Автономные инверторы напряжения реферат

Обновлено: 05.07.2024

Инвертором называется устройство для преобразова­ния постоянного тока в переменный с постоянными или регулируемы­ми значениями выходного напряжения и частоты. Если инвертор ра­ботает на нагрузку, не имеющую другого источника питания, он на­зывается автономным. Автономные инверторы (АИ) применяются для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников постоянного тока, для электропривода с частотным регулированием, в системах прямого преобразования энергии, напри­мер от топливных элементов, МГД-генераторов и т. п.

Основные требования к АИ: максимальный КПД преобразования, минимальные массогабаритные показатели и стоимость, возможность регулирования Uн и Iвых в достаточно широких пределах, обеспече­ние заданной формы выходного напряжения, отсутствие срывов работы при перегрузке и на холостом ходу и т. п.

В качестве переключательных элементов в автономных инверторах нашли применение транзисторы, обычные и двухоперационные тиристоры. Первые используются в устройствах относительно небольшой мощности, последние наиболее удобны в АИ напряжения и в регулируемых инверторах. Обычные тиристоры иногда приходится применять в совокупности со схемами принудительной коммутации.

Все АИ могут быть подразделены на ряд видов. По схеме преобразования АИ различаются по количеству фаз, схеме питания и некоторым другим параметрам, о которых будет упомянуто ниже. По способу коммутации вентилей они могут быть следующими:

инверторы, полностью коммутируемые по управляющим цепям (на транзисторах и ДОТ);

инверторы с коммутирующими конденсаторами, подключенными параллельно нагрузке;

АИ с двухступенчатой коммутацией, позволяющие осуществлять регулирование выходного напряжения.

Однако наиболее существенно деление автономных инверторов на два типа - автономные инверторы напряжения (АИН) и АИ тока (АНТ) в зависимости от характера источника питания и его связи с АИ (кроме того, существуют и резонансные АИ, но применяются они редко).

Автономный инвертор напряжения.

АИН формирует в нагрузке переменное напряжение путем периодического подключения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного включения вентилей (рис. 1, а).

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумуляторные батарея или выпрямитель с емкостным фильтром), назначение конденсатора будет разъяснено дополнительно.


Рис. 1. Автономный инвертор напряжения (а) и диаграмма его работы (б)

Вентили должны быть полностью управляемые (ДОТ) или каждый тиристор снабжается схемой принудительной коммутации. При работе схемы на нагрузке формируются прямоугольные импульсы напряжения (рис. 1, б), а форма тока зависит от ее характера. Если нагрузка чисто активная, то форма тока совпадает с формой напряжения (пунктир на рис. 1, б), если нагрузка активно-индуктивная, ток iн меняется по экспоненте с постоянной времени . При запи­рании очередной пары вентилей (например, VD1 и VD4) и отпирании второй пары напряжение Uн меняется скачком, а ток некоторое время сохраняет свое направление. Для обеспечения прохождения этого тока используются так называемые обратные диоды VD5. VD8, далее ток замыкается через конденсатор С.

Частота тока в нагрузке определяется схемой управления, нагрузочная характеристика АИН - жесткая, так как напряжение на нагрузке практически равно Un = Е.

Так как входной ток собственно инвертора становится (при RL-нагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя необходим конденсатор С большой емкости. АИН могут работать в широ­ком диапазоне нагрузок - от холостого хода до значения, при котором возможна перегрузка вентилей.

Максимальное значение тока нагрузки при симметричном харак­тере выходного напряжения равно


,

Где ; ; Т- период.

Регулировать напряжение на выходе АИН можно, либо изменяя Е, либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее осуществляют несколькими способами: 1) каждый импульс напряже­ния в нагрузке формируется из нескольких, меняющих свою длитель­ность (рис. 2, а); 2) сокращение времени работы АИН в каждый полупериод за счет закрывания одной пары вентилей и включения второй пары с задержкой (рис. 2, б); 3) применение двух инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений путем регулирования фазы в схемах управления (рис. 2, в). В первых двух случаях возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом варианте можно по лучить выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному.


Рис. 2. Регулирование напряжения в АИН

Автономный инвертор тока.

АИТ (рис. 3) получает питание от источника питания через достаточно большую индуктивность, поэтому потребляемый инвертором ток практически не меняется. При поочередном переключении пар тиристоров (не запираемых) в нагрузке формируются прямоугольные импульсы тока, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая, как правило, бывает активно-емкостная. По способу подключения конденсатора к нагрузке так АИТ получили название параллельных.


