются общим устройством. Переход режима подзаряда к режиму «сброса» избыточной энергии происходит автоматически. Напряжение на коммутирующем конденсаторе во всех режимах работа инвертора остается Практически неИЗМеННЫМ И раВНЫМ (1,0 Ч- 1,1) Udmax-

Согласно выражению (5.25) при стабильном значении напряжения U_Co мощность коммутирующего конденсатора минимальна при 6_t- = 1,7 и К_а = 0,66. Поэтому параметры элементов узла коммутации инвертора при стабильном значении U_Со = U_dm&x рассчитывают следующим образом:

амплитудное значение тока конденсатора

1а - /нтахАКа = 1 -5/н maxi

волновое сопротивление контура

р - UCq/Iа ⁼ Ud тях/1a-Q<64Rmi'< (5.28)

емкость коммутирующего конденсатора

Си - ^сх/(р0») - 0>88/_Сх//?нк‘> (5.29)

индуктивность коммутирующего реактора.

1-к - Р ^сх/в« ⁼ 0>39/_сх Rhk- (5.30)

Инвертор с подключением коммутирующего конденсатора к средней точке емкостного фильтра. Схема инвертора со стабилизацией напряжения Uсо (см. рис. 5.17) сложна. Существенное упрощение инвертора получаем при подключении коммутирующего конденсатора C_K к средней точке двух фильтровых конденсаторов Сф1 и Сф2 (рис. 5.18). В этой схеме отсутствуют групповые коммутирующие тиристоры VK13, VK14 и отпадает надобность в устройстве отбора от конденсатора С„ избыточной энергии (исключаются диоды VD7 -

Рис. 5.17. Схема инвертора со стабилизацией напряжения иа коммутирующем

конденсаторе

Рис. 5.18. Схема инвертора с подключением коммутирующего конденсатора к средней точке емкостного фильтра

\ZD10 и резисторы). Такой инвертор можно реализовать при использовании современных фильтровых конденсаторов с высокими удельными показателями.

Напряжение на каждом из фильтровых конденсаторов (при условии равенства емкостей) равно 0,5 и за время коммутации практически не изменяется, поскольку Сф > С„.

Схемы замещения для процесса выключения тиристора даны на рис. 5.19, а, 6. На первых двух интервалах коммутации (от момента времени /„ Д° і і) ток і_с замыкается через тиристор УБ1 или диод УО/. В контур разряда конденсатора С_к в этом случае входит включенный встречно источник напряжения 0,5 1!_в. В результате часть энергии конденсатора С_к передается в фильтровый конденсатор С_ф/.

Поскольку Сф > С_к, то резонансная частота контура о>₀ и волновое сопротивление р определяются значениями С_к и При малых коэффициентах затухания амплитуда тока конденсатора /₀ = (исо -

- 0,5 (/„)/р.

В процессе регулирования напряжение изменяется от 0 до і/_гітах. Чтобы при изменении Ні ВЫПОЛНЯЛОСЬ условие /„//„шах > 1,5, необходимо выбрать соответствующий момент включения противофазных тиристоров (т.е. угол 0_Г) и осуществлять подзаряд конденсатора С_к от зарядного источника с определенным уровнем напряжения и_з. Рассмотрим три характерных режима: 1) І1_л - ^втлх\ 2) і}4

- 0,5 и_Лтах\ 3) и_а = 0. Для первого режима принимаем И_со = = 1/_()1пах. Ему соответствует фазовая траектория процесса коммутации, представленная на рис. 5.19, в. На первых двух интервалах коммутации фокус фазовой траектории находится в точке - 0,5 и_атах. При включении противофазного тиристора 1Л$2 в момент времени, соответствующий углу 0_Г, создается цепь заряда конденсатора С_к от фильтрового конденсатора С'ф2, напряжение которого является прямым для тиристора (см. рис. 5.19, б). Фокус фазовой траектории перемещается в точку +0,5^_тах (см. рис. 5.19, в). Путем построения фазовой траектории для заданного коэффициента затухания имеется

