6.2. Порядок выполнения работы

Лабораторная установка для исследования инвертора представлена на рис. 6.3.

Настройки основных блоков модели аналогичны рассмотренным ранее настройкам однофазного управляемого выпрямителя.

Второй источник питания используется, как и в управляемом выпрямителе, для обеспечения работоспособности системы управления. В генераторе управляющих импульсов (Synchronized 6-Pulse Generator) предусмотрена подача управляющих импульсов на трёхфазную схему, поэтому необходимо взять только 1 и 4 управляющие импульсы (1 и 4 выходы с блока разделения сигналов MUX), разница между которыми равна 180° эл. Таким образом, наиболее простым решением является использование шестипульсового генератора управляющих импульсов. Возможности Simulink позволяют собрать ииспользовать такую систему управления, для которой в качестве источника питания можно использовать однофазный источник переменного напряжения [3, 4]. Управляющие импульсы контролируются с помощью осциллографа Scope 3. Как уже известно, обязательным условием для перевода управляемого выпрямителя в режим инвертора является наличие противоэдс.

 

Рис. 6.3. Виртуальная модель однофазного зависимого инвертора

 

Настройка параметров противоэдс показана на рис. 6.4. В поле Amplitude (V) вводится значение противоэдс в вольтах.

 

 

Рис. 6.4. Параметры противоэдс

 

Параметры элементов в модели могут быть выбраны произвольно, но при их несогласованности инвертор работать не будет. Рекомендуется использовать параметры, приведённые при описании всех основных блоков.

При снятии характеристик соотношение между параметрами R и L нагрузки должно оставаться неизменным. Теоретически угол управления можно изменять от 90 до 180° эл. При моделировании данной схемы он изменялся в пределах от 90 до 110° эл. Характеристики рекомендуется снимать для различных напряжений нагрузки (250–450 В). При этом после каждого изменения параметров необходимо проводить повторное моделирование. Как известно, формула (6.2) представляет собой математическое выражение регулировочной характеристики однофазного зависимого инвертора. Иногда строится обобщенная регулировочная характеристика, которая отражает регулировочные свойства однофазных и многофазных управляемых выпрямителей и ведомых сетью инверторов. Повышение тока I_d сопровождается в преобразователе увеличением угла коммутации. В инверторе при заданном угле опережения β = const это приведет к уменьшению угла запаса d. При достижении некоторого тока I_dmax угол d становится равным минимально допустимому значению d = d_min. При дальнейшем увеличении тока I_d может произойти опрокидывание инвертора. Зависимость U_d(d) = f(I_dи) называется ограничительной характеристикой инвертора. Для обеспечения нормальной работы инвертора устройствами автоматики задается необходимый угол опережения d = d_min + , соответствующий определенному значению тока I_d. Результаты моделирования инвертора представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

 

Результаты моделирования однофазного зависимого инвертора

Данные				Измерения							Вычисления
a, град	Е, В	R/L, Ом/Гн	I1, А		I2, А	φ2, град	Udи, В	Id, А	Ia, А	S1, ВА		P1, Вт	Pdи, Вт
90	300	10/0,4	16,94		27,90	–121,3	80,96	21,71	10,85	5590,2		2906,8	1757,4
95	300	10/0,4	16,02		26,42	–126,5	92,54	20,55	10,28	5286,6		3145,5	1901,7
100	300	10/0,4	15,32		25,26	–131,3	101,30	19,66	9,83	5055,6		3336,7	1991,5
105	300	10/0,4	14,60		24,09	–136,3	110,50	18,75	9,38	4818,0		3485,3	2071,8
110	300	10/0,4	13,87		22,92	–141,5	119,70	17,84	8,92	4577,1		3582,1	2135,4

 

По данным табл. 6.1 построены регулировочная и токовые характеристики, изображенные на рис. 6.5.

	а	б

 

 Рис. 6.5. Регулировочная (а) и токовые (б) характеристики однофазного зависимого инвертора

 

Временные диаграммы токов и напряжений в характерных точках схемы модели, полученные с помощью блока Scope, представлены на рис. 6.6.

