Martynov_Sil-elektCh2_Invertory

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

А. А. Мартынов

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Часть II

Инверторы и преобразователи частоты

Учебное пособие

Санкт-Петербург 2012

УДК 621.314 ББК 31.264.5 М29

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент М. В. Бураков; ФГУП ЦНИИ СЭТ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник М. Ю. Сергеев

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Мартынов, А. А.

М29 Силовая электроника. Ч. II: Инверторы и преобразователи частоты: учеб. пособие / А. А. Мартынов. – СПб.: ГУАП, 2012. – 144 с.: ил.

ISBN 978-5-8088-0719-8

Рассматриваются силовые полупроводниковые преобразователи электрической энергии, применяемые в системах регулируемого электропривода, электроснабжения, систем управления и радиоэлектронной аппаратуры, а также в качестве вторичных источников питания. Основное внимание уделяется описанию построения схем, анализу электромагнитных процессов

ивыводу расчетных соотношений, определяющих энергетические показатели

ихарактеристики автономных инверторов и преобразователей частоты. Приводятся примеры расчетов инверторов напряжения, выходных фильтров к ним и преобразователей частоты.

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Силовая электроника», «Основы преобразовательной техники», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Преобразовательные устройства систем управления», «Промышленная электроника», «Проектирование вторичных источников питания», «Проектирование источников питания радиотехнических устройств».

УДК 621.314 ББК 31.264.5

ISBN 978-5-8088-0719-8	© Санкт-Петербургский государственный
	университет аэрокосмического
	приборостроения (ГУАП), 2012
	© А. А. Мартынов, 2012

Введение

В части II учебного пособия «Силовая электроника» рассматриваются два вида полупроводниковых преобразователей электрической энергии:

– автономные инверторы (напряжения, тока и резонансные инверторы);

– преобразователи частоты (со звеном постоянного тока и без звена постоянного тока).

Автономные, или независимые, инверторы – это полупроводниковые преобразователи электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока, работающие на сеть переменного тока, не имеющую других источников электрической энергии, кроме рассматриваемого преобразователя. Автономные инверторы могут быть выполнены как на тиристорах, так и на транзисторах [1, 3, 7].

Основные области применения независимых инверторов: – статические вторичные источники питания; – электроприводы переменного тока (асинхронные и синхронные); – шаговые электроприводы; – источники питания технологических установок, например

установки электротермии; – установки электроэнергетики, где автономные инверторы вы-

полняют функцию активных фильтров, регулируемых компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений.

Автономные инверторы разделяются на три класса: инверторы тока, резонансные инверторы и инверторы напряжения [2].

Для инверторов тока характерным признаком является наличие большой входной индуктивности в цепи постоянного тока Ld, приводящей к постоянству мгновенного значения входного тока

id = const.

Резонансные инверторы от инверторов тока схемно не отличаются. Выбор значения входной индуктивности Ld и параметров других

3

элементов схемы в этих инверторах осуществляется так, чтобы обеспечить настройку колебательного контура в нагрузочной цепи на частоту, близкую к частоте переключения вентилей.

Инверторы тока и резонансные инверторы, как правило, выполняются на тиристорах, поэтому они обязательно содержат конденсаторы в цепи переменного тока. Эти конденсаторы выполняют две функции – коммутацию вентилей и компенсацию реактивной мощности нагрузки. В зависимости от способа включения конденсаторов по отношению к сопротивлению нагрузки эти инверторы подразделяются на инверторы параллельного, последовательного и па- раллельно-последовательного типа.

Винверторах напряжения входная индуктивность Ld отсутствует, схема дополняется группой вентилей обратного тока – неуправляемым выпрямителем. Основная же схема инвертора, собранная на тиристорах или транзисторах, называется группой вентилей прямого тока. Такие инверторы работают при постоянстве мгновенного значения входного напряжения. Для обеспечения этого условия на входе инвертора напряжения устанавлива-

ют конденсатор Сф, допускающий пульсации входного тока инвертора и обеспечивающий практически постоянство мгновенных значений входного напряжения, т. е. Ud = const. Этим условием

иопределяется общее название класса схем «инверторы напряжения».

Благодаря наличию группы вентилей обратного тока и конденса-

тора Сф в инверторе напряжения созданы условия свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного тока, что полностью исключает необходимость компенсации реактивной энергии нагрузки конденсаторами, включаемыми в цепь нагрузки, как это реализуется в инверторах тока.

Втиристорных инверторах напряжения, в отличие от инверторов тока, конденсаторы выполняют только функцию коммутации.

Втранзисторных инверторах напряжения переключение вентилей осуществляется сигналами управления, и коммутирующие конденсаторы в этом случае не нужны.

Преобразователи частоты преобразуют электрическую энергию переменного тока одной частоты в электрическую энергию другой частоты, которая может быть регулируемой или постоянной [9]. Преобразователи частоты можно разделить на два больших класса: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и преобразователи частоты без звена постоянного тока [3]. Основная область применения преобразователей частоты – электро-

4

привод переменного тока, стабилизированные источники переменного тока, включая источники гарантированного электрического питания.

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение понятию «инвертор».

2.Укажите основные отличия между инверторами тока и напряжения.

3.Перечислите области применения инверторов.

4.Дайте определение понятию «преобразователь частоты».

5

1. ОДНОФАЗНЫЕ ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. Схемы и способы управления однофазных инверторов напряжения

Основная область применения однофазных инверторов напряжения – это вторичные источники питания.