Рис. 5.19. Схемы замещения (а, б) и фазовые траектории процессов коммутации (в-д) для инвертора электровоза Е-120

возможность определить значение угла 6_Г, при котором напряжение на конденсаторе С„ в конце процесса коммутации равно исходному: іісо = 0_лтах. Амплитудное значение тока разряда конденсатора на втором интервале коммутации в этом случае !_а-Фсо-0,5 и_лтлх)/р - =0,5 ?7<(тах/Р-

При построении фазовой траектории для второго режима исходим из условия, что и со = 0,75 _тах и фокус траектории на первых двух интервалах находится в точке - 0,25 и_атлх (рис. 5.19, г). В момент времени, соответствующий углу 6_Г, включается противофазный тиристор и фокус траектории перемещается в точку +0,25 и_ітах. После завершения четвертого интервала коммутации напряжение и а < У со-Путем построения фазовой траектории можно определить требуемое напряжение зарядного источника 0_а, при котором после окончания процесса подзаряда выполняется равенство и_со = 0,75 и_Лтах. В этом случае /„ = (0,75-0,25) и_Лтах1р = 0,5 и_{л тах}/р, т. е. он остается таким же, как в первом режиме, т. е. при и_л= 0_Лтах.

На рис. 5.19, д показана фазовая траектория для режима И_л = 0. Фокус фазовой траектории до интервала находится в точке 0, а во время подзаряда конденсатора С_к от зарядного источника - в точке 0_а. В данном случае и_со * 0,75 и_Лтах и ток /„ « 0,75 Щ _тах/р. т. ^е-он несколько больше, чем в первом и втором режимах. Поэтому в начальной стадии пуска обеспечивается более высокая коммутационная способность инвертора.

Для рассматриваемого инвертора волновое сопротивление контура коммутации должно выбираться из условия р = 0,5 и_Лтах11_а. Поскольку при І!со = і/йтах минимуму мощности конденсатора С_к соответствует условие /„ = 1,5 /„ _тах, то получаем

Сравнение двух последних выражений с выражениями (5.29) и (5.30) показывает, что при подключении коммутирующего конденсатора к средней точке емкостного фильтра емкость конденсатора С„ вдвое увеличивается, а индуктивность реактора Ь_н вдвое уменьшается в сравнении с инвертором, выполненным по схеме рис. 5.17.

Следует иметь в виду, что в инверторе, схема которого показана на рис. 5.18, рабочее напряжение коммутирующих тиристоров увеличивается. Нетрудно, например, видеть, что при указанной полярности напряжения на конденсаторе С_к и открытом тиристоре УЭ6 к коммутирующему тиристору УКН приложено прямое напряжение и со + +0,51/_а, Т. Є. 1,5 Щтах при УСЛОВИИ исо = и_лю,х.

Несмотря на указанный недостаток, благодаря исключению тиристоров VKJ3, VK14 и устройства «сброса» инвертор по схеме рис. 5.18 имеет преимущества в сравнении с инвертором по схеме рис. 5.17.

Инвертор электровоза Е-120 (см. рис. 5.8, б), как отмечалось ранее, работает при неизменном входном напряжении U_d. Поэтому в этом инверторе отсутствует устройство подзаряда конденсатора С_к от дополнительного источника U₃ и фазовая траектория процесса коммутации соответствует рис. 5.19, в. Волновое сопротивление р, емкость конденсатора С_к и индуктивность реактора L_K определяются соответственно выражениями (5.31), (5.32) и (5.33).

В этом инверторе каждая фаза имеет отдельный узел коммутации, что делает принципиально возможным выключать тиристоры одной фазы в моменты времени, не совпадающие с моментами выключения тиристоров двух других фаз. В результате инвертор по схеме рис. 5.8, 6 позволяет регулировать выходное напряжение любым способом широтно-импульсной модуляции, в том числе и синусоидальной

шим.

