Расчет элементов автономного инвертора тока

Наиболее распространенной схемой инвертора тока является схема с отсекающими диодами (рис. 6.4), которая содержит тиристоры VS1 - VS6, диоды VD1 - VD6 и коммутирующие конденсаторы Cl- С6. Известные схемы параллельных инверторов тока для питания асинхронных двигателей не нашли применения, так как подключение коммутирующих конденсаторов непосредственно к фазам двигателя обусловливает возникновение колебаний в системе инвертор - двигатель. Коммутирующие конденсаторы Cl - С6 как бы «отсечены» от фаз нагрузки и подключаются к ним только в моменты коммутации. Поэтому в периоды между коммутациями ток промежуточного звена постоянного тока I_d протекает по обмоткам двух фаз нагрузки (см. рис. 6.1), а напряжение на конденсаторах остается постоянным. Так как длительность протекания тока через тиристор и диод одной фазы равна одной третьей части периода, то его среднее значение через тиристор и диод

Нагрузки полупроводниковых приборов по напряжению определяются' мгновенными значениями напряжений на двигателе и конденсаторах с учетом мгновенных схем на различных интервалах проводимости.

Рассмотрим процессы в схеме инвертора на интервале времени Ос^к я/3 в соответствии с диаграммами (см. рис. 6.1 и 6.3). Ток 1& протекает через тиристоры КЯ/, диод КО/, фазы А и С двигателя, диод УЬб и тиристор К5б. Каждая фаза двигателя без учета активного сопротивления обмотки статора согласно выражению (6.15) может быть представлена последовательно соединенными источниками ЭДС и индуктивностью /.ю, причем на интервалах между коммутациями падение напряжения на эквивалентной индуктивности равно нулю, т. е. для этих интервалов напряжение на фазах АТД определяется значениями ЭДС. Коммутирующие конденсаторы С1 и С5 заряжены до напряжения «с<о) с полярностью, показанной на рис. 6.4, а конденсатор СЗ разряжен.

В этом случае к тиристорам К53 и К55 прикладывается прямое напряжение, на которое они должны быть рассчитаны, г. е. Оув =

Рнс. 6.4. Схема АИТ с отсекающими диодами

^_ и стах - Ис( О)-

К выключенным диодам прикладывается напряжение, равное алгебраической сумме линейного напряжения смежных фаз АТД и коммутирующих конденсаторов. Например, для диода УГ>3 обратное напряжение

Так как линейное напряжение - гармоническая функция, то и напряжение на диоде представляет собой синусоиду, смещенную по оси ординат, на величину ис<о).

Процесс коммутации тока в АИТ начинается в момент (о_х1 = я/3 включения тиристора (рис. 6.5). При этом протекание тока через тиристор УБ1 прекращается практически мгновенно и к нему прикладывается обратное напряжение, равное напряжению Ыс<о>. Ток нагрузки 1_а начинает протекать по цепи: тиристор УБЗ - конденсатор С1 (*/₃ 1_а) - конденсаторы СЗ и С5 (Ч₃ /_Л) - диод Уй1 - фаза А двигателя. На первом интервале процесса коммутации происходит

разряд постоянным током коммутирующих конденсаторов с эквивалентной емкостью:

Сэ=~~ С„, (6.22)

где С„ - емкость каждого из конденсаторов.

При этом напряжение на коммутирующих конденсаторах изменяется по линейному закону:

"Сэ=- “С(0)+ ы/с». (6.23)

До тех пор, пока Ысэ < 0, к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, что позволяет определить схемное время выключения:

^выкл ^=ИС(0) ^э/^d- (6.24)

Первый интервал линейного разряда конденсаторов заканчивается в момент времени, когда напряжение на диоде VD3 станет равным

нулю. Считая, что за время линейного разряда конденсатора напряжение на фазах двигателя не изменилось, т. е. и_Ав - U_{n mai}X Xcos(n/3 4- ф! 4 я/6), из выражения (6.21) с учетом выражения (6.23) определим длительность первого интервала коммутации:

t\ - (U_{n max} sin 4>i4“c(0)) (6.25)

При включении диода VD3 начинается второй интервал коммутации. На этом интервале коммутирующие конденсаторы С1 - СЗ подключены параллельно фазам А я В двигателя и образуют совместно с индуктивностями L_xa колебательный контур с собственной частотой о)₀ = J/J/2L₉C₃, где Ц = Ца.

В этом случае ток в выключаемой фазе

1д= /_d cos ш₀ t (6.26)

и в фазе В

i_B = ld~i_A=ld(\-co&u>₆t). (6.27)

Второй интервал коммутации заканчивается, когда ток фазы А спадет до нуля, а ток фазы В достигнет значения /_d.