Как видно из рис. 3, при очередном переключении пар тиристоров (например, работали VD1 и VD4, а включаются схемой управления VD2 и VD3) через нагрузку ток меняется скачком, а за счет перезаряда конденсатора С в течение некоторого интервала времени ранее работавшие тиристоры оказываются под обратным напряжением и, естественно, запираются. Необходимо, чтобы этот интервал был больше времени выключения тиристора. Чем больше постоянная времени , тем медленнее меняется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма - к треугольной. Внешняя характеристика АИТ - мягкая (крутопадающая), режим холостого хода невозможен.


Рис. 3. Автономный инвертор тока (а) и диаграмма его работы (б)

Относительное значение напряжения на нагрузке и вид внешней характеристики могут быть приближенно найдены из формулы


где - КПД АИТ; .

Следует отметить, что при активно-индуктивной нагрузке АИТ неработоспособен и такую нагрузку необходимо шунтировать конденсатором.

Так как на практике трудно обеспечить для АИТ или С для АИН, реальные схемы имеют некоторые промежуточные качества.

Для питания относительно маломощной однофазной нагрузки с напряжением, заметно отличающимся от напряжения питания, удобно применять схему, в которой одна пара тиристоров заменена полуоб­мотками трансформатора, а сам он позволяет согласовать Un и Uн (рис. 4).


Рис. 4. Параллельный инвер­тор на транзисторах

При включении, например, VD1 ток проходит от источника пита­ния через L, полуобмотку W1 трансформатора Тр и VD1. Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, и появляется ток в нагрузке. Коммути­рующий конденсатор С заряжается почти до удвоенного напряжения сети (за счет ЭДС самоиндукции в обмотке W2). Когда схема управле­ния СУ включит VD2, конденсатор оказывается включенным парал­лельно VD1, тот мгновенно запирается (так как подано напряжение в запирающем направлении) и процесс повторяется.

В нагрузке формируется напряжение с частотой, определяемой схемой управления. Форма напряжения зависит от Rн (при больших Rн она ближе к треугольной, при меньших Rн - к прямоугольной), вели­чина - от Е, коэффициента трансформации и значения Rн.

Напряжение на L равно разности между Uc (пересчитанным к по­ловине первичной обмотки) и Е. В режимах, близких к холостому ходу, конденсатор заряжается неизменным током, причем Uc может достигать больших (много больше Е) значений, что опасно для ти­ристоров.

В качестве схемы управления можно применять транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подключенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же источника питания. Схема пригодна для E=12. 250 В, Iн = 1. 50А, f=10. 2000 Гц.

Последовательные инверторы в некоторых случаях применяются для получения переменного тока повышенной частоты (f= 2. 50 кГц). Они имеют резонансную цепочку, с помощью которой производится коммутация вентилей. Схема работает следующим образом (рис. 5). При подаче управляющего сигнала открывается VD1, ток идет через L1, Rн, С. В следующий полупериод включается VD2 и конденсатор С, заряженный во время первого полупериода, разряжается через Rн, L2 и VD2. Схема может работать в нескольких режимах.


Рис. 5. Последовательный инвертор (а) и режимы его работы (б-г)

В режиме прерывистых токов (рис. 5, б) VD1 выключается после спадания тока заряда конденсатора С, т. е. до того момента, когда схема управления включает VD2 (и наоборот). В результате имеет мес­то интервал времени, когда оба вентиля ток не проводят и Iн = 0.

В режиме непрерывных токов (рис. 5, г) VD1 выключается в момент включения VD2, т. е. есть состояние, когда ток проводят оба вентиля. Выключение VD1 при этом осуществляется за счет того, что при включении VD2 и прохождении тока разряда С через L2 в L1 формируется противо-ЭДС, достаточная для снижения тока открытого VD1 до нуля. Для этого необходимо, чтобы включение VD2 происходило тогда, когда ток через VD1 уже начал снижаться. В противном случае неизбежен режим „сквозного" тока через VD1, L1, L2 и VD2, т. е. ре­жим КЗ.

Оптимальным является граничный режим (рис. 5, в), при кото­ром форма тока в нагрузке близка к синусоиде. Такие инверторы целесообразно применять при постоянных значениях всех параметров, в том числе нагрузки, при этом обеспечивается достаточно жесткая внешняя характеристика. Так как при малых нагрузках инвертор может выпасть из режима, параллельно Rн включают С0 и инвертор превращается в последовательно-параллельный.

Если подключить еще один конденсатор С 1 , то инвертор из однотактного превращается в двухтактный, в то время, когда заряжает С, разряжается С 1 и наоборот. Это повышает эффективность работы схемы.

Изучение понятия автономного инвертора, который является преобразователем постоянного тока в переменный ток. Ознакомление с разновидностями транзисторных преобразователей. Рассмотрение особенностей схемы инвертора с последовательным конденсатором.