Узел коммутации с двумя коммутирующими конденсаторами. Такой узел коммутации использован в инверторах электровоза ВЛ86^ф, а также построенных ранее в ФРГ тепловозов DE-2500 и промышленных электровозов Е-1200. В таком инверторе (см. рис. 5.8. в) процесс коммутации отличается от рассмотренных ранее. Соответствующие схемы замещения, а также диаграммы токов и напряжений даны на рис. 5.20. В данном инверторе входное напряжение Ud неизменно, а выходное напряжение регулируется виутреииими средствами инвертора.

В схеме используются два коммутирующих конденсатора С„1 и С_к2 с одинаковой емкостью. При анализе коммутационного процесса следует иметь в виду, что сумма напряжений на конденсаторах С_К1 и С_к2 в любой момент времени остается постоянной, т. е. и_сi + и_сi = = U_d. Соответственно сумма токов конденсаторов t'_Ci и i_C2 в последовательной цепи конденсаторов С_к1 и С_н2 в любой момент времени равна нулю, т. е. ici = - t’c2 и |t'ci | = \ic21* Указанные соотношения учтены на диаграммах рис. 5.20, в.

Сопротивлениями утечки, которые шунтируют конденсаторы С_ь1 и С_и2, пренебрегаем. Поэтому считаем, что напряжения uci й «сг на межкоммутационных интервалах остаются неизменными.

Рассмотрим процесс выключения тиристора VS1. За положительное будем считать напряжение на конденсаторе в том случае, если его полярность совпадает с полярностью напряжения U_d. Пусть перед началом коммутации напряжение и_сi на конденсаторе С„1 отрицательное и равно - 0,5 U_d. Соответственно начальное напряжение «сг на конденсаторе С_к2 положительное и равно + 1,5 U_d. Выключение тиристора VS1 начинается в момент t₀ при включении коммутирующего тиристора VK7 (см. рис. 5.20, а, в).

Ток »а конденсатора С„1 замыкается по цепи: С„1 - VK7 - VS1 (или VD1) - L_Kl - С_к1. Ток i_c2 конденсатора С_к2 замы

кается по цепи: С_к2 - УК7 - 1^51 (или УЭ1) - 1*_к1 - и_л - С_к2. Следовательно, в контур разряда конденсатора С_к2 входит фильтровый конденсатор С_ф, напряжение на котором равно и_а. Поскольку в момент /₀ напряжение Ыс2 = 4-1,5 1/а, то разность (ысг - и а) равна + 0,5 и_л. Выше указывалось, что |(‘с11 = |*сгI* и потому через тиристор УК7 протекает ток коммутации 1_к = 1с 1 + /сг = 2 1_С\.

На первом интервале коммутации ток тиристора в момент t_l снижается до нуля, а затем разность токов (»'„ - /„) замыкается через диод У01. Схемное время /_сх равно длительности второго интервала коммутации, т. е. t_cx = (<₂ - /1). Амплитудное значение тока коммутации «_к равно /_в = 0,5 и_а/р, причем р - V1_К/С_{К общ}, где С_кобщ равна удвоенной емкости одного коммутирующего конденсатора.

В момент времени /*, когда выполняется равенство /_к = /„, включается диод Уй2 и в контур перезаряда конденсатора С_К1 вводится включенный согласно источник напряжения 1>_а, т. е. конденсатор С_ф (рис. 5.20, б). Поскольку в момент напряжение на конденсаторе С_к1 меньше и_а, то начинается третий интервал коммутации, при котором і к = /„- Заметим, что при выключении диода УШ электромагнитная энергия реактора ?_к1 передается в реактор поскольку они магнитно связаны.

Длительность третьего интервала незначительна. В момент времени включается тиристор У52 и начинается интервал ///'. В момент ток (_к уменьшается до нуля и процесс коммутации заканчивается. При этом на конденсаторе С_к1 напряжение равно +1,5 и а, на конденсаторе С_к2 - напряжение - 0,Ы!_а и узел коммутации подготовлен к выключению тиристоров минусовой группы.

