Конспект лекций по курсу “Электрический привод”, страница 41

Схема электропривода с трехфазным трехуровневым инвертором напряжения, питающимся от источника постоянного напряжения, представлена на рис.7.3.1.

Рис.7.3.1 Схема электропривода с асинхронным двигателем и трехуровневым транзисторным инвертором

В рассматриваемой схеме для формирования напряжений трехфазной нагрузки используются три уровня напряжения – нулевой уровень, напряжение на одном конденсаторе и напряжение на двух последовательно соединенных конденсаторах. В связи с этим рассматриваемую схему называют трехуровневой.

Основные преимущества многоуровневых преобразователей по сравнению с двухуровневыми:

-  повышенная единичная мощность преобразователя;

-  повышенное напряжение преобразователя на входе и выходе при использовании сравнительно низковольтных элементов (транзисторных модулей, конденсаторов);

-  меньшие искажения напряжений и токов на входе и выходе при работе в режиме синусоидальной ШИМ;

-  меньшие динамические потери энергии в полупроводниковых элементах при работе в режиме синусоидальной ШИМ;

-  меньшие отрицательные воздействия на двигатели (снижение потерь энергии, увеличение срока службы двигателей и т.д.).

Указанные преимущества частично сохраняются и при работе преобразовательных мостов в режиме перемодуляции. При работе в режиме фазной коммутации линейные напряжения моста имеют прямоугольную форму, как и в двухуровневом инверторе.

В связи с указанными преимуществами многоуровневые преобразователи находят применение в тяговых приводах электропоездов, питающихся непосредственно от контактных сетей постоянного напряжения 3 кВ (2,2-4 кВ), а также в других системах.

Система управления трехуровневого АИН может быть построена при использовании двух пилообразных (опорных) напряжений u_оп1 и u_оп2, как изображено на рис.7.3.2.

Рис.7.3.2 Опорные напряжения, напряжение управления и функции состояния ключей фазы трехуровневого АИН

Каждое напряжение управления в данном случае однополярное. В относительных единицах минимум и максимум напряжений управления равны -1 и +1. Формирование импульсов управления транзисторами осуществляется путем сравнения трехфазной системы напряжений управления u_yn (n=1, 2, 3) с указанными опорными напряжениями. На рис.7.3.2 изображено напряжение управления 1 фазы, а также функции состояния транзисторов фазы k_1m (m=1, 2, 3, 4).

При идеальных ключевых элементах функции состояния транзисторов эквивалентны импульсам управления. Как видно из рис.7.3.2, в режиме ШИМ транзистор одного плеча моста, подключенный к крайнему полюсу цепи выпрямленного напряжения, работает в противофазе с транзистором противоположного плеча моста, подключенным к средней точке цепи выпрямленного напряжения. Транзисторы одного плеча моста работают в режиме ШИМ поочередно. Если один транзистор в плече моста работает в режиме ШИМ, то другой транзистор этого плеча находится в каком-либо одном определенном состоянии – открыт или закрыт. Именно это обстоятельство приводит к уменьшению относительных динамических потерь и к улучшению формы выходного напряжения (размах пульсаций выходного напряжения соответствует напряжению только одного конденсатора, то есть половинному напряжению цепи выпрямленного тока), что видно из рис.7.3.3.

Рис.7.3.3 Напряжения и токи в электроприводе с асинхронным двигателем и трехуровневым инвертором

Принцип действия преобразователей с большим числом уровней аналогичен. При этом с увеличением числа последовательно включенных транзисторов в плече моста и числа последовательно включенных конденсаторов в звене выпрямленного тока уменьшается амплитуда пульсаций напряжений и токов на входе и выходе преобразователя, уменьшаются динамические потери в полупроводниках, уменьшается воздействие высших гармоник напряжений преобразователя на двигатель.