Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 18
Автономные инверторы
Автономными инверторами называют преобразователи постоянного напряжения в переменное, работающие на автономную (отдельную) нагрузку, не связанную с питающей сетью. Выходное напряжение инвертора (форма, амплитуда и частота) определяется схемой преобразователя, системой управления и режимом работы.
По характеру протекающих электромагнитных процессов автономные инверторы делятся на автономные инверторы тока (АИТ), автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). Названия инверторов определяются характером потребляемой энергии от источника постоянного напряжения. В АИН источник работает в режиме источника эдс, АИТ в режиме источника тока, АИР занимает промежуточное место. Нагрузка входит в состав колебательного контура, коммутируемый ток носит колебательный характер. Они применяются на сравнительно высоких частотах, и в основном в печах индукционного нагрева. В рамках нашего курса их рассматривать не будем.
По количеству фаз переменных напряжений инверторы подразделяются на однофазные и многофазные.
Основные области применения:
- получение переменного напряжения, когда имеется только источник постоянного напряжения (бортовая сеть самолетов, судов и ракет);
- в системах бесперебойного питания потребителей;
- в электротранспорте, который питается от контактной сети постоянного тока, а электропривод осуществляется асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а управление производится за счет изменения частоты и амплитуды напряжения;
- в преобразователях постоянного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты, используется в импульсных источниках питания;
- в преобразователях высокой частоты, применяемых в электротермии (индукционный нагрев, плавка и закалка);
- в электроприводе глубинных насосов для регулирования числа оборотов, следовательно, и производительности насосов.
18.1 Автономный инвертор тока
Самой распространенной схемой АИТ является симметричная мостовая схема (рисунок 18.1).
Рисунок 18.1 - Схема однофазного мостового АИТ
В нее входит инверторный мост на тиристорах VT1….VT4, в диагональ которого включена активная нагрузка и параллельно ей - конденсатор С. Схемным признаком АИТ является наличие дросселя с достаточно большой индуктивностью в цепи источника питания; дроссель обеспечивает постоянство тока, потребляемого от источника постоянного напряжения. При анализе этой схемы сделаем следующие допущения , тиристоры идеальны по быстродействию, потери энергии на элементах схемы отсутствуют. Работу схемы иллюстрирует временная диаграмма (рисунок 18.2)..
Рисунок 18.2 - Временная диаграмма работы однофазного АИТ
Пусть на интервале 1-2 открыты тиристоры VT1, VT2, тогда нагрузка с параллельным конденсатором будет подключена к источнику тока . Напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненте из-за заряда конденсатора. К моменту 2 напряжение на конденсаторе будет иметь полярность, показанную на рис.1. В точке 2 подается опирающий импульс на VT1 и VT4. Цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через открытые тиристоры. Возникают два контура разряда: первый контур VT1-VT2, второй контур VT3-VT4. В первом контуре ток разряда протекает на встречу анодному току тиристора VT1, а во втором - на встречу анодному току тиристора VT3. Анодные токи через тиристоры практически мгновенно становятся равными нулю и тиристоры VT1 и VT3 закрываются. Ток начинает протекать через тиристоры VT2 и VT4, направление тока меняется на противоположное. Напряжение на нагрузке из-за наличия конденсатора начинает уменьшаться по экспоненте. Это напряжение прикладывается к тиристорам в обратном направлении в течении времени , которое должно быть больше , что позволяет тиристорам восстановить свои запирающие свойства. В противном случае, после прохождения напряжения через ноль может произойти повторное включение тиристоров VT1 и VT3, тогда все четыре тиристора окажутся открытыми. Это явление является аварийным и называется опрокидыванием инвертора.
Форма, значение выходного напряжения и время отводимое на запирание тиристоров , зависят постоянной времени разряда конденсатора через резистивную нагрузку .