Таким образом, в рассмотренной схеме напряжение на коммутирующих конденсаторах изменяется от -0,5 1!^ до +1,5 И& (рис. 5.20,г) и имеет постоянную составляющую, равную 0,5^.

Изменение напряжения на конденсаторе в пределах от - 0,5 11_л до + 1,5 и_а соответствует установившемуся режиму работы узла коммутации. Однако после первоначальной подачи питания иа вход инвертора на каждом из коммутирующих конденсаторов напряжение равно + 0,5 и_а. В этом случае для выключения тиристора У$1 следует вначале включить коммутирующий тиристор УК8. Разрядный ток конденсатора С_к1 замыкается в прямом для тиристора направлении. В конце первой полуволны при уменьшении тока ісі До нуля на конденсаторе С„1 напряжение равно примерно - 0,5 и_а, на конденсаторе С_к2 - примерно + 1,5 0іі, т. е. указанные напряжения соответствуют диаграмме рис. 5.20, «для момента времени Поэтому при включении УК7 процесс коммутации тиристора У51 происходит таким образом, как было описано выше для установившегося режима работы инвертора.

Следует также отметить, что рабочее напряжение коммутирующих тиристоров УК7 - УК12 в схеме инвертора (см. рис. 5.8, в) превышает ІІ_ІІ. Нетрудно видеть, например, что при напряжении на конденсаторе С„/, равном - 0,5 и_л, и включенном УЭб к тиристору УК11 приложено прямое напряжение 1,5Щ.

Поскольку в рассмотренном узле коммутации амплитудное значение тока /„ = 0,5 и_а1 р, то при выполнении условия /_в = 1,5 /„т» параметры элементов узла коммутации Сковщ ^и определяются выраже-ниями (5.32) и (5.33) с учетом того, что С_кобщ = 2С_К.

Сопоставление различных узлов коммутации. Сопоставим рассмотренные варианты узлов коммутации в отношении реактивной мощности конденсаторов ДЛЯ одинаковых значений /_сх, ^_тах И /„тах. причем частоту коммутации /_кф тиристоров одной фазы инвертора считаем также одинаковой. Реактивная мощность конденсаторов

где U_Ca - амплитудное значение переменной составляющей напряжения на конденсаторе; п - число конденсаторов; /_р - рабочая частота конденсаторов.

Для инвертора по схеме рис. 5.8, а: /_р = 3 /_кф; п - 1; U_Cu ~ - 1,47 U_{d max} прhD =0,15. С учетом выражения (5.26) получаем Q_p= = 5,4 U_dmayiI и max /кф^сх-

Для инвертора по схеме рис. 5.17:/_р ^ 3/_кф; л = 1; i/_Ca =-- U_{d ma}x-С учетом выражения (5.29) мощность конденсаторов Q_p = 2,64 U_{d max} х

X I н max f кф ^cx-

Для инвертора по схеме рис. 5.8, в: /_р = 3/_кф; п --- 2; С„ = = 0,5С_кобщ; Uси - U_dmAx- С учетом выражения (5.32) мощность Конденсаторов Q_p = 5,28 U_{d max} /Н max /кф *сх-

Следовательно, наименьшее значение Q_p имеет инвертор по схеме рис. 5.17. Остальные рассмотренные варианты инверторов практически равноценны в отношении мощности Q_p, причем она примерно в 2 раза выше, чем у инвертора по схеме рис. 5.17.

При определении загрузки коммутирующих тиристоров по току следует учитывать ток конденсаторов на всех интервалах коммутации (кроме интервала подзаряда от источника U_a) и частоту коммутаций. Загрузка по току для зарядных тиристоров определяется током конденсатора на интервале подзаряда. Для диодов обратного тока в процессе коммутации загрузка по току определяется разностью между током коммутации и током нагрузки на втором интервале, и она максимальна при /„ % 0.

Форма и длительность токов, которые необходимо знать для расчета загрузки тиристоров и диодов за время коммутации инвертора, могут быть определены по приведенным ранее для каждого варианта инвертора соотношениям.

