Trójfazowy obwód falownika

Wszyscy wiemy o falowniku - jest to urządzenie, które przekształca prąd stały w prąd przemienny. Wcześniej dowiedzieliśmy się o różnych typach falowników i zbudowaliśmy jednofazowy falownik 12 V do 220 V. Falownik 3-fazowy przekształca napięcie DC na 3-fazowe zasilanie AC. W tym samouczku dowiemy się o falowniku trójfazowym i jego działaniu, ale zanim przejdziemy dalej, przyjrzyjmy się przebiegom napięcia linii trójfazowej. W powyższym obwodzie linia trójfazowa jest podłączona do obciążenia rezystancyjnego, a obciążenie pobiera energię z linii. Jeśli narysujemy przebiegi napięcia dla każdej fazy, otrzymamy wykres, jak pokazano na rysunku. Na wykresie widać, że trzy przebiegi napięcia są poza fazą o 120º.

W tym artykule omówimy obwód falownika 3-fazowego, który jest używany jako konwerter prądu stałego na 3-fazowy prąd przemienny. Pamiętaj, że nawet w dzisiejszych czasach osiągnięcie całkowicie sinusoidalnego przebiegu dla różnych obciążeń jest niezwykle trudne i nie jest praktyczne. Więc tutaj omówimy działanie idealnego obwodu przekształtnika trójfazowego pomijając wszystkie kwestie związane z praktycznym falownikiem trójfazowym.

Praca falownika 3-fazowego

Spójrzmy teraz na obwód falownika 3-fazowego i jego idealną uproszczoną formę.

Poniżej znajduje się trójfazowy schemat obwodu falownika zaprojektowany przy użyciu tyrystorów i diody (do ochrony przed skokiem napięcia)

A poniżej znajduje się trójfazowy schemat obwodu falownika zaprojektowany przy użyciu tylko przełączników. Jak widać, ta konfiguracja sześciu mechanicznych przełączników jest bardziej przydatna w zrozumieniu działania falownika 3-fazowego niż uciążliwego obwodu tyrystorowego.

To, co tutaj zrobimy, to otwarcie i symetryczne zamknięcie tych sześciu przełączników, aby uzyskać trójfazowe napięcie wyjściowe dla obciążenia rezystancyjnego. Istnieją dwa sposoby wyzwalania przełączników w celu osiągnięcia pożądanego rezultatu, jeden, w którym przełączniki przewodzą pod kątem 180º, a drugi, w którym przełączniki przewodzą tylko przy 120º. Omówmy każdy wzór poniżej:

A) Falownik trójfazowy - tryb przewodzenia 180 stopni

Idealny obwód jest narysowany, zanim będzie można go podzielić na trzy segmenty, a mianowicie segment pierwszy, segment drugi i segment trzeci, i użyjemy tego zapisu w dalszej części artykułu. Segment pierwszy składa się z pary przełączników S1 i S2, segment drugi składa się z pary przełączników S3 i S4, a segment trzeci z pary przełączników S5 i S6. W dowolnym momencie oba przełączniki w tym samym segmencie nie powinny być nigdy zamykane, ponieważ prowadzi to do zwarć baterii, które uniemożliwiają całą konfigurację, dlatego należy zawsze unikać tego scenariusza.

Teraz zacznijmy sekwencję przełączania, zamykając przełącznik S1 w pierwszym segmencie idealnego obwodu i nazwijmy początek 0º. Ponieważ wybrany czas przewodzenia wynosi 180º, przełącznik S1 będzie zamknięty od 0º do 180º.

Ale po 120º pierwszej fazy, druga faza również będzie miała dodatni cykl, jak widać na trójfazowym wykresie napięcia, więc przełącznik S3 zostanie zamknięty po S1. Ten S3 będzie również zamknięty przez kolejne 180º. Więc S3 będzie zamknięta od 120º do 300 ° i będzie otwarta dopiero po 300 °.