Рубрика Физика и энергетика
Вид лекция
Язык русский
Дата добавления 21.10.2014
Размер файла 162,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Понятие и виды автономных инверторов

1.1. Понятие автономного инвертора

1.2. Классификация инверторов

1.3. Пример преобразователя с самовозбуждением на мощных транзисторах

1.4. Разновидности транзисторных преобразователей

2. Основные коммутационные узлы АИ для мощных тиристоров

3. Инвертор с последовательным конденсатором (резонансный АИ)

4. Инвертор тока с параллельно включенным конденсатором переменного тока

5. Инверторы на полностью управляемых вентилях

6. Инвертор трехфазный

1. Понятие и виды автономных инверторов

1.1 Понятие автономного инвертора

Автономный инвертор является преобразователем постоянного тока в переменный ток, и его работа определяется системой управления. Они применяются в том случае, если основным источником питания является солнечная батарея, аккумулятор и т.п.

Схемное решение АИ зависит:

от рода нагрузки тока;

от требований, предъявляемых к инвертору.

Так как тиристоры большой мощности невозможно закрыть током управления, то используют для их закрытия два метода:

Метод встречного тока (он присутствует в инверторах ведомых сетью в период коммутации)

Метод встречного напряжения, при котором к тиристору прикладывается напряжение, запирающее его.

1.2 Классификация инверторов

Разновидность инверторов в настоящее время велика, потому они имеют классификационные признаки. Инверторы делятся по ниже перечисленным критериям.

По схеме преобразования

Различают по схеме преобразования пять видов инверторов:

- Одно - вентильная схема (прерыватель);

- однофазная схема с нулевым выводом;

- однофазная мостовая схема;

- трехфазная схема с нулевым выводом;

- трехфазная мостовая схема.

Разновидность инверторов по способу коммутации вентилями известна следующая:

- инверторы с индивидуальной коммутацией. Каждый вентиль управляется от системы управления. Вентили используют с двусторонним управлением (мощные транзисторы, управляемые запираемые током управления тиристоры);

- инверторы с фазной коммутацией. К одной фазе подключаются два вентиля. Фазное напряжение попеременно управляет тиристорами;

- инверторы с групповой коммутацией. В таких инверторах для запирания вентилей анодной и катодной группы служат разные коммутирующие устройства;

- инверторы с общей коммутацией. Обычно такой инвертор имеет коммутирующий конденсатор, который является общим для коммутации нескольких вентилей;

- инверторы с межфазной коммутацией. В инверторах каждая группа вентилей, включенная в фазное напряжение, этим же напряжением управляется.

По способу управления

Способы управления вентилями дают следующие разновидности автономных инверторов:

- инверторы с самовозбуждением сами формируют импульсы управления внутри своей схемы.

- инверторы с внешним возбуждением имеют внешний генератор, который задает требуемую форму, частоту и амплитуду управляющих импульсов.

В зависимости от протекающих в инверторе электромагнитных процессов

В зависимости от протекающих в инверторе электромагнитных процессов различают:

- инверторы тока поставляют в нагрузку ток. Форма же напряжения в нагрузке определяется характером этой нагрузке. Например, при емкостной нагрузке напряжение в ней становится пилообразным. Инверторы как правило имеют индуктивный дроссель, что делает форму тока, близкой к П-образной форме. Источник питания при этом работает в режиме идеального генератора тока.

- инверторы напряжения в нагрузке формируют форму напряжения, а форма тока зависит от характера нагрузки. Источник питания при этом работает в режиме идеального генератора напряжения. Процессы в инверторе часто требуют ставить обратный выпрямитель, через который реактивная мощность нагрузки периодически отдается в источник питания. Его отсутствие приведет к большим перенапряжениям и выводу вентилей из строя.

- резонансные инверторы имеют нагрузку индуктивного характера. Для ее компенсации вводят конденсаторную батарею. При этом в схеме могут возникать резонансные явления, которые используются для поддержания устойчивой работы инвертора. Эти инверторы способны выдавать напряжение по форме близкое к синусоиде.

1.3 Пример преобразователя с самовозбуждением на мощных транзисторах

Для питания автономных объектов используют аккумуляторы. При этом системы автоматики требуют переменное напряжение заданной формы. Эти функции может выполнять схема, представленная на рис. 12.1.

Выбрать конгруэнтные транзисторы невозможно. Потому при включении питания ток в одном из транзисторов (например, VT1) несколько возрастет. Магнитный поток в сердечнике тоже возрастет и наведет в обмотках трансформатора, подсоединенных к базам транзисторов возросшее напряжение Uос1 и Uос2. Обмотки трансформаторов в цепи базы транзистров включены так, что напряжения на обмотках Uос1 и Uос2 противофазны. Потому транзистор VT2 слегка призакроется, а VT1 приоткроется в большей степени.