5.4. Амплитудный и широтно-импульсный способы регулирования выходного напряжения инвертора

При использовании автономных инверторов напряжения на ЭПС применяют два основных способа регулирования выходного напряжения (т. е. напряжения на статоре АТД):

1) амплитудный способ, при котором выходное напряжение регулируется путем изменения входного напряжения инвертора U_d;

2) широтно-импульсный способ, при котором выходное напряжение регулируется внутренними средствами инвертора (при неизменном входном напряжении U_d) путем многократного включения и выключения ключей инвертора за один период выходного напряжения. Инвертор, в котором применяют такой способ регулирования, называют инвертором с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [30].

Возможен и комбинированный способ регулирования напряжения. В начальной стадии пуска локомотива на вход инвертора подают напряжение U_d < U_dшах (например, выпрямитель питают от части вторичной обмотки трансформатора) и регулируют напряжение способом

ШИМ; на завершающей стадии пуска напряжение изменяют амплитудным способом, увеличивая выпрямленное напряжение на входе АИН до максимального значения 1!^ _таХ. На практике комбинированный способ регулирования используется редко.

При амплитудном регулировании частота коммутаций тиристоров одной фазы инвертора /_к4> равна частоте первой гармоники тока статора

а форма кривых фазного и линейного напряжения остается неизменной и соответствует диаграммам, представленным на рис. 5.1, в. Благодаря невысокой частоте коммутаций в АИН с амплитудным регулированием допустимо использовать тиристоры с относительно большим временем выключения (120-150 мкс). Такие тиристоры изготавливаются на основе высокоомного кремния и имеют высокое допустимое напряжение (3200-4000 В). В этом заключается наиболее ценное достоинство амплитудного способа регулирования, поскольку при напряжении 6^, равном примерно 2500-3000 В, инвертор можно выполнить без последовательного соединения тиристоров и в результате значительно уменьшить объем, массу и повысить КПД преобразователя. Невысокая частота /,,ф облегчает также режимы работы элементов узла принудительной коммутации: конденсаторов, реакторов и коммутирующих тиристоров.

Недостатком амплитудного способа регулирования является повышенный уровень пульсаций момента асинхронного тягового двигателя на стадии пуска. Однако исследования данного вопроса и измерения на электровозе ВЛ80^а показали, что при троганни с места пульсации момента незначительны (в пределах 10 % при 180-градусном управлении инвертором и в пределах 5 % при 150-градусном управлении) и практически не отражаются на тяговых свойствах локомотива.

К недостаткам амплитудного способа следует отнести усложнение узлов принудительной коммутации инвертора из-за использования дополнительного зарядного источнйка и тиристоров для подзаряда коммутирующих конденсаторов. Потребляемая от зарядного источника мощность невелика (обычно не более 1-3 % мощности инвертора), поскольку она расходуется только на компенсацию незначительных потерь в контуре коммутации.

При питании от сети переменного тока и наличии на локомотиве трансформатора выполнение зарядного источника в виде выпрямителя с емкостным фильтром не вызывает особых затруднений. Регулирование входного напряжения инвертора в этом случае можно осуществить простым и экономичным способом в звене управляемого выпрямителя. Переводом выпрямителя в режим ведомого сетью инвертора легко реализуется рекуперативное торможение локомотива. Поэтому наиболее целесообразной областью применения АИН с амплитудным регулированием являются электроподвижной состав, получающий питание от контактной сети переменного тока, а также тепловозы с синхронными генераторами.

При амплитудном регулировании, как было показано в параграфе 5.1, действующее значение первой гармоники фазного напряжения 0_г

связано с входным напряжением Ud соотношением i/j =- U_d, а активная мощность статора АТД Р_х = 3U_lI₁ cos q>j. Пренебрегая потерями в инверторе и считая Udh = Pi> запишем выражение для среднего значения входного тока инвертора

3 VT

Id - 3Ui /1 cos q>i/t/rf L-/1 cos <p_t = ! ,35/i cos <p_t.

