Лекции_АИ_АИН_28

Принцип действия обеих схем одинаков, поэтому дальнейшее рассмотрение ведется с использованием схемы, изображенной на рис.1.а.

В первом полупериоде импульсы управления подают на накрест лежащие тиристоры VS1 и VS2. Они открываются, и нагрузка подключается к источнику питания Ud, ток нагрузки iн возрастает. Временные диаграммы,

характеризующие работу схемы, представлены на рисунке 2.

Рис.2 Временные диаграммы процессов в ОМАИТ

В момент времени = на тиристоры подаются управляющие импульсы, тиристоры VS1 и VS2 закрываются, а VS3 и VS4 открываются. При активно-индуктивной нагрузке ток iн мгновенно изменится не может из-за ЭДС самоиндукции, наводимой в индуктивности. До момента 1 ток iн сохраняет прежнее направление, замыкаясь через обратные диоды VD3 и VD4, убывая по

величине. При этом напряжение на нагрузке Uинв и ток в цепи питания меняют знаки, а энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания. В момент времени 1 ток меняет полярность и начинает протекать через готовые к работе тиристоры VS3 и VS4. Далее при = 2

сформированные управляющие импульсы открывают тиристоры VS1 и VS2 и

закрывают тиристоры VS3 и VS4. Ток нагрузки начинает уменьшаться, протекая через обратные диоды VD1 и VD2 до момента времени 3.

Электромагнитные процессы в инверторе описываются уравнением:

Lн diинв t Rнiинв t U d 0 , dt

при этом мгновенные значения выходного напряжения АИН и напряжения на нагрузке равны: инв = н.

Решение данного уравнения позволяет определить мгновенное

значение тока нагрузки:

где постоянная времени цепи нагрузки = н; T-период выходного

н

напряжения АИН.

Выходное напряжение инвертора носит прямоугольный характер и является периодической, прямоугольной, знакопеременной, нечетной функцией. Разложение функции напряжения инвертора в ряд Фурье, можно записать:

Жесткая зависимость выходного напряжения не всегда удобна для практической работы, так как основным способом изменения выходного напряжения является изменение Ud источника, что недопустимо.

Возможным способом регулирования выходного напряжения, без изменения входного Ud, является организация определенного алгоритма подачи управляющих импульсов.

Наиболее простым способом регулирования является изменение момента подачи управляющих импульсов. Такой способ организации управляющего алгоритма схож с методом широтно-импульсной модуляции.

Однако, при работе ОАИН отсутствует модуляция повышенной частоты.

Поэтому, используется широтно-импульсное регулирование (ШИР), при

котором управляющие импульсы подаются на основной частоте.

Кривая выходного напряжения при использовании ШИР состоит в течение периода из k импульсов (2,4,6…), длительностью имп , причем в

каждый полупериод имеется ⁄2 импульсов. Изменение выходного напряжения осуществляется регулированием длительности импульса.

Простейшим способом регулирования для однофазного мостового АИН является случай, когда = 2. При этом возможны два режима работы:

-выходное напряжения зависит от параметров нагрузки;

-выходное напряжения не зависит от параметров нагрузки.

1.1.Работа ОМАИН с выходным напряжением зависящем от

параметров нагрузки.

Алгоритм управления однофазного мостового АИН, представленного на рис.1.а, реализуется следующим образом.

Подача управляющих импульсов на накрест лежащие тиристоры VS1 и

VS2 осуществляется в момент времени 1 =, а закрываются они в момент времени = . Ток нагрузки iн после закрытия тиристоров VS1 и VS2

продолжает протекать по обратным диодам VD1 и VD2 в прежнем направлении до момента времени 2 = + , то есть до тех пор, пока не будет израсходован запас энергии, накопленный в индуктивности, а ток не спадет до нуля. Именно наличие диодов обуславливает возникновение дополнительных импульсов в эпюре выпрямленного напряжения. Во время работы диодов все четыре тиристора закрыты. Длительность дополнительных импульсов

(угол ) полностью зависит от параметров нагрузки, то есть от соотношения активной и реактивной составляющих, при этом:

= 2 − .

В момент времени 3 = + подаются управляющие сигналы на тиристоры VS3 и VS4. и по нагрузке начинает протекать ток. Тиристоры открыты до момента времени = 2. Далее ток протекает по обратным диодам VD1 и VD2 с уменьшением до нуля.

На рисунке 3 представлены иллюстративные временные диаграммы,

характеризующие процессы, протекающие в ОМАИН.

Рис.3 Временные диаграммы, характеризующие процессы в ОМАИН.

Таким образом, uн каждые полпериода определяется двумя широкими импульсами, соответствующими по длительности интервалу пропускания тиристоров. Картина напряжения искажается появлением дополнительных узких импульсов, появляющихся за счет наличия индуктивной нагрузки и обратных диодов, работающих в интервалы одновременно закрытых четырех тиристоров. Дополнительные узкие импульсы снижают действующее значение выходного напряжения, что является отрицательным фактором.

