средней точки и обратными диодами
⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2
Для снижения зависимости напряжения инвертора от величины нагрузки и возможности работы инвертора на холостом ходу в исходную (базовую) схему однофазного параллельного инвертора тока включают обратные диоды VD1, VD2. Полученная схема однофазного параллельного инвертора с обратными диодами, приведенная на рис. 5.4. Для этой схемы не обязательно поддержание постоянства тока Id, поэтому ряд авторов считают ее инвертором напряжения. Основным недостатком базовой схемы является рост напряжения на конденсаторе СК и нагрузке при увеличении сопротивления нагрузки и, соответственно, нестабильность выходного напряжения инвертора. Обратные диоды VD1,VD2 ограничивают заряд емкости, подключая ее, при возрастании напряжения, к источнику питания минуя индуктивность Ld. Для эффективной рекуперации избытка энергии, накопленной в индуктивности Ld, обмотки трансформатора имеют дополнительные секции (отводы) w1’,w2’ с коэффициентом трансформации nО = wi’/wi, где i=1, 2. Коэффициент трансформации отводов выбирается порядка 0,1,...,0,2.
Рис. 5.4. Однофазный параллельный инвертор с обратными диодами: а) принципиальная схема; б) схема замещения для интервала переключения; в) схема замещения для периода рекуперации.
Для упрощения анализа схемы примем следующие допущения: · Трансформатор считаем идеальным без потерь в обмотках и магнитопроводе. · Диоды и тиристоры идеальны, то есть не пропускают ток в закрытом состоянии и имеет нулевое падение напряжения в открытом состоянии. · Выполняются соотношения для витков обмоток трансформатора . (5.6) · Реактор в цепи постоянного тока идеален и обладает только индуктивным сопротивлением Ld.
Временные диаграммы напряжений и токов однофазного параллельного инвертора с обратными диодами приведены на рис. 5.5. Рассмотрим установившиеся процессы в инверторе, когда переходные процессы, вызванные скачкообразным изменением напряжения питания при включении, закончились. До момента включения тиристора VS1 был открыт тиристор VS2, и на нагрузке присутствовало напряжение с полярностью, показанной на рис. 5.4, а без скобок. В момент времени t0 открывается тиристор VS1, к тиристору VS2 через трансформатор приложено отрицательное напряжение коммутирующей емкости СК. После запирания тиристора VS2 инвертору соответствует схема замещения, приведенная на рис. 5.4, б. Возникает колебательный процесс, обусловленный наличием емкости CК, индуктивности Ld, активного сопротивления RH, источника питания Ed, начальным (на момент t0) зарядом емкости СК и начальным током в индуктивности Ld. Ток в индуктивности Ld возрастает, так как напряжение на нагрузке меньше напряжения питания и эта разница приложена к индуктивности. Колебательный процесс длится до момента времени t1, при котором напряжение на нагрузке и коммутирующей емкости достигает величины . (5.7)
Рис.5.5. Диаграммы токов и напряжений автономного инвертора с обратными диодами
В интервале времени от t1 до t2 открыт диод VD1, так как напряжение на его аноде пытается стать больше, чем на катоде. Этому интервалу соответствует схема замещения рис. 5.4, в. Открытый диод VD1 подключает источник питания Ed к обмотке w1, это обеспечивает неизменное напряжение (1 + no)Ed на нагрузке и коммутирующей емкости в течение всего интервала. С другой стороны диод VD1 подключает индуктивность, в которой накоплена избыточная энергия и ток значительно больше тока нагрузки, к обмотке w1’. Ток диода перераспределяется между обмотками w1 и w1’ таким образом, чтобы суммарная намагничивающая сила этих обмоток равнялась нулю (суммарная намагничивающая сила всех обмоток идеального трансформатора должна быть нулевой). Соответственно ток диода iVD1 перераспределится в обмотках так, как это показано на рис. 5.4, в.