д

В инверторе с ШИМ для регулирования выходного напряжения изменяют соотношение между интервалами подключения фазы двигателя к «плюсу» и «минусу» источника питания в течение одного периода выходного напряжения и тем самым изменяют глубину регулирования выходного напряжения, которую характеризует коэффициент регулирования К р- Действующее значение первой гармоники фазного на-

1/2"

пряжения в этом случае и_г - -tj- U_d Кр. Соответственно средний ток на входе инвертора с ШИМ

з т/Т

/d - 3U1 /| cos ф^/(Jd -...... /1 cos ф^ /Ср ⁼ 1135/1 cos ф| /Ср •

Коэффициент регулирования Кр изменяется от нуля до единицы. При Кр - 0 получаем 0_г - 0, I_d = 0. Значение Кр = 1 означает, что регулирование способом ШИМ завершилось, дополнительные коммутации не происходят и частота коммутаций тиристоров одной фазы /кф = /i- При этом кривые фазного напряжения Ыф и тока соответствуют диаграммам, представленным иа рис. 5.1, а и 5.2, т. е. они такие же, как и в инверторе с амплитудным регулированием.

В процессе регулирования способом ШИМ (при К_р< 1) частота коммутаций тиристоров одной фазы /_кф больше частоты статора /, в п_к раз, т. е. /_Кф = п_к f_u где л_к - кратность частоты коммутаций.

При управлении способом ШИМ напряжение на выходе АИН имеет форму серии импульсов положительной и отрицательной полярности с нулевыми паузами, причем длительность импульсов и пауз в пределах одного периода выходного напряжения можно изменять по различным законам. Выполнение устройств формирования сигналов управления для АИН с ШИМ рассмотрено в главе 10.

Для питания асинхронных тяговых двигателей в АИН наиболее часто используют два вида ШИМ: синусоидальную и прямоугольную. Второй вид ШИМ является наиболее простым и его обычно называют широтно-импульсиым регулированием (ШИР).

Считаем, что АИН выполнен по схеме рис. 5.1, а. Принцип управления таким инвертором способом синусоидальной ШИМ поясняет рис. 5.21. Период выходного напряжения 7\ разбивают на N равных интервалов (в рассматриваемом примере N =9). Длительность одного интервала равна T^-T^N. С периодом повторения Т_н и частотой /н = Nf_u которую называют несущей, изменяется двухполярный раз

ворачивающий сигнал треугольной формы и_р. Модулирующий синусоидальный сигнал ы_м имеет частоту первой гармоники выходного напряжения инвертора /_х. Отношение амплитуд сигналов и_мШ_р - р называют глубиной модуляции. При регулировании выходного напряжения р изменяется от 0 до 1. Для синусоидальной ШИМ при р = 1 коэффициент регулирования напряжения К_р< 1, поскольку значение /С_р = 1 соответствует только режиму однократной коммутации инвертора, когда число коммутаций на одну фазу за период выходного напряжения равно 2.

В инверторе с ШИМ на одном интервале Т„ осуществляются две коммутации, а за период 7'₁ - 2 N коммутаций на одну фазу. Поэтому кратность коммутаций п„ в инверторе с синусоидальной ШИМ равна N.

Моменты коммутаций инвертора соответствуют точкам пересечения сигналов и_м и и_р. При условии и_м >и_р фаза подключается к «плюсу» питающего источника и ее потенциал относительно средней точки источника питания фф = 0,5 (/<?. При условии и_м < и_р фаза

Рис. 5.21. Диаграммы модулирующего м_м, разворачивающего м_р сигналов и потенциала фазы фф при синусоидальной ШИМ (Л^=9)

подключается к «минусу» источника питания и ф_ф= - 9,Ы!_Л. Диаграмма ф_ф на рис. 5.21 симметрична по полуволнам выходного напряжения (относительно моментов 7'₁/4 и 37У4) только в том случае, если N - нечетное число.

