Автономный инвертор напряжения (PWR)

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.

Упрошенная принципиальная схема АИН

Рис. 5.4. Упрошенная принципиальная схема АИН: Ud – постоянное питающее напряжение; А-X, В-Y, С-Z – обмотки трехфазного асинхронного двигателя; 1-6 – IGВТ-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

Угол Прибор Схема замещения UA UB UC
1 2 3 4 5 6
0-60° Маркер Маркер Маркер Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД 1/3Ud 1/3Ud -2/3Ud
60-120° Маркер Маркер Маркер Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД – 1/3Ud 2/3Ud -1/3Ud
120-180° Маркер Маркер Маркер Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД -2/3Ud 1/3Ud 1/3Ud
180-240° Маркер Маркер Маркер Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД -1/3Ud -1/3Ud -2/3Ud
240-300° Маркер Маркер Маркер Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД  1/3Ud -2/3Ud 1/3Ud
300-360° Маркер Маркер Маркер Алгоритм открытия транзисторов АИН и мгновенные схемы замещения АТД 2/3Ud -1/3Ud -1/3Ud

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 Uф=0,45Udгде U— входное напряжение преобразователя.

Фазные напряжения при 180-градусном алгоритме управления АИН

Рис. 5.5. Фазные напряжения при 180-градусном алгоритме управления АИН

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:

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 (Uпил) 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 (Uпил) 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.

ШИМ при кратности 9

Рис. 5.6. ШИМ при кратности 9

Формирование алгоритма ШИМ при кратности 9 и интервале 2T

Рис. 5.7. Формирование алгоритма ШИМ при кратности 9 и интервале 2T

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.

Формирование алгоритма ШИМ при кратности 3

Рис. 5.8. Формирование алгоритма ШИМ при кратности 3

Формирование алгоритма ШИМ при кратности 15

Рис. 5.9. Формирование алгоритма ШИМ при кратности 15

Информационные разделы

Пояснения и комментарии

© 2009-2018 Машинист электропоезда. Интернет сайт создан и поддерживается обществом с ограниченной ответственностью "Керби дизайн" (ИНН: 7733695081, 125200, г. Москва, ул. Митинская, д. 19, оф. 97). Контактный телефон: +7 (495) 015-09-35.  Все права защищены.

Принципиальные оговорки

Названия торговых марок, зарегистрированных товарных знаков, знаков обслуживания (как графические, так и словесные) являются собственностью их владельцев и указываются на данном интернет-сайте исключительно с целью информационного освещения, на некоммерческой основе, на основании публичных разрешений владельцев или на основании заключённых партнерских соглашений.

Ограниченная ответственность

Редакция интернет-сайта Машинист электропоезда оставляет за собой право не вступать в переписку с читателями и посетителями сайта.

Рукописи и иллюстрации, не заказанные редакцией, не рецензируются и не возвращаются. Редакция не несёт ответственности за рекомендации, данные аналитиками, а также за мнения лиц, давших интервью. Ответственность за содержание интервью несёт лицо, давшее интервью.