Это дополнительно увеличит то Iк2 транзистора VT1. Этот процесс приводит к лавинообразному нарастанию тока открывающегося транзистора и быстрому закрытию второго транзистора. При этом магнитный сердечник быстро входит в режим насыщения, и магнитное поле перестает нарастать. Но постоянный магнитный поток не может индуцировать в обмотках трансформатора напряжение, и оно начнет уменьшаться.

Как только приоткроется транзистор VT2, процесс быстро повториться, но уже откроется транзистор VT2. В результате в трансформаторе на выходе появится знакопеременное напряжение (ток), которое можно использовать для питания устройств переменного тока.

На рис. 12.2. показана линейная зависимость магнитного потока в сердечнике трансформатора во время закрытия ранее работавшего транзистора VT1 и закрытия транзистора VT2.

Выходное напряжение практически является прямоугольными импульсами, частота которых зависит от свойств транзисторов, магнитного сердечника и числа витков в трансформаторе.

1.4 Разновидности транзисторных преобразователей

Рассмотренная схема двухтактного преобразователя является экономичной, дает большую выходную мощность. Существуют еще две разновидности схем:

- одно-транзисторная (вибратор) схема дает малую выходную мощность (1…2 Вт) и малый к.п.д;

- мостовой преобразователь состоит из 4-х транзисторов, но имеет самые высокие технические показатели;

Все преобразователи не отличаются высокой стабильностью, потому приходится применять дополнительные меры:

- стабилизировать напряжение питания преобразователя;

- стабилизировать напряжение, насыщающее магнитный сердечник трансформатора;

- в преобразователь добавляют резонансный контур, который поддерживает частоту колебаний преобразователя в заданных пределах;

- вводят генератор синхроимпульсов, который заставляет преобразователь работать строго в соответствии с внешними синхроимпульсами.

2. Основные коммутационные узлы АИ для мощных тир и сторов

На рисунке показаны основные коммутационные узлы.

При открытом тиристоре VS2 конденсатор заряжается от источника питания практически до его напряжения. Если открыть тиристор VS1, то конденсатор начет разряжаться через открытые тиристоры. Как видно по рис. 12.3 ток в тиристоре VS2 будет встречным. Если выбрать конденсатор большой величины, то можно обеспечить встречный ток во времени большим, чем нужно для закрытия вентиля. Это приведет к переходу вентиля VS2 в нейтральное (закрытое) состояние.

На рис. 12.4 показана схема, в которой тиристор закрывается встречным напряжением. В ней VS1 является рабочим вентилем, VS3 это вентиль коммутации. В исходном состоянии конденсатор через вентиль VS3 заряжается до напряжения источника питания. При включении основного вентиля VS1 ток ограничивается только сопротивлением индуктивности L2. Если не принять вовремя попытку закрыть вентиль, то в цепи установится постоянный ток. Но индуктивность на постоянном токе имеет сопротивление очень малое. Это приведет к росту тока вентиля и может вывести его из строя. По этой причине нужно не опоздать включить тиристор VS2. При этом конденсатор начнет разряжаться через индуктивность L2. В индуктивности возникает противо ЭДС, которая является встречным напряжением относительно напряжения источника питания. Это закрывает тиристор VS1. При этом тиристор VS3 должен быть закрытым, иначе через него и тиристор VS2 потечет сверхбольшой ток. Этого режима не будет, если выбрать скорости коммутации основного вентиля меньше скорости зарядки конденсатора С. Тогда при открытии вентиля VS3 по мере зарядки конденсатора ток в нем станем уменьшаться до тока отключения. Лишь после этого открывается основной вентиль, а затем вентиль коммутации.

3. Инвертор с последовательным конденсатором (рез о нансный АИ)

Для токов частоты 3000..10 000 Гц применяют резонансные контуры. Однополупериодный инвертор приведен на рис. 12.5.

Однополупериодный инвертор работает при последовательном включении тиристров. VS2 обеспечивает ток нагрузки в результате зарядки конденсатора С. VS1обеспечивает ток нагрузки противоположного знака в результате разрядки конденсатора через тиристор VS1. В схеме конденсатор заряжается, ток уменьшается, и тиристор VS2 закрывается. Тиристор VS1 закроется по мере уменьшения разрядного тока. Опасно открытое состояние двух тиристорв одновременно. Это не допускают с помощью системы управления.

Двухполупериодный (мостовой) инвертор работает так. Открывая тиристоры VS1 и VS4, получим ток нагрузки в результате зарядки конденсатора С. По мере зарядки конденсатора ток тиристоров уменьшается до величины, при котором они могут закрыться. Открывая тиристоры VS2 и VS3, получим ток нагрузки в результате зарядки конденсатора С. По мере зарядки конденсатора ток тиристоров уменьшается до величины, при котором они могут закрыться. При этом возможны три режима работы АИ.