На рис. 5.22 приведены диаграммы потенциалов трех фаз - ф_д> Ф_в, ф_с - для инвертора с синусоидальной ШИМ при N = 9. Кривые Ф_в и ф_с сдвинуты относительно ф_д на 120 и 240°. Диаграмма линейного напряжения и_АВ построена в соответствии с равенством и_АВ = = ф_д - ф_в. Там же приведена диаграмма потенциала средней точки нагрузки ф₀ = (фд + ф_в + Ф_с)/3. Напряжение фазы и_А построено в соответствии с равенством и_А = ф_д - ф₀.

При разложении в ряд Фурье кривой напряжения инвертора, управляемого способом синусоидальной ШИМ на несущей частоте /_н, наряду с основной гармоникой, определяемой частотой модулирующего сигнала, присутствуют гармоники с комбинационными частотами |(ш/„ + л/О!, где л= 0; ±1; ±2; ±3; ... и т = I; 2; 3; ... .

В отличие от синусоидальной ШИМ при управлении АИН способом ШИР дополнительные коммутации достаточно осуществлять только на средних интервалах положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения, т. е. на интервалах от 60 до 120 и от 240 до 300°.

На рис. 5.23 показаны диаграммы потенциалов ф_д, ф_в, ф_с для случая, когда в течение средних интервалов на время паузы /„ производится подключение фазы к противоположному полюсу источника питания. Там же показаны линейное напряжение и_АВ = Фд - ф_в, диаграмма потенциала средней точки нагрузки ф₀ = (фд + Фв + -г ф_с)/3 и напряжение фазы и_А - ф_д - ф₀.

Поскольку в одной фазе инвертора (в начале и конце паузы /„) осуществляются две дополнительные коммутации, а за один полупе-риод выходного напряжения - всего три коммутации, то диаграммы рис. 5.23 соответствуют режиму ШИР с кратностью коммутаций л„=3. В общем случае, если при управлении способом ШИР на средних интервалах осуществляют К одинаковых пауз, то кратность коммутаций

п„ = 2К + 1.

Обозначим через Т₀ общую длительность К пауз, т. е. Т_а = /(/„. При уменьшении Т_а до нуля инвертор переходит в режим однократной коммутации с коэффициентом регулирования напряжения К_р = 1. Если Та увеличить до значения 7у6, т. е. до длительности среднего интервала, то выходное напряжение инвертора уменьшится до нуля. Зависимость коэффициента регулирования Кр от Т_п определяется равенством АГр = (1 - 6Т_В)/Тх.

Амплитуды напряжения гармоник зависят от кратности коммутаций п„ и от коэффициента регулирования Кр (рис. 5.24). Следует иметь в виду, что гармоники, для которых п > 0, образуют прямой порядок чередования фаз, а гармоники, для которых п < 0, - обратный.

Управление инвертором способом ШИМ применяют для решения двух задач: изменения первой гармоники выходного напряжения

инвертора и приближения формы кривой фазного тока двигателя к синусоидальной. При решении второй задачи кратность коммутаций

Рис. 5.22. Диаграммы потенциалов н напряжений инвертора с синусоидальной

ШИМ (У-9)

должна быть достаточно большой. Но увеличение частоты коммутаций инвертора влечет за собой возрастание потерь на переключение тиристоров, повышение мощности элементов узла коммутации и снижение КПД преобразователя.

По указанным причинам высокие значения кратности коммутаций используют только при малых выходных частотах в начальной зоне пуска АТД. Например, на электровозе Е-120 максимальная частота коммутаций /_Кф max во всей зоне регулирования напряжения не превышает 200 Гц (рис. 5.25). В начальной стадии пуска при Д = 1-т-Ю Гц кратность коммутаций изменяется от 200 до 20 и обеспечивается хоро-

Рис. 5.23. Диаграммы потенциалов и напряжений инвертора с ШИР (п„-=3)

Рис. 5.24. Спектр гармоник выходного напряжения инвертора с ШИР в функции К_Р для п«=3 (а) и п„<=5 (б)

шее приближение формы тока двигателя к синусоидальной. По мере возрастания частоты тока статора при /j > 20 Гц кратность коммутаций уменьшают до значений п_к = 7 и п_к = 5 для выполнения ограничения /_{кф тах} < 200 Гц.