 

Рис. 6.6. Временные диаграммы токов и напряжений однофазного инвертора

 

Провалы в диаграмме напряжения вторичной обмотки U₂ объясняются наличием коммутаций. В моменты коммутации открытыми тиристорами закорачивается вторичная обмотка трансформатора, поэтому инвертируемое напряжение U_dи равно нулю. Время от окончания коммутации до перехода положительной полуволны инвертируемого напряжения через нуль характеризует угол запаса инвертора. Инвертируемый ток имеет вид практически прямой линии из-за наличия достаточно большой индуктивности, включенной последовательно в цепь с якорной обмоткой генератора. На диаграммах токов вторичной обмотки трансформатора I₂ и вентиля I_а коммутации отображаются в виде искажения фронтов и срезов. На осциллограмме обратного напряжения на вентиле броски напряжений U_в определяются длительностями коммутаций и углов запаса инвертора.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные условия перехода преобразователя от выпрямительного режима к инверторному.

2. Чем определяется минимальный угол запаса инвертора?

3. Покажите на диаграммах угол опережения инвертора, в каком соотношении он находится с углом регулирования?

4. Назовите аварийные режимы, характерные для зависимого инвертора.

5. Чем опасен режим «опрокидывания» инвертора и как от него защищается преобразователь.

6. Для чего используется режим рекуперации на эпс переменного тока?

7. Объясните внешнюю (входную) характеристику зависимого инвертора.

8. Напишите уравнение ограничительной характеристики инвертора.

9. С какой целью в ведомых сетью инверторах применяют искусственную коммутацию вентилей?

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ИНВЕРТОРЫ ТОКА  В последовательном инверторе тока коммутирующий конденсатор включен последовательно с нагрузкой. На рис. 3.11, а, б показаны два варианта схемы однофазного двухполупериодиого инвертора тока — мостовая и нулевая (полумостовая) со средней точкой нагрузочного трансформатора. В результате поочередного отпирания вентилей VI, V4 и V2, V3 в первой' схеме и VI и V2 во второй на ‘нагрузке формируется переменное напряжение. При достаточно большой входной индуктивности Ld ток id имеет незначительные пульсации. Считая в первом приближении коммутацию тока, вентилей мгновенной и пользуясь методом основной гармоники, как это делалось при рассмотрении параллельного' инвертора, выходную характеристику последовательного инвертора получаем в виде выражения (3.12).-  Из векторной диаграммы для основных гармоник токов и - напряжений последовательного инвертора (рис. 3.11, в)  tg Р = (В — sin <pH)/cos <pH. (3.14)  Напряжение на нагрузке (потребителе)  Uu = nctUdlcos <pH. (3.15)  С увеличением степени нагрузки В (т. е. с увеличением проводимости нагрузки) и при cos фн = const напряжение на выходе последовательного инвертора ¦возрастает, угол запирания также увеличивается, а напряжение на зажимах потребителя остается неизменным. С уменьшением проводимости нагрузки уменьшается запас коммутационной устойчивости последовательного инвертора (уменьшается угол Р). Существует предельное минимальное значение В, зависящее от коэффициента мощности нагрузки, при котором угол запаса инвертора становится равным минимально допустимой величине:  Ямин = te Рмин cos Фн + sin Фн-  При нагрузках, меньших, чем предельная, условие Р >¦ Рмин нарушается и может наступить срыв инвертирования. 

При больших нагрузках инвертор может стать неработоспособным вследствие сильного возрастания напряжения на выходе, а следовательно, на коммутирующем конденсаторе и на тиристорах.  Рис. 3.11. Мостовая (а) и нулевая (б) схемы последовательного инвертора тока и их векторная диаграмма (в)  В последовательно-параллельном, инверторе тока имеется-два конденсатора: один (С2) включен параллельно нагрузке, а другой (С1) — последовательно с выходной цепью (рис. 3.12, а). На рис. 3.12, б показана векторная диаграмма последовательно-параллельного инвертора. Угол сдвига фаз ф)  Рис. 3.12. Последовательно-параллельный инвертор тока (а) и его векторная диаграмма (б)  между основными гармониками напряжения ин и тока iH на выходе инвертора определяет запас коммутационной устойчивости. В режимах холостого хода и короткого замыкания последовательно-параллельный инвертор превращается в параллельный. При значительном'увеличении или уменьшении нагрузки угол р возрастает, являясь минимальным при некотором промежуточном значении нагрузки. Выбирая соотношение между параметрами коммутирующих конденсаторов и нагрузки, можно добитьсн так'называемой «абсолютной 