Длительность этих узких импульсов полностью определяется постоянной

времени нагрузки Lн .

Rн

Длительность проводящего состояния каждого тиристора: .

В интервале времени (0 < < ; < < + ) все четыре тиристора закрыты, протекание тока обеспечивается только диодами. Изменение соотношения активной и индуктивной составляющих нагрузки может привести к уменьшению паузы, при которой напряжение на нагрузке равно нулю, и, следовательно, увеличению ширины дополнительного узкого импульса. При каком-то соотношении может наступить момент, когда пауза вовсе исчезнет, то есть 0 , а проводимость λ= 180 , и мы перейдем к случаю нерегулируемого инвертора напряжения.

Действующее значение напряжения на нагрузке будет определяться по

формуле: н = √ .

Анализ гармонического состава выходного напряжения позволяет записать выражение, определяющее амплитуду -ой гармоники напряжения нагрузки, как:

4н( ) = sin 2

Из формул видно, что выходное напряжение зависит от величины напряжения источника Ud и от величины угла управления α, оно фактически сформировано с учетом вида нагрузки.

1.2. Работа ОМАИН с выходным напряжением независящем от параметров нагрузки.

Алгоритм управления однофазного мостового АИН, представленного на рис.1.а состоит в следующем.

В этом случае формирование выходного напряжения, независящего от параметров нагрузки, обеспечивается подачей управляющих импульсов таким

образом, чтобы в определенное время, равное α, одновременно оказались открытыми два тиристора одной группы: VS1 и VS3 или VS4 и VS2. При этом

VS2 и VS3, VS4 и VS1 никогда не могут работать одновременно (вместе), так как такое подключение приводит к аварийной ситуации, а именно, к

короткому замыканию источника.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу однофазного мостового АИН с выходным напряжением независящим от параметров нагрузки, представлены на рисунке 4.

Рис.4. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу ОМАИН с выходным напряжением независящим от параметров нагрузки.

Выходное напряжение инвертора носит прямоугольный характер и является периодической, прямоугольной, знакопеременной, нечетной

функцией. Разложение функции напряжения инвертора в ряд Фурье, можно

записать:

Амплитуда -ой гармоники напряжения нагрузки для этого режима работы ОМАИН:

4н( ) = sin 2

Из формулы видно, что выходное напряжение инвертора или напряжение нагрузки зависит только от напряжения источника питания и угла управления и полностью не зависит от параметров нагрузки ( н и н).

Увеличивая угол , то есть фазовый сдвиг между импульсами управления двух полумостов, можно регулировать выходное напряжение.

1.3.Работа трехфазного мостового автономного инвертора

напряжения

Трехфазный АИН является наиболее часто используемым, в

особенности в частотно-регулируемом электроприводе. Он позволяет включать выходную нагрузку как треугольником, так и звездой. Часто в качестве нагрузки выступают первичные обмотки трансформатора.

Выходное напряжение также, как и в случае с однофазным АИН, может быть сформировано либо постоянным, зависящим только от величины напряжения источника, либо регулируемым с различными длительностями проводящего состояния силовых вентилей (с использованием ШИМ или с использованием специальных дополнительных устройств).

Принципиальная схема трехфазного мостового АИН представлена на рисунке 5. Она содержит шесть полностью управляемых тиристоров VS1 -VS6,

включенных в каждое плечо инвертора, и шесть диодов VD1 –VD6,

включенных встречно-параллельно соответствующим тиристорам.

Предполагается, что нагрузка соединена звездой, схема симметричная и, соответственно: Z A Z B ZC .

Рис.5 Принципиальная схема трехфазного мостового АИН Алгоритм управлениями тиристорами для всех различных

длительностей проводящего состояния одинаков и заключается в следующем:

- тиристоры в каждой группе (анодной или катодной) отпираются поочередно со сдвигом по фазе относительно друг друга на 120

электрических градусов (например, VS1 ,VS3 , VS5 - тиристоры анодной группы);

- тиристоры одной фазы (плеча) АИН отпираются со сдвигом по фазе относительно друг друга на 180 электрических градусов (например, VS1 и

VS4).

При соединении нагрузки звездой каждая её фаза включена параллельно с другой фазой и последовательно с третьей. Например, как показано на рисунке 6, при подключении тиристора VS3, при уже работающем тиристоре

VS1 этой же группы, нагрузка фазы A (zA) и нагрузка фазы B (zB) параллельны,

а нагрузка фазы C(zC) (работает тиристор VS2) последовательна к ним. Из рис.6

видно, что фазные напряжения = = 13 , а фазное напряжение

= 23 .

Рис.6 Эквивалентная схема работы АИН при включении тиристоров VS1, VS2 ,VS3 .

На рисунке 7 приведены временные диаграммы трехфазного мостового АИН при = 1800.

Рис.7 Временные диаграммы трехфазного мостового АИН при = 1800