Лекции_AIT_2020
.pdf
Автономные инверторы
Современные транспортные системы электроснабжения (судов,
автомобилей, железнодорожных или воздушных транспортных средств,
робототехнических систем) характеризуются наличием значительного числа потребителей, включая электромеханические, электрогидравлические и электронные устройства, требующих питания переменным током с регулируемым уровнем напряжения или переменным током с регулируемыми напряжением и частотой, отличной от 50 Гц.
Автономными инверторами называют статические преобразователи энергии постоянного тока в энергию переменного тока, обозначаемые в литературе как DC/AC – преобразователи. Автономные инверторы (АИ)
работают на автономную нагрузку, не содержащую источников переменного тока той же частоты, что и АИ, или на сеть, в которой нет других источников переменного напряжения.
В автономных инверторах коммутация тока с одного электронного ключа на другой осуществляется специальным коммутирующим устройством, а частота инвертированного тока определяется частотой управляющих импульсов, подаваемых на ключи, в качестве которых используются силовые тиристоры или IGBTтранзисторы.
Функциональная схема работы АИ представлена на рисунке 1.
Рис.1 Функциональная схема работы АИ
1
На рис.1 приняты следующие обозначения: ИПТ – источник постоянного тока; Ф – фильтр, обеспечивающий «идеальное» сглаживание выходного сигнала ИПТ; АИ – автономный инвертор; Тр – трансформатор,
устанавливающий требуемый уровень выходного напряжения; ФДП – фильтр допустимых пульсаций выходного сигнала; Н –автономная нагрузка;
Р – регулятор, определяющий алгоритм изменения выходного сигнала; ЗУ – задающее устройство; УАО – устройство автономного отключения.
В настоящее время разработано значительное число различных типов и схем автономных инверторов, но единой классификации АИ не существует, поэтому обычно выделяют следующие классификационные признаки:
1.По базовой структуре силовой схемы;
2.По характеру электромагнитных процессов, протекающих в схеме.
На рисунке 2 представлены различные базовые структуры силовой
схемы АИ.
а) |
б) |
2
в) |
г) |
д) |
е) |
Рис.2 Базовые |
структуры силовой части автономных инверторов |
Одновентильная структура, представленная на рис.2а проста, но может применяться только во вторичных источниках питания малой мощности, в системах зажигания и системах подачи топлива в автомобилях,
поэтому рассматриваться не будет.
Однофазные схемы с нулевым выводом трансформатора (рис.2б) и
нулевым выводом источника питания (однофазная полу-мостовая схема) (рис.2в) применяется во вторичных источниках питания разного назначения,
малой и средней мощности, таких как блоки питания персональных компьютеров, устройств бесперебойного питания и др.). Эти структуры
также не рассматриваются в данном пособии.
Однофазные мостовые структуры АИ (рис.2г) могут использоваться в системах малой и средней мощности, но большее применение они нашли в
электротехнических установках большой мощности, в мощных
регулируемых электроприводах. Анализ работы именно однофазных мостовых структур в большей степени является предметом рассмотрения дисциплины «Силовая электроника».
Трехфазные нулевые (рис.2д) и трехфазные мостовые структуры АИ
(рис.2е) нашли наибольшее применение и используются в мощных регулируемых электроприводах переменного тока (от сотен Вт до сотен МВт).
3
По второму классификационному признаку, то есть по характеру и особенностям протекания электромагнитных процессов, автономные инверторы разделяются на следующие типы:
автономные инверторы тока;
автономные инверторы напряжения;
автономные резонансные инверторы.
Одним из ключевых элементов автономных инверторов является емкость, которая служит не только запирающим элементом, но и элементом,
формирующим закон изменения выходного напряжения, а также
определяющий характер электромагнитных процессов.
Для автономных инверторов тока (АИТ) источник питания работает в |
|
режиме источника тока, во входной цепи обязательно имеется дроссель с |
|
индуктивностью, характеризуемой большой величиной, сглаживающий |
|
пульсации тока, |
потребляемого АИТ (при индуктивности L можно |
считать, что |
пульсации отсутствуют). В АИТ параллельно или |
последовательно нагрузке подключается конденсатор. При переключении
ключевых элементов происходит апериодический процесс перезарядки коммутирующего конденсатора. В АИТ в качестве ключевых элементов в основном используются тиристоры.