устойчивости», когда при любых сбросах и набросах нагрузки угол запаса |3 не становится меньше минимально допустимого.  Для последовательно-параллельного инвертора имеем следующие соотношения, полученные методом основной гармоники,  ^и(1> = ^И(1 )KaUd> =!/««Р; (3.16)  uw) = UH(i)/(aUd)= i/c°s^H: (З-17)  tg К = 1 Кв cos фн) — tg <РН; (3-. 18)  tg P=tg^H+(ВС2/СХ) (cos фн/cos8 фн), (3.19)  где В = г/и/“С2.  На рис. 3.13, а—в построены характеристики последовательно-параллельного инвертора тока в функции степени загрузки В. Значения В, при которых имеют место минимумы |3 и (Уи(1) совпадают и равны:  емин = У1 + Cl/C2  а  Рис. 3.13. Характеристики последовательно-параллельного инвертора тока  Минимальный угол запаса, соответствующий Вмин> определяется из выражения  Кривая 1/*(1) = / (В) также имеет минимум, положение которого зависит от коэффициента мощности нагрузки = 1/sin фн.  При больших коэффициентах мощности имеется определенный диапазон изменения нагрузки, при котором выходное напряжение изменяется незначительно. Если 2/н5Шфн< соС2, то нагрузочные характеристики параллельного и последовательно-параллельного инверторов совпадают. Последовательно включенный конденсатор не влияет на величину напряжения на нагрузке, а следовательно, и на величину входного тока инвертора, входная характеристика параллельного инвертора справедлива и для последова-тельно-пара л дельного. 

Последовательный конденсатор обеспечивает устойчивую работу инвертора на пологих участках нагрузочных характеристик, что является преимуществом последовательно-параллельного инвертора. 

Повышение напряжения на элементах схемы последовательно-параллельного инвертора наблюдается как при уменьшении нагрузки, так и при ее увеличении (рис. 3.13, б, в), поэтому допустимый диапазон изменения нагрузки должен быть ограничен с обеих сторон. По сравнению с параллельным инвертором этот диапазон значительно шире. 

4.3.1. Параллельный инвертор тока.

Рассмотрим работу инвертора тока на схеме однофазного мостового параллельного (рис.42,а).

Коммутирующая емкость на выходе инвертора подключена параллельно нагрузке.

Допущения: L_d = ∞; тиристоры «идеальные»; потери энергии в элементах схемы отсутствуют; напряжение на нагрузке, благодаря фильтру, синусоидальное.

В интервале 0 ÷ π проводят тиристоры VS₁, VS₄ (рис.42,б).

В момент π импульсы поступают на тиристоры VS₂, VS₃. При этом напряжения на нагрузке (точка М) равно:

 ,

где β – угол сдвига между синусоидами выходного напряжения U_H и выходного тока i_u.

Это напряжение является прямым для VS₂, VS₃, они включаются, и цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через все открытые тиристоры. В результате этого возникает разряд конденсатора С_к. Ток разряда распределяется по двум контурам. В одном контуре он направлен навстречу току тиристора VS₁, а в другом – навстречу току тиристора VS₄. Когда токи этих тиристоров станут равными нулю, они выключатся. Поскольку в контурах разряда С_к отсутствуют индуктивности, этот процесс можно считать мгновенным (γ=0).

После выключения VS₁ и VS₄ ток начинает проходить черезVS₂ и VS₃, вследствие чего направление тока нагрузки скачком изменяется.

Напряжение u_H в момент коммутации не изменяется из-за наличия конденсатора С_к.

К тиристорам VS₁ и VS₄ скачком прикладывается обратное напряжение  , и они восстанавливаются (рис.42,б).

Для нормальной коммутации необходимо, чтобы выполнялось условие  , где t_выкл – время выключения тиристора.

В противном случае после прохождения напряжения u_H через нуль произойдёт повторное включение VS₁ и VS₄, т.к. они ещё не восстановились. Возникает аварийный режим, когда во включённом состоянии будут все тиристоры (опрокидывание инвертора).

Для обеспечения условия (*) необходимо, чтобы вся нагрузка вместе с конденсатором С_к имела емкостной характер, и ток i_u опережал напряжение u_H.