Рассмотрим процесс разряда емкости под действием тока
Рис.3. К определению времени отводимого на закрытие тиристора
В соответствии с эквивалентной схемой (рисунок 18.13,а) запишем
; . (18.1)
Решая полученное дифференциальное уравнение, получим
, (18.2)
где начальное напряжение на конденсаторе при
Если , то, как видно из рисунка 18.3,b
, а при , . (18.3)
Подставляя в предыдущее выражение, получим
, (18.4)
. (18.5)
Пользуясь последним выражением, найдем , как момент когда
, (18.6)
. (18.7)
Анализируя полученные выражения можно сказать, что при увеличении сопротивления нагрузки увеличивается амплитуда напряжения на нагрузке и время, отводимое на закрытие тиристора (рисунок 18.3,b). А при уменьшении сопротивления нагрузки уменьшается амплитуда напряжения на нагрузке и время, отводимое на закрытие тиристора (рисунок 18.3,с). Оба случая нежелательны в крайних проявлениях, т.к. при больших возможен пробой тиристоров, а при малых значениях время, отводимое на выключение, оказывается меньше времени восстановления запирающих свойств тиристоров , что может привести к опрокидыванию инвертора.
АИН применяется при сравнительно постоянной нагрузке. Если нагрузка носит индуктивный характер, то конденсатор , который служит для коммутации тиристоров, подбирается так, чтобы общее сопротивление носило емкостной характер.
18.2 Однофазный автономный инвертор напряжения
Однофазный автономный инвертор напряжения (АИН) обычно строится по симметричной мостовой схеме на полностью управляемых тиристорах VT1….VT4 или транзисторных ключах (рисунок 18.4).
Рисунок 18.4 - Схема однофазного АИН
Параллельно тиристорам включены диоды VD1…VD4, которые служат для возврата энергии, накопленной в индуктивности нагрузки , обратно в источник постоянного напряжения . Источник должен позволять прохождение обратного тока; если это выпрямитель, то для обеспечения возможности протекания реактивного тока обязательно ставиться конденсатор. Наличие конденсатора является схемным признаком АИН.
Рассмотрим работу схемы по временной диаграмме (рисунок 18.5).
Рисунок 18.5 - Временная диаграмма работы АИН
Тиристоры VT1 и VT3 открываются в точке 0 при подаче тока в цепь их управляющих электродов. К нагрузке подключается источник . На интервале 1-2 ток протекает через открытые тиристоры. Путь тока на рисунке 18.4. показан сплошной линией. В точке 2 тиристоры VT1 и VT3 запираются, и открывается вторая пара тиристоров VT2 и VT4. Но ток через индуктивную нагрузку не может мгновенно изменить направление. За счет энергии, запасенной в индуктивности, на интервале 2-3 ток протекает через диоды VD2 и VD4, путь тока показан пунктирной линией. Как видно, ток втекает в положительный полюс источника , следовательно, энергия от нагрузки передается обратно в источник. В точке 3 ток меняет направление, он протекает через тиристоры VT2 и VT4. Далее процессы повторяются. Ток в цепи источника становится знакопеременным, что говорит о наличии энергообмена между источником и нагрузкой.
Выражение для определения тока в цепи нагрузки можно получить, решая дифференциальное уравнение
; (18.8)
, (18.9)
, , (18.10)
где .
Постоянную А найдем из начальных условий
, , (18.11)
. (18.12)
Максимальное значение тока нагрузки при
. (18.13)
Напряжение на выходе имеет прямоугольную форму и практически не зависит от тока, регулировать его амплитуду можно только за счет изменения эдс источника постоянного напряжения . Гармонический состав выходного напряжения определяется из разложения в ряд Фурье
…). (18.14)
18.3 Автономный инвертор напряжения с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения
Регулирование действующего значения выходного напряжения производят за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В течение некоторого интервала одновременно открыты пара анодных тиристоров VT1,VT2 или пара катодных VT3, VT4. Нагрузка закорачивается и в выходном напряжении появляется пауза, длительность которой можно изменять. Диаграмма работы показана на рисунке 18.6.
Рисунок 18.6 - Временная диаграмма работы АИН с ШИМ
Как видно из временной диаграммы на нагрузке формируется переменное напряжение, амплитуда первой гармонической составляющей которого зависит от угла
. (18.15)
АИН с широтно-импульсным модулированием используется в генерировании синусоидальных напряжений. АИН управляется от специального ШИМ контроллера и формирует импульсную последовательность с постоянным периодом, а длительность импульса такова, что среднее значение импульса равно среднему значению синусоидального напряжения за период следования импульсов (рисунок 18.7).
Рисунок 18.7 - Пример формы импульсной последовательности
выходного напряжения АИН при ШИМ
Трехфазную систему можно построить из трех однофазных инверторов, у которых сигналы управления сдвинуты на угол .