Для автономных инверторов напряжения (АИН) характерна работа источника в режиме генератора или источника напряжения. При питании такой схемы от выпрямителя на входе обязательно должен стоять конденсатор большой емкости с целью шунтирования источника питания по переменному току или для обеспечения источнику свойств идеального источника напряжения. Нагрузка всегда носит индуктивный характер.
Силовая схема АИН содержит ключевые элементы, такие как |
IJBT- |
|
транзисторы или тиристоры и обязательно обратные |
диоды, создающие |
|
контур протекания индуктивной составляющей |
тока |
нагрузки. |
4
Формирование выходного напряжения осуществляется путем выбранного закона переключения вентилей.
Для автономных резонансных инверторов (АИР) характерны процессы, имеющие резонансный характер. В качестве силовых схем АИР
чаще всего используются однофазные схемы. В цепь нагрузки входят дроссель, характеризуемый большой индуктивностью, конденсатор,
включенный параллельно, последовательно или последовательно-
параллельно нагрузке, которые в совокупности образуют резонансный контур. Характер процессов и структура АИР определяется большой индуктивностью, обеспечивающей колебательный процесс перезарядки конденсатора независимо от того, как он подключен к нагрузке. Ток в цепи нагрузки приближен по форме к синусоиде. Чаще всего автономный резонансный инвертор выполнен на тиристорах, запирание которых происходит за счет плавного спада до нуля анодного тока комбинированного контура, включающего в себя «L» и «C» и обеспечивающего резонанс напряжения на каждом полупериоде выходной частоты. Собственная частота контура должна быть не менее частоты автономного инвертора. По источнику питания выделяют автономные резонансные инверторы:
-с открытым входом (питаются от источников напряжения);
-с закрытым входом (питаются от источников тока).
Фактически автономные резонансные инверторы могут рассматриваться как промежуточные между автономными инверторами тока и автономными инверторами напряжения.
1. Автономные инверторы тока
Автономный инвертор тока – это устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока. Форма выходного напряжения АИТ зависит от характера нагрузки. Параллельно или последовательно-параллельно нагрузке подключают компенсирующие конденсаторы (в соответствии с этим различают параллельные и
5
последовательные АИТ). Основная функция конденсаторов - это компенсация индуктивной составляющей нагрузки с целью обеспечения активного или активно-емкостного характера выходной цепи АИТ, что является необходимым условием его работоспособности.
1.1 Однофазный мостовой параллельный АИТ
На рисунке 3 приведена принципиальная электрическая схема однофазного мостового параллельного АИТ (ОМПАИТ), в состав которого входят две пары тиристоров; входной дроссель Ld , индуктивность которого для параллельного инвертора должна стремиться к бесконечности;
коммутирующий конденсатор Cк, включенный параллельно нагрузке; и
нагрузка, характеризуемая большим активным сопротивлением RH и
практически равной нулю индуктивностью.
Рис.3 Принципиальная электрическая схема однофазного мостового параллельного АИТ
При анализе работы схемы ОМП АИТ приняты следующие допущения:
-источник постоянного тока – идеален;
-полупроводниковые элементы – идеальны;
-индуктивная составляющая сопротивления нагрузки xн →0, н ≈ н.
6
Тиристоры VS1-VS2 и VS3-VS4 включены попарно, каждая пара включается с интервалом, равным половине периода, то есть . Учитывая,
что в нагрузке присутствует только активная составляющая, ток её полностью повторяет напряжение на нагрузке, которое фактически определяется напряжением конденсатора Uc и характеризует выходное напряжение инвертора. На рисунке 4 представлены временные диаграммы,
характеризующие работу схемы.