В зоне частот fi> 35 Гц кратность коммутаций п_к = 3.

Затем длительность паузы /„

(см. рис. 5.23) постепенно уменьшают до нуля и инвертор переходит на режим однократной коммутации п_к = 1. Процесс регулирования выходного напряжения инвертора на этом заканчивается, причем частота тока статора примерно равна НОМИНаЛЬНОЙ /_1Н0М.

Таким образом, в номинальном режиме, который является определяющим для тягового двигателя локомотива, АЙН с ШИМ в отношении формы кривых фазного тока и напряжения равноценен АИН с амплитудным способом регулирования.

Использование модуляции по синусоидальному закону позволяет уменьшить пульсации момента АТД в начале пуска практически до нуля. Однако, как отмечалось выше, и при амплитудном способе регулирования пульсации момента при трогании с места не превышают 5-10 % среднего значения момента и практически не ухудшают тяговых свойств локомотива.

К недостаткам инвертора с ШИМ следует отнести пульсации напряжения и тока двигателя, вызванные дополнительными коммутациями инвертора. Эти пульсации вызывают дополнительные потери в двигателе. Для нх снижения, например, на электровозе Е-120 в цепь статора каждого двигателя включен трехфазный реактор массой более 200 кг.

По окончании регулирования напряжения эти реакторы выводятся из цепи статора с помощью контактора.

Следует отметить еще одну особенность АИН с ШИМ, заключающуюся в том, что при каждом повторном включении основного тиристора создаются условия для кратковременного короткого замыкания источника питания. Например, при положительном направлении тока фазы А (от точки А к точке 0) после выключения тиристора VS1 (см. рис. 5.1, а) ток проводит диод VD2. При повторном включении тиристора VS1 в течение времени выключения диода VD2 (несколько микросекунд) создается цепь короткого замыкания источника 1/<?. Поэтому в инверторе с ШИМ необходимо применять быстродействующие диоды, а для ограничения тока КЗ - токоограничивающие реакторы.

Рис. 5.25. Зависимость частоты коммутаций от частоты тока статора

Из-за повышенной частоты коммутаций в АИН с ШИМ применяют быстродействующие тиристоры с малым временем выключения (не более 30-50 мкс). Такие тиристоры, как правило, изготавливаются на основе кремния с малым удельным сопротивлением и имеют допустимое напряжение ниже, чем тиристоры с временем выключения 120- 150 мкс. Поэтому может потребоваться последовательное соединение тиристоров в АИН с ШИМ, в результате чего масса и объем инвертора возрастают примерно в прямой пропорции от числа последовательно соединенных приборов. Кроме того, снижается КПД преобразователя.

Инвертор с ШИМ работает при неизменном (или изменяющемся в небольших пределах) входном напряжении н не требует дополнительных устройств подзаряда коммутирующих конденсаторов. Поэтому наиболее целесообразной областью применения АИН с ШИМ является электроподвижной состав, получающий питание от сети постоянного тока. При таком питании для инвертора с амплитудным регулированием (помимо устройств подзаряда коммутирующих конденсаторов) требуется использовать импульсный прерыватель, т. е. необходимо осуществлять двукратное преобразование энергии. Инвертор с ШИМ при питании от сети постоянного тока позволяет ограничиваться однократным преобразованием энергии, и в этом состоит его наиболее важное преимущество.

В ближайшие годы планируется освоить промышленное производство мощных запираемых тиристоров с выключаемым током до 2500 А и более, напряжением до 4000 В. Такие приборы позволят резко упростить схему АИН благодаря исключению устройств принудительной коммутации и расширить область эффективного применения АИН с амплитудным и преимущественно с широтно-импульсным способом регулирования напряжения.

6. ВЫХОДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ ТОКА