Podobnie trzecia faza ma również dodatni cykl po 120º dodatniego cyklu drugiej fazy, jak pokazano na wykresie na początku artykułu. Zatem przełącznik S5 zostanie zamknięty po zamknięciu S3 120º, tj. 240º. Gdy przełącznik zostanie zamknięty, pozostanie zamknięty do osiągnięcia 180º przed otwarciem, przy czym S5 będzie zamknięty od 240º do 60º (drugi cykl).

Do tej pory zakładaliśmy tylko, że przewodzenie jest wykonywane po zamknięciu przełączników górnej warstwy, ale dla przepływu prądu z obwodu musi być zakończony. Należy również pamiętać, że oba przełączniki w tym samym segmencie nigdy nie powinny znajdować się w stanie zamkniętym w tym samym czasie, więc jeśli jeden przełącznik jest zamknięty, drugi musi być otwarty.

Aby spełnić oba powyższe warunki, zamkniemy S2, S4 i S6 w określonej kolejności. Więc dopiero po otwarciu S1 będziemy musieli zamknąć S2. Podobnie S4 zostanie zamknięty po otwarciu S3 przy 300º iw ten sam sposób S6 zostanie zamknięty po zakończeniu cyklu przewodzenia S5. Ten cykl przełączania się między przełącznikami tego samego segmentu można zobaczyć na poniższym rysunku. Tutaj S2 następuje za S1, S4 za S3, a S6 za S5.

Podążając za tym symetrycznym przełączaniem, możemy osiągnąć pożądane napięcie trójfazowe przedstawione na wykresie. Jeśli wypełnimy początkową sekwencję przełączania w powyższej tabeli, otrzymamy pełny schemat przełączania dla trybu przewodzenia 180º, jak poniżej.

Z powyższej tabeli możemy zrozumieć, że:

Od 0 do 60: S1, S4 i S5 są zamknięte, a pozostałe trzy przełączniki są otwarte.

Od 60-120: S1, S4 i S6 są zamknięte, a pozostałe trzy przełączniki są otwarte.

Od 120-180: S1, S3 i S6 są zamknięte, a pozostałe trzy przełączniki są otwarte.

A sekwencja przełączania przebiega w ten sposób. Teraz narysujmy uproszczony obwód dla każdego kroku, aby lepiej zrozumieć parametry przepływu prądu i napięcia.

Krok 1: (dla 0-60) S1, S4 i S5 są zamknięte, podczas gdy pozostałe trzy przełączniki są otwarte. W takim przypadku uproszczony obwód może wyglądać tak, jak pokazano poniżej.

Tak więc dla 0 do 60: Vao = Vco = Vs / 3; Vbo = -2 Vs / 3

Korzystając z nich, możemy wyznaczyć napięcia linii jako:

Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs Vca = Vco - Vao = 0

Krok 2: (dla 60 do 120) S1, S4 i S6 są zamknięte, podczas gdy pozostałe trzy przełączniki są otwarte. W takim przypadku uproszczony obwód może wyglądać tak, jak pokazano poniżej.

Tak więc dla 60 do 120: Vbo = Vco = -Vs / 3; Vao = 2Vs / 3

Korzystając z nich, możemy wyznaczyć napięcia linii jako:

Vab = Vao - Vbo = Vs Vbc = Vbo - Vco = 0 Vca = Vco - Vao = -Vs

Krok 3: (dla 120 do 180) S1, S3 i S6 są zamknięte, podczas gdy pozostałe trzy przełączniki są otwarte. W takim przypadku uproszczony obwód można narysować jak poniżej.

Tak więc dla 120 do 180: Vao = Vbo = Vs / 3; Vco = -2 Vs / 3

Korzystając z nich, możemy wyznaczyć napięcia linii jako:

Vab = Vao - V bo = 0 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs

Podobnie możemy wyprowadzić napięcia fazowe i napięcia liniowe dla następnych kroków w sekwencji. Można to przedstawić na poniższym rysunku:

A) Falownik trójfazowy - tryb przewodzenia 120 stopni

Tryb 120º jest podobny do 180º pod każdym względem, z wyjątkiem tego, że czas zamykania każdego przełącznika jest zredukowany do 120, co wcześniej było 180.

