Автономный инвертор напряжения (АИН) служит для преобразования постоянного напряжения 3 кВ в трехфазное переменное напряжение, необходимое для питания асинхронных тяговых двигателей. При этом выходное напряжение и частота могут меняться. Принципиальная схема силовой части АИН приведена на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Упрошенная принципиальная схема АИН: Ud — постоянное питающее напряжение; А—X, В—Y, С—Z — обмотки трехфазного асинхронного двигателя; 1—6 — IGBT-транзисторы
Рассмотрим принцип формирования кривой выходного напряжения на примере 180-градусного алгоритма управления АИН. Алгоритм открытия транзисторов АИН, мгновенные схемы замещения АТД и значения фазных напряжений сведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД
Таблица 5.2. Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД
Алгоритм удовлетворяет следующим условиям:
- каждый транзистор открыт в течение 180 электрических градусов (1/2 периода выходной частоты);
- одновременно работают три транзистора;
- все три фазных обмотки двигателя находятся под напряжением в течение всего периода выходного напряжения;
- переключения транзисторов осуществляются через 60 электрических градусов (1/6 периода выходной частоты).
Напряжения на фазах двигателя (UA, UB, UC) определяются по следующим правилам:
- если фаза подключена «в одиночку», то абсолютное значение напряжения на ней составит 2/3 питающего напряжения Ud,
- если две фазы подключены параллельно, то абсолютное значение напряжения на них составит 1/3 питающего напряжения Ud,
- фазы, подключенные к плюсу источника питания, имеют положительный потенциал, к минусу — отрицательный.
Кривые фазных напряжений при 180-градусном алгоритме управления приведены на рис. 5.5. Можно доказать, что величина фазного напряжения при 180-градусном алгоритме будет составлять ~ 0,45 Ud,
UФ=0,45Ud;
Рис. 5.5. Фазные напряжения при 180-градусном алгоритме управления АИН
где Ud — входное напряжение преобразователя.
Данный алгоритм позволяет менять частоту на выходе преобразователя (а значит и частоту вращения АТД) за счет изменения частоты коммутации транзисторов. Однако, как известно из курса «Электрические машины», момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален частоте питающего напряжения:
Поэтому одновременно с частотой необходимо менять и напряжение. В связи с этим алгоритм 180-градусного управления используют при наличии возможности изменения напряжения на входе инвертора. В схеме электропоезда «Ласточка» такая возможность не предусмотрена, поэтому АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), из-за чего в технической документации его часто называют ШИМ-инвертором.
Принцип формирования алгоритма ШИМ поясняется рис. 5.6 и 5.7. Формируются три опорные синусоиды (UA, UB, UC) с частотой fвых со сдвигом в 120° и кривая пилообразного напряжения (fПИЛ) с частотой fнес. Отношение fнес/fвых называется кратностью выходного напряжения. Транзисторы АИН переключаются в моменты равенства напряжений опорных синусоид (UA, UB, UC) и пилообразного напряжения fПИЛ следующим образом:
UA >Uпил ⇒ VT4↑ VT1↓
UB>Uпил ⇒ VT2↑ VT5↓
UC >Uпил ⇒ VT6↑ VT3↓
где VT4↑ означает, что транзистор VT4 открыт, VT1↓ означает, что транзистор VT1 закрыт.
Рис. 5.6. ШИМ при кратности 9
Рис. 5.7. Формирование алгоритма ШИМ при кратности 9 в интервале 2Тнес
Частота переключений силовых транзисторов ограничена на уровне 450 Гц. Увеличение частоты коммутаций приводит к увеличению коммутационных потерь в полупроводниковых приборах, поэтому при увеличении выходной частоты АИН кратность снижается. На рис. 5.8 приведены осциллограммы токов и напряжений для кратности 3. При низкой выходной частоте АИН (пуск и движение с низкими скоростями) кратность, наоборот, увеличивается, что уменьшает процент высоких гармоник в кривой выходного тока. Осциллограммы токов и напряжений АНН для кратности 15 приведены на рис. 5.9.
Рис. 5.8. ШИМ при кратности 3
Рис. 5.9. ШИМ при кратности 15