Так как L_d = ∞, ток i_d имеет прямоугольную форму. Учитывается только первая гармоника этого тока i_u1 (пунктир). Высшие гармоники отфильтрованы С_к и выходным фильтром.

На рисунке 42,в представлена векторная диаграмма напряжений и первых гармоник токов на выходе инвертора при активно-индуктивной нагрузке. Первая гармоника тока инвертора i_u1 распределяется между С_к (составляющая I_c1 ) и нагрузкой (I_H).

Из диаграммы видно, что угол β имеет положительное значение при условии преобладания емкостного тока I_c1 над реактивной составляющей тока нагрузки I_H.P.

 

Напряжение на нагрузке

 .

 

Угол β и выходное напряжение U_H являются функциями параметров нагрузки и емкости конденсатора С_к.

4.3.2. Последовательный инвертор тока.

Коммутирующие конденсаторы включены последовательно с нагрузкой (рис. 43).

Напряжение на нагрузке U_H будет отличаться от выходного напряжения инвертора U_H на падение напряжения на конденсаторе С_к.

 

При неизменном  последовательный инвертор имеет жесткую внешнюю характеристику.

На рисунке 44 показана схема параллельно-последовательного инвертора тока. Его внешняя характеристика жестче, чем у параллельного, но мягче чем у последовательного инвертора тока.

4.3.3 Инвертор тока с двухступенчатой коммутацией.

Для питания АД с регулируемой частотой может использоваться схема на рисунке 45.

Особенность этой схемы в том, что она может работать на нагрузку индуктивного характера, имея сравнительно небольшую установленную мощность коммутирующих конденсаторов.

В определённый момент подают импульсы на вспомогательные тиристоры Т^/₁ и Т^/_4. Разрядный ток выключает тиристоры Т₁ и Т₄ , и ток начинает протекать через тиристоры Т^/₁ и Т^/_4, конденсаторы С_к1, С_к2 и обмотку трансформатора Т_р. Протекание тока через конденсаторы вызывает их перезаряд.

Благодаря перезаряду конденсаторов становится возможным включение тиристоров Т2 и Т3. На них подаются импульсы, и они включаются, начиная проводить ток I_d, а тиристоры Т^/₁ и Т^/₄ выключаются.

Конденсаторы к этому времени перезаряжены и подготовлены к следующей коммутации. Далее эти процессы периодически повторяются. Таким образом, коммутация происходит в два этапа: сначала ток I_d переводится с основных тиристоров на вспомогательные, а затем с вспомогательных на другую пару основных.

Основным недостатком схем с двухступенчатой коммутацией является значительная несинусоидальность выходного напряжения.

 

4.3.4. Трёхфазные инверторы тока.

Рассмотрим работу трёхфазного мостового параллельного инвертора тока (рис.46). На тиристоры схемы подаются импульсы, соответствующие нумерации тиристоров, и сдвинутые друг относительно друга на угол π/3, т.е. так же, как в обычном выпрямителе. При общепринятых допущениях, можно считать, что входной ток I_d идеально сглажен, и на выходе инвертора формируются токи прямоугольной формы. При этом каждый тиристор проводит ток на интервале 2π /3.

Выходное напряжение инвертора соответствует трёхфазной системе напряжений, которые согласно принятым допущениям синусоидальны (высшие гармоники прямоугольных фазных токов отфильтрованы параллельными конденсаторами С_а, С_в, С_с и фильтрами высших гармоник Ф_ав, Ф_вс, Ф_ас).

Для обеспечения нормальной коммутации тиристоров фазные токи i_a, i_в, i_c (первые гармоники) должны опережать соответствующие фазные напряжения на угол β.

Пунктиром показана первая гармоника фазного тока i_a1, опережающая фазное напряжение u_a на угол β. Следовательно, инвертор является потребителем реактивной мощности.

Коммутирующие конденсаторы должны обеспечивать получение реактивных мощностей, потребляемых как нагрузкой, так и инвертором.

Трёхфазные мостовые схемы инверторов тока обеспечивают лучшую синусоидальность выходного напряжения, чем однофазные схемы. Это объясняется тем, что инвертируемый ток не содержит не только чётные гармоники, но игармоники кратные трём.