Jak zwykle zacznijmy sekwencję przełączania od zamknięcia przełącznika S1 w pierwszym segmencie i ustawmy numer początkowy na 0º. Ponieważ wybrany czas przewodzenia wynosi 120º, przełącznik S1 zostanie otwarty po 120º, więc S1 został zamknięty od 0º do 120º.

Ponieważ pół cyklu sygnału sinusoidalnego przechodzi od 0 do 180º, przez pozostały czas S1 będzie otwarty i będzie reprezentowany przez szary obszar powyżej.

Teraz po 120º pierwszej fazy, druga faza również będzie miała pozytywny cykl, jak wspomniano wcześniej, więc przełącznik S3 zostanie zamknięty po S1. Ten S3 będzie również zamknięty przez kolejne 120º. S3 będzie więc zamknięty od 120º do 240º.

Podobnie, trzecia faza ma również dodatni cykl po 120 ° drugiego dodatniego cyklu fazy, więc przełącznik S5 zostanie zamknięty po 120 ° od zamknięcia S3. Gdy przełącznik jest zamknięty, będzie utrzymywany w stanie zamkniętym do osiągnięcia 120º przed otwarciem, a wraz z tym przełącznik S5 zostanie zamknięty od 240º do 360º

Ten cykl symetrycznego przełączania będzie kontynuowany w celu uzyskania pożądanego napięcia trójfazowego. Jeśli w powyższej tabeli wypełnimy początkową i końcową sekwencję przełączania, otrzymamy kompletny schemat przełączania dla trybu przewodzenia 120º, jak poniżej.

Z powyższej tabeli możemy zrozumieć, że:

Od 0 do 60: S1 i S4 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte.

Od 60-120: S1 i S6 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte.

Od 120-180: S3 i S6 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte.

Od 180-240: S2 i S3 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte

Od 240-300: S2 i S5 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte

Od 300-360: S4 i S5 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte

I ta sekwencja kroków przebiega w ten sposób. Teraz narysujmy uproszczony obwód dla każdego kroku, aby lepiej zrozumieć przepływ prądu i parametry napięcia obwodu trójfazowego falownika.

Krok 1: (dla 0-60) S1, S4 są zamknięte, podczas gdy pozostałe cztery przełączniki są otwarte. W takim przypadku uproszczony obwód można przedstawić jak poniżej.

Tak więc dla 0 do 60: Vao = Vs / 2, Vco = 0; Vbo = -Vs / 2

Korzystając z nich, możemy wyznaczyć napięcia linii jako:

Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs / 2

Krok 2: (dla 60 do 120) S1 i S6 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte. W takim przypadku uproszczony obwód można przedstawić jak poniżej.

Tak więc dla 60 do 120: Vbo = 0, Vco = -Vs / 2 i Vao = Vs / 2

Korzystając z nich, możemy wyznaczyć napięcia linii jako:

Vab = Vao - Vbo = Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs

Krok 3: (dla 120 do 180) S3 i S6 są zamknięte, podczas gdy pozostałe przełączniki są otwarte. W takim przypadku uproszczony obwód można przedstawić jak poniżej.

Więc dla 120 do 180: Vao = 0, Vbo = Vs / 2 i Vco = -Vs / 2

Korzystając z nich, możemy wyznaczyć napięcia linii jako:

Vab = Vao - V bo = -Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs / 2

Podobnie możemy wyznaczyć napięcia fazowe i napięcia liniowe dla następnych kolejnych kroków. A jeśli narysujemy wykres dla wszystkich kroków, otrzymamy coś takiego jak poniżej.

Na wykresach wyjściowych dla przypadków przełączania 180º i 120º można zobaczyć, że uzyskaliśmy przemienne napięcie trójfazowe na trzech zaciskach wyjściowych. Chociaż przebieg wyjściowy nie jest czystą falą sinusoidalną, przypominał trójfazowy przebieg napięcia. Jest to prosty idealny obwód i przybliżony przebieg do zrozumienia działania falownika 3-fazowego. Możesz zaprojektować działający model w oparciu o tę teorię, używając tyrystorów, obwodów przełączających, sterujących i zabezpieczających.