Режим 1 (рис. 12.8). Время переключения тиристоров намного медленнее времени зарядки конденсатора С. При этом ток нагрузки прерывистый и тиристоры закрываются при минимальном токе самостоятельно. Форма тока это импульсы, по форме похожие на волуволны синусоиды, которые разделены относительно друг друга большими отрезками времени.

Режим 2 (рис. 12.9). Время переключения тиристоров быстрее времени зарядки конденсатора С. При этом ток нагрузки не сильно уменьшается и тиристоры самостоятельно не закрываются. При открытии второй группы тиристоров, конденсатор встречным током закрывает ранее работавшие тиристоры. При этом возникает опасность от того, что тиристоры не смогут закрыться. При этом тиристоры накоротко замыкают источник постоянного напряжения, ток достигает недопустимо больших значений и тиристоры выходят из строя. В режиме нормальном в нагрузке ток становится похожим на знакопеременный ток П-образной формы.

Режим 3 (рис. 12.10). В режиме третьем время переключения тиристоров и время зарядки конденсатора равны. Иначе, частота переключения равна частоте собственных колебаний контура АИ:

В результате ток нагрузки становится чисто синусоидальным.

Разновидностью рассмотренного инвертора является мостовая схема инвертора, представленного на рис. 12.6. В эжтой схеме попарно включаются тиристоры. Например, вначале откроем тиристоры VS1 и VS3. Зарядный ток конденсатора потечет по контуру Eo- VS1-L1- RH-C-L4- VS4-Eo. Если открыть вентили VS2 и VS3, то конденсатор получить две ципи для разрядки С- RH-C-L1- VS1- VS2- L2- С и С- RH- L3-VS3- VS4- L4- С. Токи разряда конденсатора встречным токам ранее работавших вентилей и они закрываются. инвертор ток транзисторный

Режимы работы этого инвертора такие же, как и в ранее рассмотренном инверторе.

4. Инвертор тока с параллельно включенным конденсатором переменного т о ка

Инвертор с параллельно включенным конденсатором показан на рис. 12.7. Здесь источник постоянного тока включается в среднюю точку обмотки трансформатора. Нагрузка перенесена в первичную обмотку трансформатора. Тиристоры включаются поочередно. Например, при включении тиристора VS1 конденсатор заряжает током до напряжения источника питания. В это же время во вторичной обмотке трансформатора протекает ток в нагрузке Rн. Включив тиристор VS2, мы получим цепь для разрядки конденсатора через открытые вентили. При этом к ранее работавшему вентилю приложится встречное напряжение конденсатора и тиристор закроется. При правильно подобранных величинах индуктивности трансформатора и величины емкости конденсатора получим в нагрузке чисто синусоидальное напряжение.

5. Инверторы на полностью управляемых вентилях

При анализе схем полагают:

вентили идеально управляемые,

внутренне сопротивление источника постоянного напряжения равно нулю;

время переключения вентилей равно нулю;

проводники имею нулевое сопротивление и нулевую индуктивность.

Схема инвертора напряжения представлена на рисунке.

Тогда ток протекает по контуру “+Uо”-VS1-Zн-VS4- “-Uo”. Напряжение на нагрузке устанавливается неизменным, хотя индуктивный характер нагрузки заставляет ток меняться по экспоненте.

В момент времени 2 тиристоры переключатся. Ток нагрузки, из-за ее индуктивного характера, продолжает протекать в прежнем направлении. Этому способствуют вентили VD1 и VD3 обратного мостового преобразователя. В результате ток продолжает протекать по контуру Zн -VD2-“+Uo”-“-Uo”-VD3- Zн. Накопленная индуктивностью нагрузки реактивная мощность возвращается в источник питания.

Как только ток нагрузки становится близким к нулю, открываем тиристоры VS2 и VS3. В этом случае ток протекает по контуру “+Uо”-VS2-Zн-VS3- “-Uo”. Напряжение мгновенно меняет свою полярность на противоположную. Ток же меняет свое направление только в момент времени3.

Далее вновь открываются вентили VS1 и VS4. Напряжение в нагрузке вновь меняет полярность, а ток нагрузки примерно в течение времени, равному 1…2 продолжает протекать в прежнем направлении по контуру Zн-VD1-“+Uo”-“-Uo”-VD4.

Действующее значение тока нагрузки можно получить, проинтегрировав его квадрат за период

- базисный ток, - параметр цепи нагрузки,

Максимальное значение тока находим в момент :

6. Инвертор трехфазный

Для лучшего восприятия принципа работы инвертора вспомним последовательность коммутации вентилей в инверторе, ведомом сетью (рис. 11.14).

