Вимоги до тягових автономних інверторів та їх класифікація

Розглянемо вимоги, які висуваються до автономних інверторів асинхронним двигуном як основним видом навантаження. Ці вимоги випливають з принципу дії асинхронного двигуна. Як відомо, цей принцип оснований на створенні обертового магнітного поля обмотками статора, яке тягне за собою ротор. Частота обертання поля пропорційна частоті підведеної напруги. Тому, щоб регулювати швидкість двигуна, потрібно перш за все регулювати частоту вихідної напруги інвертора в широких межах, практично від нуля до номінальної, яка може дорівнювати промис-ловій частоті 50 Гц або бути значно вищою (до 150–200 Гц). Останнє дозволяє знизити розміри двигуна.

По-друге, одночасно з регулюванням частоти потрібно змінювати вихідну напругу інвертора. У першому наближенні величини U і f повинні бути пропорційними

. (4.1)

Асинхронний двигун як навантаження заміщується його еквівалентною схемою, яка наведена на рис. 4.2, а. Параметри R і L_S враховують активний опір та індуктивність розсіювання статорної обмотки, параметр L – струм, що намагнічує, параметр L_{S Р} – приведену індуктивність розсіювання роторної обмотки і параметр R_Р/S – приведений активний опір роторної обмотки. Окрім квадрата співвідношення витків статорної і роторної обмоток, коефіцієнт приведення активного опору містить також сковзання S як відносну різницю між частотами обертання магнітного поля і ротора. Якщо ротор стоїть, швид-кість зміни магнітного потоку в ньому та ж сама, що й в статорі, і тому його активний опір приводиться до статорного боку аналогічно тому, як це має місце в трансформаторі. Якщо ж ротор починає рухатися, то це приводить до зниження індукованої ЕРС і струму ротора, оскільки магнітне поле в контурах роторної обмотки змінюється з різницевою швидкістю. Зниження струму рівнозначно підвищенню опору, що й враховує коефіцієнт S.

Часто спрощують еквівалентну схему, нехтуючи впливом активного опору статорної обмотки та індуктивності L намагнічувальної гілки схеми і враховуючи вплив активного опору роторної обмотки лише на частоті основної гармоніки струму. Дійсно, частоту обертання ротора визначає основна гармоніка, яка має найбільшу амплітуду. Тому сковзання S на частоті цієї гармоніки мале і активний опір R_Р/S великий. Магнітні поля вищих гармонік обертаються значно швидше і відносно них ротор майже стоїть, що означає S» 1 і малий вплив активного опору роторної обмотки. Таким чином, можна замінити параметр R_Р/S на протиЕРС – е, яка збігається за фазою зі струмом (рис. 4.2, в), але відрізняється від нього тим, що вона майже синусоїдальна (рис. 4.2, б - г).

Спрощена еквівалентна схема (рис. 4.2, б) дозволяє зробити висновок, що асинхронний двигун створює несприятливі умови для автономного інвертора як імпульсного джерела живлення. Якщо інвертор працює як джерело імпульсного струму, то індуктивність L_{S С} створює перенапруги на фронтах імпульсів, через те що індукована ЕРС L_{S С}(di _в/ dt) пропорційна швидкості зміни струму. Якщо ж інвертор видає імпульсну напругу, то струми низькочастотних вищих гармонік будуть досить великими, оскільки на частотах цих гармонік немає протиЕРС, а індуктивний опір w L_{S С} не дуже великий у зв’язку з малістю індуктивності розсіювання.

Ще одна негативна властивість асинхронного двигуна як навантаження полягає в його схильності до збудження низькочастотних автоколивань в системі живлення з резонансними властивостями. Спрощено ця схильність може бути пояснена таким чином.

Вказані негативні фактори у поєднанні з необхідністю регулювання як напруги, так і частоти довгий час стримували впровадження електро-приводів з асинхронними двигунами, і тільки прогрес у створенні швидкодіючих напівпровідникових приладів зробив можливим широке впровадження таких приводів.

Автономні інвертори, як і перетворювачі других класів, мають структурну схему рис. 1.1. Силовий перетворювальний блок тягового інвертора містить, як правило, тільки комутатор.

Автономні інвертори, як і випрямлячі, класифікують, насамперед, залежно від частотних властивостей вхідного кола, яке містить джерело живлення та вхідний фільтр. Частотні властивості визначають відносно входу комутатора. Автономні інвертори, які мають великий опір вхідного кола на високих частотах, а тому добре згладжений та незмінний за напрямком вхідний струм, називають інверторами струму. Комутатор формує з цього згладженого вхідного струму імпульсний струм на виході. Інвертори напруги мають протилежні (дуальні) властивості. У них добре згладжена та незмінна за напрямком вхідна напруга, з якої формується імпульсна напруга на виході комутатора.

З дуальної основної ознаки, яка відрізняє автономні інвертори струму і напруги, випливає протилежність також і інших схемних ознак. В інверторі струму комутатор треба будувати з двоквадрантних ключів змінної напруги. Дійсно, оскільки вхідний струм не змінює свого напрямку, то не змінює напрямку і струм кожного з напівпровідникових ключів. Вихідне коло завжди містить реактивні елементи, які при роботі на змінному струмі накопичують реактивну енергію в одну частину періоду та повертають її в другу. Тому миттєва потужність вихідного і вхідного кіл змінює протягом періоду знак, що на вході можливо тільки за рахунок зміни знака вхідної напруги. Ця знакозмінна напруга прикладається до розімкнутих ключів комутатора. Для інвертора напруги усі ці міркування дуальні, тому в його комутаторі потрібні двоквадрантні ключі знакозмінного струму. При цьому зміна знака струму відбувається при поверненні реактивної енергії.

Із незмінності напрямку вхідного струму випливає також, що в тяговому інверторі струму при переході від тяги до гальмування повинна змінювати знак вхідна напруга. В тяговому інверторі напруги, навпаки, змінює знак вхідний струм.