Из выражения (6.26) следует, что длительность второго интервала равна четверти периода собственных колебаний в эквивалентом контуре:

Рис. 6.5. Диаграммы напряжений и токов АИТ с отсекающими диодами

(6-28)

Напряжение на коммутирующем конденсаторе ис = U„ _max х Xsinq>i + V 2LJC„ I_d sin <о₀1 и при <o₀/₄ = я/2 достигает максимального значения, равного начальному:

^иС{0) ⁼ шах SiПф! + V2L_a/C₃ Id . (6.29)

Учитывая, что при работе АТД возможны различные нестационарные режимы, в которых сдвиг по фазе может составить <р,=90°, а ток звена постоянного тока /_{d max}, в качестве расчетных значений следует принять:

напряжение на конденсаторе

^UC max ⁼ ^л шах + 1^2А._э/Сэ/_d шах! (6.30)

напряжения на диодах и тиристорах соответственно

^иу'°шах ^{= тах тах} ’ I

^^твх ^С ^та* ’ 1

Таким образом, выражения (6.20) и (6.31) позволяют при известных параметрах нагрузки и емкости коммутирующих конденсаторов выбрать тиристоры и диоды инвертора. Из приведенных соотношений видно, что напряжение на тиристорах и диодах в основном определяется емкостью коммутирующих конденсаторов, поэтому их расчет является одним из основных.

При определении емкости коммутирующих конденсаторов необходимо исходить из следующих условий. Минимальная емкость С» должна быть такой, чтобы схемное время выключения тиристоров [см. выражение (6.24)1 было больше паспортного. При этом начальное напряжение на конденсаторах будет при минимальной частоте а)_х, когда и_л тах » 0» ЧТО ПОЗВОЛЯеТ ИЗ уравнения (6.29) определить ^Ст1п(0) = = У2^С_Я1_Л. Тогда емкость

Сэ>1² выклН2Ц). (6.32)

Однако малые значения емкости С_э приводят к значительным перенапряжениям на элементах АИТ, для снижения которых следует максимально увеличить емкость С_э. Верхний же предел значения емкости ограничен тем, что с его увеличением возрастает суммарная длительность процесса коммутации, которая не должна превышать длительности интервала повторяемости коммутационных процессов в анодной или катодной вентильной группе при максимальной частоте на выходе преобразователя, т. е.

С учетом выражений (6.25), (6.28) и (6.29) уравнение (6.33) можно переписать в виде

из которого для наиболее тяжелого режима холостого хода можно определить максимальное значение емкости С_{8 тах}> приняв ср, = л/2, 1л = 4т1п- Ток холостого хода определяется током намагничивания асинхронной машины и составляет (0,34-0,4) /_1нои.

Анализ процессов в АТД при питании от АИТ показывает, что если емкость коммутирующих конденсаторов определена из условия (6.34), то условие (6.32) заведомо выполняется. Это позволяет использовать в АИТ тиристоры с относительно большим временем выключения /_Вы„л > 200 мкс, т. е. среднего быстродействия более высокого класса. Кроме того, для снижения перенапряжений на коммутирующих конденсаторах следует применять АТД с минимально возможными индуктивностями рассеяния и большими значениями тока холостого хода, что достигается увеличением воздушного зазора, а также выбором определенной формы пазов статора и ротора.

Несмотря на разнообразие схем АИТ, преимущественное распространение для целей тяги получила схема с «отсекающими» диодами благодаря своей простоте. Вместе с тем инвертору по этой схеме присущ ряд недостатков, основные из которых сводятся к следующим: высокий уровень перенапряжений на элементах и, как следствие, завышенная установленная мощность; большое значение переменной составляющей электромагнитного момента двигателя; ограничение по максимальной частоте коммутаций в инверторе из-за возможности нарушения режима инвертирования, особенно при малых нагрузках. Устранение последнего ограничения требует уменьшения емкости коммутирующих конденсаторов, что в свою очередь приводит к дальнейшему росту перенапряжений на элементах инвертора.

Рассмотрим некоторые пути совершенствования схемы привода с АТД, получающим питание от АИТ, позволяющих в той или иной мере устранить отмеченные недостатки.

Частично указанные недостатки устраняются различными модификациями схемы и изменением алгоритма ее управления.

Некоторое снижение установленной мощности коммутирующих конденсаторов может быть достигнуто путем изменения схемы их соединения. Так, в некоторых случаях целесообразно соединить коммутирующие конденсаторы «звездой» (как показано штриховыми линиями на рис. 6.4). Характер процессов в схеме при этом не отличается от характера процессов, рассмотренных ранее. При этом емкость каждого из

(6.34)