Пусть в момент времени t1 открылся тиристор VS1. При этом продолжает тиристор VS6 (на рис. тиристоры отмечены символами 1 и 6). Ток нагрузки начнет протекать по контуру + Uпит - VS1-ZА-ZВ- VS6- Uпит. Заметим, что ток протекает по нагрузке фазы А слево направо.

Ровно через половину времени работы вентиля VS1 включаем вентиль VS2. Тогда ток продолжит протекать по несколько иному контуру + Uпит - VS1-ZА-ZС- VS2- Uпит.

Через время, равное еще третьей части периода работы тиристора VS1 открываем тиристор VS3. Ток начнет протекать по контуру + Uпит - VS3-ZВ-ZС- VS2- Uпит.

Затем в катодной группе вентиль VS2 закрывается, а вентиль VS4 открывается. В этом случае ток протекает по контуру + Uпит - VS3-ZВ-ZА- VS4- Uпит. Заметим, что ток протекает по нагрузке фазы А справа налево. В результате в фазе А мы доказали, что ток нагрузки будет переменным, а его частота зависит от частоты импульсов системы управления, которая подает импульс на тиристоры инвертора.

Можем продолжить процесс рассмотрения работы тиристоров в инверторе и убедиться в том, что и в остальных нагрузках ток будет также знакопеременным. По форме напряжение напоминает П - образные импульсы. Ток в фазных нагрузках, как в однофазном инверторе на полностью управляемых вентилях (п.5), изменяется по закону, напоминающему экспоненту.

Подобные документы

Особенности управления электродвигателями переменного тока. Описание преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока на основе автономного инвертора напряжения. Динамические характеристики САУ переменного тока, анализ устойчивости.

курсовая работа [619,4 K], добавлен 14.12.2010

Рассмотрение двухзвенных преобразователей с импульсным регулированием выходного напряжения или тока как основных преобразователей для высококачественных электроприводов. Виды тока коллекторного двигателя постоянного тока, который получает питание от ИП.

презентация [366,0 K], добавлен 21.04.2019

Питание двигателя при регулировании скорости изменением величины напряжения от отдельного регулируемого источника постоянного тока. Применение тиристорных преобразователей в электроприводах постоянного тока. Структурная схема тиристорного преобразователя.

курсовая работа [509,4 K], добавлен 01.02.2015

Выбор оптимального варианта структурной схемы вызывного устройства, используемого в составе зарядного устройства аккумуляторов. Определение объема трансформатора и реактора. Расчет характеристик инвертора и выбор компонентов его принципиальной схемы.

контрольная работа [346,7 K], добавлен 07.07.2013

Изучение механических характеристик электродвигателей постоянного тока с параллельным, независимым и последовательным возбуждением. Тормозные режимы. Электродвигатель переменного тока с фазным ротором. Изучение схем пуска двигателей, функции времени.

лабораторная работа [1,3 M], добавлен 23.10.2009

Исследование основных особенностей электромагнитных процессов в цепях переменного тока. Характеристика электрических однофазных цепей синусоидального тока. Расчет сложной электрической цепи постоянного тока. Составление полной системы уравнений Кирхгофа.

реферат [122,8 K], добавлен 27.07.2013

Исследование неразветвленной и разветвленной электрических цепей постоянного тока. Расчет нелинейных цепей постоянного тока. Исследование работы линии электропередачи постоянного тока. Цепь переменного тока с последовательным соединением сопротивлений.

Радиоэлектронная аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника.
Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами.

Вложенные файлы: 1 файл

АИН 3.2 (Айрат редактировал).doc

Радиоэлектронная аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника.

Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами.

Первые транзисторные преобразователи разработаны более 60 лет назад. За прошедший период вопросы построения транзисторных преобразователей и входящих в них элементов как в теоретическом, так и практическом плане проработаны достаточно глубоко. В настоящее время транзисторные преобразователи электроэнергии занимают в науке и технике раздел, не меньший по объему и значимости, чем тиристорные преобразователи. Это произошло благодаря разработке и освоению промышленностью в последние 25 лет быстродействующих кремниевых транзисторов на токи и напряжения в несколько сотен ампер и вольт соответственно. Преимущества преобразовательных устройств на транзисторах по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации.

Полупроводниковые преобразователи, связывающие системы переменного и постоянного тока, можно разделить на четыре категории:

- преобразователи переменного напряжения ( преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения и т. п.); преобразователи переменного напряжения в постоянное, называемые выпрямителями;

- преобразователи постоянного напряжения в переменное, называемые инверторами;

- преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение с другими параметрами, называемые преобразователями постоянного напряжения (или конверторами).

По числу фаз хотя бы одной из связуемых систем преобразователи (инверторы, выпрямители) делятся на однофазные и многофазные.

По способу формирования и регулирования выходного напряжения (тока) преобразователи делятся на одноячейковые и многоячейковые.