При подаче управляющего импульса на очередную пару тиристоров,
создается условие возможности одновременного открывания всех четырех тиристоров. Разрядный ток конденсатора, направленный навстречу рабочему току ранее работавших тиристоров, практически мгновенно их запирает, так как в контуре отсутствует накопитель энергии — индуктивность. Скорость нарастания тока в другой паре тиристоров
(открывающихся) может быть чрезмерно велика, что может вызвать развал полупроводниковой структуры. Это обуславливает необходимость включения в нагрузку хотя бы минимальной составляющей индуктивного сопротивления, именно поэтому считают, что xH 0 , но xH 0 .
После спада анодного тока до нуля тиристор закрывается, конденсатор заряжается до нового напряжения. К тиристорам, выходящим из работы, в
пределах фазового угла β прикладывается обратное напряжение. Этот интервал времени необходим для восстановления запирающих полупроводниковых свойств тиристора. Угол β называется углом опережения или углом опережающего фазового сдвига между первой гармоникой тока АИТ и его напряжения Uн. Угол β зависит от величины емкости Cк в силовой сети. Для обеспечения нормальной работы инвертора емкость конденсатора должна быть такой, чтобы соблюдалось условие:
> выкл, где βmin – минимально допустимый угол опережения; tвыкл – паспортное время выключения тиристора; ω – круговая частота отпирания тиристоров АИТ.
7
Рис.4 Временные диаграммы, характеризующие работу ОМПАИТ.
При несоблюдении этого условия происходит нарушение работы АИТ,
называемое срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.
Выходное напряжение инвертора в любой момент времени складывается из постоянной и переменной составляющих. При этом
8
переменная составляющая возникает за счет реактивной мощности конденсатора.
В зависимости от комбинации соотношений параметров Ld , Lн и Ск в
схеме могут наблюдаться 3 различных режима: режим непрерывного и идеально сглаженного тока; режим непрерывного тока, характеризуемого достаточно сильными пульсациями; режим прерывистого тока.
При условии, что Ld→∞, ток ОМПАИТ непрерывен и идеально сглажен, при этом, каждые полпериода имеет неизменную величину i=Iинв=const. Прямоугольный характер тока, обусловленного индуктивностью Ld, объясняет наличие в системе высших гармонических составляющих.
Расчет автономного инвертора при определенном допущении может осуществляться по первой или несущей гармонике разложения в ряд Фурье прямоугольного тока инвертора. Погрешность такого допущения составляет не более 15%. Первая гармоника тока инвертора Iинв(1) изменяется по синусоидальному закону и опережает напряжение инвертора Uи на угол .
На рисунке 5 представлена схема замещения АИТ, справедливая и для первой гармоники.
Рис.5 Схема замещения ОМПАИТ На основании предложенной схемы замещения можно представить
векторную диаграмму состояния, изображенную на рисунке 6. На рисунке за базовый вектор принимается вектор выходного напряжения инвертора,
практически равный вектору напряжения на конденсаторе или вектору напряжения на нагрузке:
9
Рис.6 Векторная диаграмма токов ОМПАИТ
Из векторной диаграммы видно, что вектор тока нагрузки Iн (при R-Lн)
отстает от напряжения Uн на угол , который определяется по формуле:
arctg Lн . Rн
Вектор тока емкости Ic опережает вектор напряжения (Uc =Uн ) на 90 .
Ток инвертора всегда опережает выходное напряжение на некоторый угол .
Из диаграммы можно записать следующее:
cos |
Iи(1) =Iн cos ; |
(1) |
sin |
Iи(1) =Ic - Iн sin , |
(2) |
где Iи(1) , Ic, Iн - действующие значения 1-ой гармоники тока инвертора,
тока емкости, тока «активной» нагрузки.
Действующее значение 1-ой гармоники тока инвертора из разложения в ряд Фурье прямоугольной периодической знакопеременной функции может быть определено, как:
Iинв 1 2 2 Id ,
а мгновенное значение 1-ой гармоники тока инвертора:
iинв 1 4 Id sin t .
Если умножить оба полученных выше уравнения (1и 2) (правые и левые части) на напряжение нагрузки Uн, получим уравнения баланса мощностей, характеризующих работу инвертора.
10