Рассмотрим основные схемы однофазных инверторов напряжения [4]:

– одноплечевая схема (рис. 1); – полумостовая схема (рис. 2);

Ud	VT1		VD1	С1 VT1	VD1
				Ud
Lнг	Rнг			Zнг
Ud	VT2		VD2	С2 VT2	VD2
Рис. 1. Однофазный одноплечевой				Рис. 2. Однофазная полумостовая
инвертор напряжения				схема инвертора
		VT1
			T
		VD1
	–	+	Zнг
	Ud
		VD2
		VT2		Рис. 3. Однофазный инвертор
				напряжения с выводом нулевой
				точки первичной обмотки
				трансформатора

6

+
VD1	VD3
VT1	VT3
Zнг
Ud
VD4	VD2
VT4	VT2
–

Рис. 4. Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения

– схема с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (рис. 3);

– полномостовая (мостовая) схема (рис. 4).

Для регулирования и стабилизации величины выходного напряжения инверторов, выполненных на полностью управляемых вентилях, применяются широтный и широтно-импульсные способы управления [3].

Широтный способ регулирования выходного напряжения

При широтном способе регулирования выходное напряжение инвертора имеет прямоугольную форму, симметричную относительно оси времени [4]. На каждом полупериоде выходного напряжения в этом случае имеется лишь один прямоугольный импульс, ширина λи которого регулируется в пределах от 0 до π.

Временные диаграммы, поясняющие применение широтного способа регулирования напряжения однофазных инверторов, представлены на рис. 5–7.

На рис. 5, а–в приведены временные диаграммы широтного способа, применяемого для регулирования выходного напряжения инверторов (см. рис. 1–3). Силовые схемы каждого из этих инверторов содержат только два транзистора.

Отношение длительности импульса напряжения на интервале полуволны выходного напряжения к длительности полупериода выходного напряжения принято называть коэффициентом скважности γ:

γ = tи/T′,

(1)

где T′ = T/2 – длительность полупериода выходного напряжения.

7

а)

uy VT1

t

б)

T/2

T

uy VT2

t Рис. 5. Временные диаграммы,

T/2

T

в)

поясняющие применение

u 2

широтного способа управления:

а, б – импульсы управления

t

транзисторов VT1 и VT2

соответственно;

T/2

T

в – напряжение вторичной

обмотки трансформатора

а)

ψ

uy VT1

t

б)

T/2

T

uy VT2

t

в)

T/2

T

uy VT3

t

г)

T/2

T

uy VT4

t

д)

T/2

T

u2

t

T/2

T

Рис. 6. Временные диаграммы, поясняющие применение фазового способа управления полномостового инвертора: а–г – импульсы управления транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4 соответственно; д – напряжение вторичной обмотки трансформатора

8

На рис. 6, а–д приведены временные диаграммы так называемого фазового способа регулирования выходного напряжения для управления полномостовой схемой. При этом способе ширина всех импульсов управления остается неизменной и равной половине периода выходного напряжения, регулирование же напряжения осуществляется фазовым сдвигом импульсов управления транзисторов одного плеча мостовой схемы по отношению к импульсам управления транзисторов другого плеча схемы.

На рис. 7 приведены временные диаграммы, поясняющие широтный способ управления выходного напряжения, при котором ширина импульсов управления транзисторов одного плеча мостовой

а)

uy VT1

				t
	б)	T/2	T

uy VT2

в)	T	t

uy VT3

				t
	г)	T/2	T

uy VT4

							t
д)			T/2		T
u2							t
			T/2		T

Рис. 7. Временные диаграммы, поясняющие широтный способ управления полномостового (мостового) преобразователя, реализуемый путем регулирования ширины импульсов управления только двух транзисторов (VT2 и VT3) при постоянной скважности импульсов управления двух других транзисторов (VT1 и VT4): а–г – импульсы управления транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4 соответственно;

д – напряжение вторичной обмотки трансформатора

9

схемы остается неизменной и равной половине периода выходного напряжения, а ширина импульсов управления транзисторов другого плеча мостовой схемы регулируется в пределах от половины периода выходного напряжения до нуля.

Вопросы для самоконтроля

1.Укажите основную область применения однофазных инверторов напряжения.

2.Перечислите основные схемы однофазных инверторов напряжения.

3.Перечислите основные способы регулирования выходного напряжения однофазных инверторов напряжения.

1.2. Однофазный одноплечевой инвертор напряжения

Схема однофазного одноплечевого инвертора напряжения (см. рис. 1) содержит два транзистора (VT1 и VT2), соединенных последовательно, и два диода (VD1 и VD2). Источник питания – двухпотенциальный с выводом нулевой точки – может быть представлен в виде двух источников напряжения (Ud), соединенных последовательно. Нагрузка подключается между общей точкой соединения транзисторов и общей нулевой точкой источника питания (0и.п). При подаче импульса управления на транзистор VT1, транзистор открывается и пропускает ток, который протекает по цепи:

(+Ud) → VT1 → Zнг → (–0и.п). На нагрузке формируется положительная полуволна напряжения. При подаче импульса управления на

транзистор VT2 транзистор открывается и пропускает ток, который

протекает по цепи: (+0и.п) → Zнг → VT2 → (–Ud). На нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения.

Гармонический состав выходного напряжения при широтном регулировании может быть представлен разложением в ряд Фурье [4]:

æ

γπ

1

3γπ

ö

ç

sin

ωt+

sin

sin3ωt+

÷

4U

çsin

÷

ç

2

3

2

÷

d ç

÷

uâûõ =

ç

÷

(2)

÷.

π

ç

1

5γπ

1

νγπ

÷

ç

÷

ç+

sin

sin

5ωt+×××+

sin

sinνωt÷

ç

5

2

ν

2

÷

è

ø

Из формулы (2) видно, что амплитуда высшей гармоники обратно пропорциональна номеру этой гармоники:

U	=	4Ud	sin	νγπ.	(3)
νm		νπ		2

10