В одноячейковых преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения (тока) осуществляется путем время-импульсной модуляции на всю глубину (амплитуду) выходного напряжения (тока) путем полного периодического отключения, а затем подключения источника питания.

В многоячейковых преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения осуществляется путем частичной времяимпульсной модуляции в пределах одной зоны, глубина которой в целое число раз меньше полной глубины (амплитуды) выходного напряжения (тока). Многоячейковые преобразователи, разделены на несколько преобразовательных ячеек, несколько входных и (или) выходных трансформаторов, несколько секций первичных и (или) вторичных обмоток этих трансформаторов и (или) имеют несколько входов для подключения к нескольким источникам питания и (или) их ячейкам.

Время-импульсная модуляция проходит либо поочередно в каждой из ячеек, либо одновременно во всех ячейках, работающих с взаимным сдвигом. И в том, и в другом случае выходные и входные параметры (напряжение и ток) изменяются в пределах одной ячейки, равной общему диапазону регулирования, деленному на число ячеек.

Несмотря на очевидное усложнение схемы, многоячейковые преобразователи имеют уменьшенную массу входных и выходных фильтров, повышенное быстродействие и функциональную избыточность (при отказе одной ячейки ее функции выполняют остальные) /1/.

По заданию нужно спроектировать преобразователь напряжения постоянного тока в синусоидальное. Такие вентильные преобразователи, преобразующие постоянный ток в переменный и работающие на автономную нагрузку, называются автономными инверторами.

Инвертором напряжения называют преобразователь, который создает в нагрузке форму напряжения, а форма тока при этом определяется самой нагрузкой. Источник питания в автономном инверторе напряжения (АИН) должен работать в режиме генератора напряжения. Так как АИН не формирует тока нагрузки (т.е. не зависит от него), то он может работать в режиме холостого хода. Сохраняет он работоспособность и в режимах, близких к короткому замыканию, если их выдерживают вентили, то есть АИН работоспособен в широком диапазоне изменения нагрузки. АИН хорошо работает и при изменении частоты в очень широких пределах, при этом он практически не изменяет форму напряжения на нагрузке и ее амплитуду, что выгодно отличает АИН от инверторов тока. Схемы АИН могут быть однофазными и трехфазными.

В связи с тем, что транзисторы силового контура инвертора, как правило, работают в ключевом режиме, естественной формой выходного напряжения является прямоугольная форма. Такая форма удобна для нагрузок постоянного тока, получающих питание с выхода инвертора через выпрямитель и фильтр, так как при этом пульсации основной гармоники напряжения на выходе фильтра невелики. Для ряда нагрузок переменного тока такая форма питающего напряжения или допустима (осветительные и нагревательные устройства), или приемлема (электродвигатели, обмотки электромагнитов, реле и т.п.), поскольку первые безразличны к роду тока, а вторые сами обладают фильтрующими свойствами вследствие индуктивного характера эквивалентного сопротивления

Для некоторых нагрузок переменного тока требуется чисто

синусоидальная форма питающего напряжения, так как при наличии высших гармоник происходит сильное искажение регулировочных характеристик этих устройств в режиме.

В АИН приближение формы выходного напряжения к синусоидальной можно осуществить двумя методами: включением на выходе преобразователя реактивного фильтра или суммированием в выходном каскаде преобразователя нескольких прямоугольных напряжений, которые могут отличаться друг от друга по фазе и амплитуде. Оба метода приводят к снижению содержания высших гармоник в выходном напряжении.

Синусоидальная форма выходного напряжения наиболее универсальна, то есть обеспечивает эффективную работу всех видов нагрузок переменного

тока, а иногда становится целесообразной и для нагрузок постоянного тока, так как обеспечивает коммутацию силовых транзисторов и диодов при токе, близком к нулю, уменьшая тем самым высокочастотные пульсации, радиопомехи и, следовательно, массу и габаритные размеры фильтрующих узлов в инверторе, потребителе и линии связи /1/.

1 Расчёт коэффициента гармоник

Чтобы обеспечить коэффициент гармоник , необходимо получить как минимум трехступенчатую форму выходного напряжения (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Трехступенчатая форма выходного напряжения

Для построения ступенчатой формы период желаемой кривой разбивается на n интервалов одинаковой длительности (в нашем случае n=5), переменными величинами будут амплитуды ступеней. При формировании выходного напряжения, аппроксимирующего синусоиду, будем считать, что кривая пересекает ступени в середине интервала.

Амплитуды ступеней вычисляются по формуле

где - амплитудное значение напряжения на нагрузке,

i – номер ступени,

n – число интервалов.

Учитывая, что действующее значение = 60 В, получаем

Рассчитаем действующие значения первых пятнадцати гармоник для данной кривой аналитическим способом. Точность данного метода очень высока. Расчёты сделаем при помощи программы Mathcad 2001. Текст программы приведён в приложении Б.

