Тяговый электропривод (ТЭП) обычно содержит преобразователь частоты (ПЧ), нагруженный на асинхронный электродвигатель (ЭД). В свою очередь ПЧ состоит из выпрямителя (В) с фильтром, подключенного к инвертору (И). Регулируемый В изменяет напряжение на входе И и чаще всего использует амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ). Для регулирования скорости вращения ЭД инвертор использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Цель статьи состоит в анализе влияния типа ШИМ на условия работы И и ЭД для создания крутящего момента ТЭП, а также в учете влияния специфики работы транзисторов и их защит. Вопросы построения ТЭП, ПЧ и И исследованы в [1–5], исследование режимов транзисторов отражены в [6, 7], специфика работы транзисторов и драйверов в [8–10].
Регулирование частоты ТЭП осуществляется с помощью инвертора (И) по схеме 2-уровневого преобразователя напряжения, система управления которого реализует один из вариантов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Частота выходного напряжения изменяется И на протяжении периода повторяемости коммутаций полностью управляемых вентилей. В качестве этих вентилей используются: MOSFET-транзисторы для маломощных И или IGBT-транзисторы для мощных И.
Частота или длительность периода регулируют: изменение входного сигнала (угол управления) от системы управления (СУ) и изменение постоянного напряжения Ud на входе И. Указанные два способа регулирования частоты ТЭП и асинхронного ЭД приведены на рис. 1.
Применение ШИМ позволяет самым простым образом формировать 3-фазное напряжение регулируемой частоты для питания асинхронного ЭД. Известны три основных варианта ШИМ: синусоидальная ШИМ, синхронная ШИМ и асинхронная ШИМ.
Для пояснения работы мостового 3-фазного И, который управляется СУ с реализацией ШИМ, следует использовать топологию 6-пульсного преобразователя напряжения с двумя возможными состояниями полностью управляемых ключей. Каждый ключ имеет два возможных состояния: 1 – включен, 0 – отключен.
Шесть ключей на рис. 1 могут составить 8 комбинаций состояния, которые показаны в виде векторов на схеме рис. 2а. Эти векторы образуют векторный 6-угольник в виде последовательности переключения ключей на рис. 2б, где показано состояние ключей И в одном из восьми возможных состояний, где для верхней (анодной) группы принято состояние вектора – 100, а для нижней (катодной) группы – 011. На рис. 2 представлена векторная диаграмма состояния ключей в схеме рис. 1 (а) и состояние ключей в одном из шести тактов переключения ключей (б) и приняты обозначения: для фаз: U, W, V, для возможных состояний всех шести запертых ключей – 000, всех открытых ключей – 111.