Для тока в индуктивности Ld, подключенной к е.д.с. обмотки w1’, справедливо уравнение . (5.8) Согласно уравнению (5.8) ток в индуктивности Ld линейно уменьшается, а избыточная энергия индуктивности возвращается через трансформатор в источник питания Ed, и ток источника питания остается меньше тока нагрузки. Из уравнению токов для точки В (смотри рис. 5.4, в) следует, что . (5.9) Для точки А справедливо следующее уравнение для токов , а ток диода VD1 соответственно равен . (5.10)
В момент времени t2 ток в индуктивности становится равным току нагрузки и диод VD1 закрывается. Схема замещения соответствует рис.5.4, б, полярность напряжения на коммутирующей емкости СК показана в скобках. Напряжение на емкости СК в момент t2 определяется выражением (5.7) и больше напряжения источника питания. Возникает колебательный переходный процесс, который заканчивается примерно в момент времени t3. После завершения этого переходного процесса напряжение на нагрузке и коммутирующей емкости становиться равным напряжению источника питания , а ток индуктивности становится равным току нагрузки . В момент времени t4 открывается тиристор VS2 и протекает процесс аналогичный описанному выше, но с противоположной полярностью напряжения на нагрузке. Достоинством схемы с обратными диодами является жесткое ограничение напряжения на нагрузке и, соответственно, независимость этого напряжения от сопротивления нагрузки. Значения коммутирующей емкости СК и индуктивности Ld могут быть значительно уменьшены, так как колебательные процессы устраняются диодами, а величины емкости и индуктивности выбираются только из условия достаточного времени запирания тиристора. Схема работает как инвертор напряжения, поэтому ряд авторов относят ее к инверторам напряжения. Общим недостатком обоих вариантов является необходимость наличия силового трансформатора с двумя вторичными обмотками, необходимыми для получения средней точки, что увеличивает вес и габариты инвертора. 5.2. Программа лабораторной работы
Таблица 5.1 Варианты задания для исследования базовой схемы инвертора
Таблица 5.2 Варианты задания для исследования инвертора с обратными диодами
5.2.1. Исследование базовой схемы автономного инвертора
· Изменяя величины сопротивления нагрузки RH, индуктивность в цепи постоянного тока Ld и коммутирующую емкость CK, наблюдать их влияние на напряжения и токи в схеме инвертора. Зарегистрировать все временные диаграммы для комбинаций параметров заданных вариантом лабораторной работы. · Изменять сопротивление нагрузки, замерять эффективное значение тока нагрузки IН.ЭФ , эффективное значение напряжения нагрузки UН.ЭФ, ток, потребляемый от источника постоянного тока, Id, коэффициент нелинейных искажений напряжения нагрузки , время, предоставляемое для запирания тиристора t3. Построить внешнюю характеристику инвертора UН.ЭФ = f(IН.ЭФ), а так же зависимости от тока нагрузки коэффициента нелинейных искажений напряжения нагрузки = f(IН.ЭФ), тока потребляемого от источника постоянного тока Id = f(IН.ЭФ) и времени, предоставляемого для запирания тиристора,
· Повторить предыдущие пункты для всех комбинаций параметров, заданных вариантом лабораторной работы. Идентичные зависимости при разных параметрах строить на одном графике.
5.2.2. Исследование автономного инвертора с обратными диодами
· Изменяя величины сопротивления нагрузки RH, индуктивность в цепи постоянного тока Ld и коммутирующую емкость CK, наблюдать их влияние на напряжения и токи в схеме инвертора. Зарегистрировать все временные диаграммы для комбинаций параметров заданных вариантом лабораторной работы. · Изменять сопротивление нагрузки, замерять эффективное значение тока нагрузки IН.ЭФ , эффективное значение напряжения нагрузки UН.ЭФ, ток, потребляемый от источника постоянного тока, Id, коэффициент нелинейных искажений напряжения нагрузки , время, предоставляемое для запирания тиристора t3. Построить внешнюю характеристику инвертора UН.ЭФ = f(IН.ЭФ), а так же зависимости от тока нагрузки коэффициента нелинейных искажений напряжения нагрузки = f(IН.ЭФ), тока потребляемого от источника постоянного тока Id = f(IН.ЭФ) и времени, предоставляемого для запирания тиристора, · Повторить предыдущие пункты для всех комбинаций параметров, заданных вариантом лабораторной работы. Идентичные зависимости при разных параметрах строить на одном графике.
Контрольные вопросы 1. Какая схема замещения соответствует колебательному контуру, состоящего из последовательно включенных CK, Ld, RH, при не нулевых начальных условиях? 2. Каков вид переходных процессов в колебательном контуре обусловленный: подачей скачка напряжения; наличием заряда на емкости; наличием тока в индуктивности? 3. Какой принцип запирания тиристоров используется в схемах однофазного параллельного инвертора со средней точкой? 4. Какие основные приемы используются при построении схем замещения цепей инвертора для отдельных интервалов? 5. Как выглядят схемы замещения инвертора для отдельных интервалов? 6. Какие временные интервалы можно выделить в работе базовой схемы инвертора? 7. Какие временные интервалы можно выделить в работе схемы инвертора с обратными диодами?
8. Как выглядят теоретические диаграммы токов и напряжений на всех элементах базовой схемы инвертора? 9. Как выглядят диаграммы токов и напряжений на всех элементах схемы инвертора с обратными диодами? 10. Как влияют величины коммутирующей емкости и индуктивности в цепи постоянного тока на работу инвертора? 11. Как обратные диоды влияют на работу инвертора? 12. Чем ограничивается величина коммутирующей емкости сверху и снизу?
Лабораторная работа № 6 ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ Цель работы. Ознакомится с принципами функционирования, и приобрести навыки исследования различных схем автономных трехфазных инверторов напряжения. Определить параметры и получить основные сведения о системах управления автономными транзисторными инверторами.
6.1. Методические указания
6.1.1. Работа силовой части инвертора Полная принципиальная схема силовой части автономного трехфазного инвертора с нагрузкой, включенной треугольником, представлена на рис. 6.1, а упрощенная схема силовой части с нагрузкой, включенной звездой, приведена на рис. 6.2. Далее будем рассматривать работу инвертора только при симметричной нагрузке, когда схема включения нагрузки не влияет на характер процессов в инверторе. Рис. 6.1. Принципиальная схема силовой части автономного трехфазного инвертора с нагрузкой включенной треугольником Рис.6.2 Упрощенная схема силовой части автономного трехфазного инвертора с нагрузкой, включенной звездой Полупроводниковые ключи К1,…,К6, нумерация которых соответствует порядку их включения, подключают фазы нагрузки ZA, ZB, ZC к источнику постоянного напряжения Ud, формируя на нагрузке переменное напряжение. Каждый ключ состоит из транзистора и включенного встречно диода. Схема управления обеспечивает отпирание транзистора ключа в течение определенного времени. Однако транзистор открывается только при прямом направлении тока через него. Обратный ток, возникающий при разряде индуктивности, протекает через диод. В нерегулируемом инверторе время отпирания транзистора остается неизменным и обычно составляет 120, 150 или 180 эл. градусов. На рис. 6.3 показаны временные диаграммы трехфазного инвертора с активной нагрузкой и углом отпирания транзисторов 150 эл. градусов.
Рис. 6.3. Временные диаграммы трехфазного инвертора с интервалом отпирания тиристоров 150 эл. град. при активной нагрузке
При формировании напряжения в фазе А нагрузки возможны четыре варианта подключения ее к остальным фазам, которые показаны на рис. 6.4. При симметричной нагрузке напряжение питания Ud распределяется между фазами пропорционально сопротивлению ветвей. При варианте рис. 4, а фаза А отключена и напряжение на ней равно нулю. Для варианта рис. 4, б напряжение фазы А рано . Для варианта рис. 4, в напряжение фазы А равно . Для варианта рис. 4, г напряжение фазы А рано .
а) б) в) г) Рис.6.4. Варианты соединения фаз
При угле отпирания транзисторов 180 эл. град. отсутствуют варианты с отключенной фазой рис. 4, а и рис. 4, б. При угле отпирания транзисторов 120 эл. град. и активной нагрузке отсутствуют варианты с тремя включенными ключами рис. 4, в и рис. 4, г. При активно-индуктивной нагрузке и угле отпирания транзисторов 120 эл. град. варианты рис. 4, а и рис. 4, б появляются при включении диодов. Вид напряжений не зависит от характера нагрузки только при угле отпирания транзисторов 180 эл. град., когда всегда все фазы подключены к источнику питания. Для остальных углов при активно-индуктивной нагрузке форма напряжения отличается от случая с чисто активной нагрузкой на интервалах открытого состояния диодов.
6.1.2. Нелинейные искажения напряжения при активной нагрузке
Инвертор с углом отпирания транзисторов 180 эл. град. Действующее значение первой гармоники фазного напряжения при активном характере нагрузки равно . Линейное и фазное напряжения представлены соответственно на рис. 6.5, а и рис. 6.5, б. Разложение напряжений в ряд Фурье будет содержать только косинусоидальные составляющие. а) б) Рис. 6.5. Линейное –а) и фазное –б) напряжения трехфазного инвертора при угле отпирания 180 эл. град. и активной нагрузке
Амплитуда первой гармоники линейного напряжения равна . (6.1) Действующее значение первой гармоники напряжения . (6.2) Действующее значение линейного напряжения . (6.3) Коэффициент нелинейных искажений линейного напряжения . (6.4) Аналогично можно определить параметры при остальных углах отпирания транзисторов. Сводные данные приведены в табл. 6.1. Все варианты инвертора в фазных и линейных напряжениях содержат гармоники с номерами , где n – 0, 1, 2 и т.д. (6.5)
Таблица 6.1 Относительные параметры трехфазного инвертора при активной нагрузке
Из табл. 6.1 видно, что минимальным коэффициентом нелинейных искажений обладает инвертор с углом отпирания транзисторов 150 эл. град. Инвертор обычно питается от трехфазного мостового выпрямителя (шестифазной схемы выпрямления) с коэффициентом выпрямления по напряжению . (6.6) Общий коэффициент передачи выпрямитель – инвертор больше единицы при угле отпирания инвертора 150 и 180 эл. град. Эти инверторы при частотном управлении двигателем могут сформировать номинальное напряжение (по первой гармонике) для электродвигателя без согласующего трансформатора.
6.1.3. Схема управления трехфазным инвертором
Функциональная схема трехфазного инвертора приведена на рис. 6.6. Один из вариантов принципиальной схемы управления инвертором приведен на рис. 6.7. Приведенная принципиальная схема является листингом модели трехфазного инвертора в программе Electronics Workbench 5. Схема управления инвертором состоит из счетчика (микросхема DD1) с генератором тактовых импульсов и двухступенчатого дешифратора. Первая ступень дешифратора (микросхемы DD2,DD3) преобразует двоичный код счетчика в единичный и обеспечивает сброс счетчика из 12-го в нулевое состояние. Вторая ступень дешифратора (DD5,…DD9) формирует из единичного кода управляющие сигналы для силовых транзисторов инвертора. Для отпирания транзисторов VT1, VT3, VT5 требуются дополнительные согласующие транзисторы VT7, VT8, VT9. Рис. 6.6. Функциональная схема трехфазного инвертора Рис. 6.6. Принципиальная схема трехфазного инвертора с углом отпирания транзисторов 150 эл. гра Рис. 7. Временные диаграммы работы схемы управления инвертором Микросхема 7469 (два 4-х разрядных двоичных счетчика) Микросхема состоит из двух независимых 4-х разрядных нереверсивных суммирующих двоичных счетчиков. Первый триггер первого счетчика не связан внутри микросхемы со вторым триггером (то есть может работать независимо). Назначение выводов: VCC – положительное напряжение питания (5В); GND – общая точка напряжения питания; 1CLKA, 1CLKB – счетные входы первого и второго триггера первого двоичного счетчика (счет по заднему фронту импульса); 2CLK – счетный вход второго двоичного счетчика; 1CLR’, 2CLR’ – входы установки нуля (установка осуществляется нулевым уровнем); 1QA,…, 1QD, 2QA,…, 2QD – выходы счетчиков (А– младший, D– старший).
Микросхема 7430 (8-входовой элемент И-НЕ) A, B,…, H – входы элемента; Y – выход. Реализуемая функция . Элемент И-НЕ можно считать элементом ИЛИ для инвертированных значений входных переменных.
Микросхема 7442 (дешифратор двоично-десятичного кода в инвертированный единичный)
A, B, C, D – входы двоично-десятичного кода; 0, 1,…, 9 – выходы единичного кода. На выходе, номер которого соответствует входному коду, сигнал нулевого уровня, а на остальных выходах единичного уровня.
6.1.4. Связь фазных и линейных параметров нагрузки
При моделировании выводятся фазные и линейные токи и напряжения. Подразумевается, что существуют два варианта включения нагрузки: звездой и треугольником. За базовые (единичные) значения приняты: напряжение постоянного тока Ud и линейное сопротивление RЛ (сопротивление фазы при нагрузке, включенной треугольником). При одинаковой мощности нагрузки соотношение фазных сопротивлений, включенных звездой, с линейными сопротивлениями, включенных треугольником, найдем из следующих соображений: Полная мощность нагрузки, включенной треугольником ; (6.7) Полная мощность нагрузки, включенной звездой ; (6.8) , соответственно . Отсюда получим , . (6.9) Следует отметить, что полученные соотношения справедливы только для первых гармоник. Гармонический состав фазных и линейных токов в общем случае может отличаться, если в линейных токах есть гармоники кратные трем. В фазных токах, если все три фазы подключены к источнику Ud, гармоники кратные трем имеют одинаковый фазовый сдвиг для фаз А, В, С и без нулевого провода протекать не могут, то есть отсутствуют. Однако и в линейных напряжениях и токах согласно формуле (6.5) отсутствуют гармоники кратные трем, поэтому гармонический состав фазных и линейных токов и напряжений одинаков. 6.2. Программа лабораторной работы
· Программы исследования схемы № 1 и схемы № 2 идентичны. · Для значений добротности нагрузки, заданных в табл. 6.2, зафиксировать временные диаграммы токов и напряжений инвертора и все численные параметры, выводимые моделирующей программой. · Изменяя добротность нагрузки регистрировать значения коэффициентов нелинейных искажений тока и напряжения нагрузки. · Построить зависимости коэффициентов нелинейных искажений тока и напряжения нагрузки от добротности , . · Повторить все пункты программы для схемы № 2. Таблица 6.2 Варианты задания к исследованию автономного трехфазного инвертора
Контрольные вопросы
1. Каков порядок и длительность включения транзисторов при различных углах отпирания? 2. Каково назначение диодов в силовой схеме инвертора? 3. Как формируются фазные и линейные напряжения при чисто активной нагрузке при различных углах отпирания? 4. Как формируются фазные и линейные напряжения при добротности нагрузки и угле отпирания 150 эл. град.? 5. Как формируются фазные и линейные напряжения при добротности нагрузки и угле отпирания 150 эл. град.? 6. Как формируются фазные и линейные напряжения при добротности нагрузки и угле отпирания 120 эл. град.? 7. Как формируются фазные и линейные напряжения при добротности нагрузки и угле отпирания 120 эл. град.? 8. В каком порядке включаются полупроводниковые приборы при добротности нагрузки и угле отпирания 150 эл. град.? 9. В каком порядке включаются полупроводниковые приборы при добротности нагрузки и угле отпирания 150 эл. град.? 10. В каком порядке включаются полупроводниковые приборы при добротности нагрузки и угле отпирания 120 эл. град.? 11. В каком порядке включаются полупроводниковые приборы при добротности нагрузки и угле отпирания 120 эл. град.? 12. В каком порядке включаются полупроводниковые приборы при активно-индуктивной нагрузке и угле отпирания 180 эл. град.? 13. Как изменяются коэффициенты нелинейных искажений тока и напряжения нагрузки от добротности в различных схемах инвертора? 14. Как функционирует счетчик тактов в схеме управления инвертором? 15. Как работает дешифратор двоичного кода счетчика в единичный код? 16. Как следует изменить подключение дешифраторов транзисторных ключей для получения 120 и 180 эл. град. отпирания транзисторов?
Лабораторная работа № 7 ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ 7.1. Методические указания 7.1.1. Работа силовой части инвертора Схема силовой части трехфазного инвертора напряжения с квазисинусоидальным выходным напряжением аналогична схеме силовой части трехфазного инвертора напряжения с фиксированным временем включения транзисторов, функционирование которой исследовалась в лабораторной работе № 6, отличие инверторов состоит лишь в алгоритме управления транзисторами. На рис. 6.1 и рис. 6.2. представлены принципиальные схемы силовой части инвертора. Далее будем рассматривать работу инвертора только при симметричной нагрузке, когда схема включения нагрузки не влияет на характер процессов в инверторе. В напряжении автономных трехфазных инверторов с фиксированными углами отпирания транзисторов 120, 150 и 180 эл. град. присутствуют гармоники с номерами 5, 7, 11, 13 и т. д., которые вызывают дополнительные потери и вибрацию в электродвигателях. В инверторах с углами отпирания транзисторов 120 и 150 эл. град. при изменении нагрузки изменяется выходное напряжение, поэтому при активно-индуктивной нагрузке желательно, чтобы все три фазы были подключены к источнику питания или закорочены. Схема силовых ключей автономного трехфазного инвертора и формирование результирующей намагничивающей силы (НС) FS, путем суммирования НС FA, FB и FС отдельных фазных обмоток трехфазного электродвигателя при замыкании ключей 1, 2 и 6 приведены на рис. 7.1.
а) б) с) Рис. 7.1. Формирование результирующей намагничивающей силы при замыкании ключей 1, 2 и 6: а) – схема силовых ключей; б) – токи обмоток электродвигателя; в) – результирующая намагничивающая сила
Если за единичное значение принять подключение фазы к плюсу питания, а за нулевое подключение к минусу питания, то текущий вариант подключения обмоток можно записать в виде трехразрядного двоичного слова с последовательностью фаз АВС. В табл. 7.1 приведены все возможные варианты подключения фаз при одновременном замыкании трех ключей и соответствующее им пространственное направление результирующей НС. Из табл. 7.1 видно, что вектор результирующей НС осуществляет не плавное, а скачкообразное пространственное перемещение, что приводит вибрациям электродвигателя. Уменьшить амплитуду вибраций можно, повысив частоту переключения между соседними состояниями. Поскольку средняя частота вращения вектора НС определяется необходимой частотой вращения электродвигателя, то необходимо многократно переключаться между соседними состояниями, то есть использовать принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Меняя длительность нахождения вектора НС в каждом состоянии и введя паузу, когда все фазы подключены только к плюсу или только к минусу питания, можно управлять как средним направлением вектора НС так и его средней величиной. Таблица 7.1 Пространственное перемещение вектора результирующей НС
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|