Графические построения к расчетам приведены на рисунке 1.2.

Так как синусоида симметрична относительно оси ординат, то все чётные гармоники равны нулю.

Автономным (независимым) инвертором называется преобразователь электрической энергии постоянного тока в переменный, выходные параметры которого (фаза, амплитуда и частота) зависят от схемы преобразователя, схемы управления и от параметров нагрузки. Также как и выпрямители, инверторы различаются по мощности, числу фаз, способу регулирования выходного напряжения и другим менее существенным факторам. В зависимости от характера протекающих электромагнитных процессов различают три типа автономных инверторов:

3) Резонансные инверторы.

Автономный инвертор тока формирует в нагрузке ток (обычно прямоугольные импульсы), а форма и фаза напряжения в нагрузке зависит от параметров нагрузки. Схема однофазного автономного инвертора тока представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Однофазный автономный инвертор тока

Для получения переменного тока в нагрузке тиристоры работают попарно VS1-VS3 и VS2-VS4. Источник постоянного тока U работает в режиме генератора тока, для чего на входе инвертора включается дроссель L большой индуктивности. В интервале между коммутациями тиристоров ток в дросселе L изменяется незначительно. Ключевые элементы (тиристоры) изменяют только направление, но не мгновенное значение тока в нагрузке, так что нагрузка питается как бы от источника тока.

Нагрузка инвертора тока должна носить ёмкостный характер для обеспечения коммутации тиристоров, то есть параллельно (или последовательно) с нагрузкой должен быть включён конденсатор С.

Конденсатор С обеспечивает подачу встречного напряжения на тиристоры, заканчивающие работу, в тот момент, когда схема управления открывает тиристоры, вступающие в работу. Следовательно, в инверторе тока можно использовать обычные (не запираемые) тиристоры.

Временная диаграмма работы автономного инвертора тока представлена на рис. 11.2.

Переключение тиристоров производится схемой управления, которая задает частоту выходного переменного напряжения. В момент коммутации в течение времени tc между анодом и катодом закрывающихся тиристоров поддерживается отрицательное напряжение, поступающее с конденсатора С.

Рис. 11.2. Временная диаграмма работы автономного инвертора тока

В режиме холостого хода, когда конденсатор С заряжается до напряжения U, инвертор не работает, так как тиристоры перестают открываться. При большом токе нагрузки, когда напряжение на конденсаторе С быстро уменьшается (сокращается время tс), может произойти опрокидывание, то есть тиристоры, выходящие из работы, не успеют закрыться. При опрокидывании ток в цепи будет ограничен только активным сопротивлением дросселя L. Следовательно, автономный инвертор тока может работать в ограниченном диапазоне токов нагрузки. Время tс, выраженное в долях синусоиды выходного переменного напряжения, можно рассматривать как угол b. Для нормальной работы инвертора должно выполняться условие


, (11.1)

где w = 2×p×f – угловая частота выходного напряжения, tвыкл – время выключения применяемого в схеме тиристора.

Угол b можно также выразить следующим образом:


, (11.2)


где YC = w×C – модуль проводимости конденсатора С, YН = 1/ZН – модуль проводимости нагрузки, .

Напряжение на нагрузке и необходимую величину ёмкости конденсатора С можно представить в виде функций параметров нагрузки, полученных из баланса активных и реактивных мощностей:


,

где РН – активная мощность нагрузки, QС – реактивная мощность конденсатора С, QН – реактивная мощность нагрузки, QИ – реактивная мощность, потребляемая инвертором.

Действующее значение переменного напряжения основной гармоники в нагрузке


.

Учитывая выражение (11.2) для tgb можно записать:


. (11.3)

Это уравнение внешней характеристики однофазного автономного инвертора тока, только в качестве переменного параметра здесь фигурирует не ток нагрузки, а проводимость нагрузки YН.

Необходимая величина ёмкости конденсатора С может быть вычислена по формуле


. (11.4)

Рассмотрим графики зависимости выходного напряжения инвертора и угла b от параметров нагрузки и величины ёмкости конденсатора С, представленные на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Графики зависимости от параметров нагрузки:

а - выходного напряжения инвертора; б - угла b

Как видно из графика, внешняя характеристика инвертора круто падающая.

Проанализируем режим работы тиристоров.

Максимальные значения прямого и обратного напряжения на тиристорах:

; .

Максимальное, среднее и действующее значения токов тиристоров:

Частота выходного переменного напряжения также не может изменяться в широких пределах, так как индуктивность дросселя L имеет конечное значение, и с уменьшением частоты дроссель уже не сможет поддерживать в схеме режим генератора тока.

Читайте также: