Расписанные билеты, но с КУЧЕЙ опечаток. 6 10 вопросы. Заключение по всем генераторам. 87

• Название: 6 10 вопросы. Заключение по всем генераторам. 87
• Дата: 03.04.2023
• Размер: 4.6 Mb.
• Имя файла: Расписанные билеты, но с КУЧЕЙ опечаток.docx
• Тип: Документы; #1034382
• страница: 12 из 17

12. Инверторы. Общие сведения, принцип работы, схемотехника. Автономный однофазный инвертор. Полумостовая и мостовая топологии.

Инверторы. Общие сведения, принцип работы, схемотехника.

Применение полностью управляемых ключей (транзисторов, запираемых тиристоров и др.) позволяет не только изменять параметры преобразователей, но и создавать новые типы электрических устройств. К последним относятся автономные инверторы, или инверторы с самокоммутацией, — преобразователи постоянного тока в переменный, в которых используются полностью управляемые ключи.

Как уже отмечалось, применение полностью управляемых ключей позволяет не только упростить схемы автономных инверторов, но и значительно повысить качество преобразуемых параметров в преобразователях. Такая возможность реализуется посредством широтно-импульсной модуляции процессов изменения напряжений и токов инвертора. В преобразователях переменного тока применяется ШИМ по синусоидальным или другим требуемым законам изменения основных параметров. В результате обеспечивается синусоидальность (снижение уровня высших гармоник по сравнению с основной гармоникой) напряжения или тока. Кроме того, формирование напряжения требуемого спектрального состава позволяет создавать новые виды силовых электронных устройств — активные и гибридные фильтры. Одновременно со снижением высших гармоник тока (напряжения) ШИМ повышает коэффициент мощности в выпрямителях, инверторах, ведомых сетью, преобразователях частоты и других типах преобразователей.

Классификация инверторов:

1) По способу запирания:

· Ведомые сетью, в таких инверторах запирание силовых ключей происходит в момент подачи на анод отрицательной полуволны входного напряжения.

· Автономные инверторы (АИ), в таких инверторах силовые ключи запираются либо с помощью вспомогательных коммутирующих конденсаторов, либо с помощью управляющих запирающих импульсов от БУИ.

2) По форме выходного напряжения и тока:

· Автономные инверторы напряжения (АИН), в которых форма выходного напряжения не зависит от характера нагрузки, а определяется только последовательностью коммутации силовых ключей, а форма выходного тока зависит от характера нагрузки.

· Автономные инверторы тока (АИТ), в которых форма выходного тока не зависит от характера нагрузки, а форма выходного напряжения зависит от характера нагрузки.

3) По элементной базе:

· Инверторы на базе тиристоров, область применения таких элементов определяется напряжением питающей сети. Как правило, тиристорные инверторы используют в сетях напряжением 6-10 кВ.

· Транзисторные автономные инверторы, в качестве силовых ключей у них используются биполярные транзисторы. Наиболее современным транзистором является IGBT, область применения которого ограничивается до 6 кВ.

4) По управляемости:

· Автономные инверторы с поочередной коммутацией.

· Автономные инверторы с индивидуальной коммутацией.

5) По виду выпрямителя:

· С управляемым выпрямителем.

· С неуправляемым выпрямителем.

Автономный однофазный инвертор.

Автономные инверторы — это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку.

Основные области применения автономных инверторов:

- питание потребителей переменного тока в устройствах, где единственным источником энергии является аккумуляторная батарея (например, бортовые источники питания), а также питание ответственных потребителей при аварии в сети переменного тока (например, электросвязь);

- электротранспорт, питающийся от контактной сети постоянного или переменного напряжения, где для регулируемого электро­привода желательно иметь простые, дешевые и надежные короткозамкнутые асинхронные двигатели;

- электропривод, где требуется переменная скорость вращения; в этом случае инвертор является источником с регулируемой частотой и напряжением.

В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет другого источника энергии той же частоты, кроме самого инвертора.

• 
  трансформаторы постоянного тока, преобразующие постоянный ток одного уровня в постоянный ток другого уровня;
  
• 
  источники прямого преобразования энергии, в которых вырабатывается постоянный ток относительно низкого напряжения (термо- и фотоэлектрические генераторы, топливные элементы, МГД-генераторы), для использования этой энергии требуется преобразовать постоянный ток в переменный ток определенной частоты;
  
• 
  передача энергии постоянным током - для преобразования переданного на дальнее расстояние постоянного тока в переменный.
  

Требования, предъявляемые к автономным инверторам:

• 
  обеспечение максимального КПД;
  
• 
  минимальная установленная мощность отдельных узлов и элементов;
  
• 
  возможность широкого регулирования выходного напряжения;
  
• 
  обеспечение стабильности выходного напряжения при измене­нии величины и характера нагрузки;
  
• 
  обеспечение синусоидальной или близкой к синусоидальной форме кривой выходного напряжения;
  
• 
  отсутствие срывов инвертирования при перегрузках;
  
• 
  возможность работы в режиме холостого хода;
  
• 
  обеспечение максимальной надежности и устойчивости.
  

Под установленной мощностью какого-либо элемента понимается основной его параметр, определяющий габариты, вес и стоимость элемента. Установленная мощность элементов является одним из основных факторов, определяющих целесообразность применения той или иной схемы автономного инвертора. Наиболее рациональной считается та схема, у которой суммарная установленная мощность имеет наименьшее значение. При этом сравниваются суммарные приведенные установленные мощности инверторов. Под приведенными установленными мощностями элементов понимают действительные мощности, умноженные на коэффициент приведения к основному элементу по выбранному критерию оценки.

Полумостовая и мостовая топологии.

Работа инвертора основана на том, что ток в ветвях периодически прерывается с помощью вентилей. В качестве вентилей используют тиристоры, МОП-транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором.

В силовых преобразователях до 6-10 кВт применяется две основные топологии: полный мост и «полумост» со сквозной нейтралью. Выглядят они следующим образом (см. на рисунках ниже).

Полумостовая топология



Мостовая топология



Полумостовая топология

Данная топология очень чаще всего встречается в бюджетных ИБП с синусом на выходе, хотя и такие авторитеты как APC и GE не брезгуют применять ее даже на достаточно больших мощностях. Что же их побуждает к этому? Давайте рассмотрим достоинства и недостатки данной топологии.

Достоинства:

- Минимально возможное количество силовых транзисторов - потери в 2 раза меньше и стоимость ниже

- Сквозной ноль. Это упрощает процесс сертификации, особенно CE и ATEX. Связано это с тем, что сквозной ноль позволяет системам защиты по входу (например, УЗО) срабатывать так же при возникновении аварии в выходных цепях после преобразователя

Недостатки:

- Необходимость двухполярного источника питания

- Удвоенное количество высоковольтных конденсаторов. Высоковольтные конденсаторы большой емкости и с малым ESR на мощностях от 3-4 кВт начинают составлять от 20 до 40% стоимости компонентов

Мостовая топология

Достоинства:

- Очень высокая надежность

- Входная емкость меньше

- Минимальные пульсации напряжения на транзисторах

- Простота и понятность алгоритмов работы

Недостатки:

- Увеличенное количество силовых транзисторов - необходимо более серьезное охлаждение

- Повышенная сложность драйвера, особенно при требованиях к наличию гальванической развязки

Как видите из реальных минусов мостовой топологии лишь повышенное требование к охлаждению транзисторов.

Принцип работы АИ (мостовая топология) представлен ниже.



Способы формирования напряжения синусоидальной формы.

Математическое описание формы выходного напряжения инвертора:



Амплитуда n-й гармоники напряжения:



Напряжение на выходе инвертора должно иметь форму, близкую к синусоидальной. В противном случае уменьшается коэффициент мощности устройства, возрастают электромагнитные помехи. Если инвертор используется в качестве источника питания асинхронного электродвигателя, наличие высших гармоник вносит дополнительные потери.

Если нагрузка мостового инвертора резистивная, выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов.

Разложение в ряд Фурье такого сигнала содержит только нечетные гармоники.

Для уменьшения амплитуд высших гармоник на выходе инвертора включают LC-фильтр нижних частот (ФНЧ). Сглаживающий фильтр может иметь большую частоту среза, и, следовательно, меньшие габариты, если в спектре выходного напряжения гармоники низшего порядка (n =3, 5) отсутствуют.

Однократная широтно-импульсная модуляция.

Математическое описание формы выходного напряжения инвертора:



Амплитуда n-й гармоники напряжения:





При такой модуляции импульсное напряжение содержит только один импульс за половину периода. δ – угол включения. Варьируя угол включения – меняем амплитуды гармоник.

Можно исключить пятую гармонику, полагая δ=18ͦ. Однако для одновременного исключения третьей и пятой гармоник необходимо сформировать импульсное напряжение более сложной формы.

Многократная широтно-импульсная модуляция.



В этом случае напряжение представляет серию импульсов за половину периода.

Напряжение такой формы позволяет исключить две высших гармоники. Однако это не могут быть одновременно третья и пятая гармоники.

Для исключения третьей и пятой гармоник необходимо напряжение, содержащее три импульса на полупериоде.

Синусоидальная широтно-импульсная модуляция.



Другой способ исключения высших гармоник из спектра заключается в модуляции длительности импульсов по синусоидальному закону. Такой способ эффективен при большом числе импульсов на полупериоде основной гармоники.

В течение полупериода цикла преобразования длительность центрального импульса максимальна, а длительность крайних импульсов уменьшается. Такой тип ШИМ называется асимметричным, т.к. длительности управляющих импульсов неодинаковы. Высшие гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут меньше, чем при симметричной широтно-импульсной модуляции.