ответы. СЭ. Экзаменационные вопросы по предмету сэ

• Название: Экзаменационные вопросы по предмету сэ
• Анкор: ответы
• Дата: 31.01.2023
• Размер: 1.49 Mb.
• Имя файла: СЭ.docx
• Тип: Экзаменационные вопросы; #913474
• страница: 4 из 6

35. Инверторы, ведомые сетью

Инвертирование — эго преобразование электроэнергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «шуегею» — переворачивание, перестановка. В силовой электронике этот термин был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При инвертировании поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Преобразователь, работающий в этом режиме, называется инвертором, ведомым сетью, так как коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его иногда называют зависимым инвертором.

При подаче на тиристор импульса управления в момент времени 9 = 9,, определяемый углом управления а, тиристор включается. В результате этого из сети в батарею АБ поступает ток /'?. Благодаря сглаживающему реактору Б_с1 ток будет плавно изменяться во времени: увеличиваться, пока и_аЬ > и_А, и уменьшаться при и_л> и_а1,- В момент времени 9₃, соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 5.30, б, ток /?становится равным нулю, а тиристор УБвыключается. Протекание через тиристор тока на интервале от 9, до 9₃, когда 11 _А > и_аЬ,обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток направлен навстречу ЭДС Е_АБ).

Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить полярность батареи.

Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети е_аЬнаправлена навстречу току /?. На рис. 5.30, в приведены диаграммы напряжения и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент времени 9, на тиристор УБ подать импульс управления, то тиристор включится, так как к нему приложено положительное прямое напряжение. Прямое напряжение на тиристоре существует вплоть до момента времени 9₂. Начиная с этого момента напряжение ы_аЬ по абсолютному значению больше ЭДС Е_АБ. Под воздействием разности напряжений 11 _ЛБ - и_аЬ в цепи протекает ток /?, противоположный по знаку напряжению сети и_аЬ.Наличие в схеме сглаживающего реактора Б_с1 ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать в тиристоре после того, как напряжение и_аЬ по абсолютному значению будет больше напряжения 11_Аи станет равным нулю в момент времени 9₃.

36-38. Однофазный инвертор

 

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Полный мост:



 

Принцип регулирования фазного напряжения.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

 . Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:^[9]

• 
  Большая величина пульсаций
  
• 
  Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
  
• 
  Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).
  

Преимущества:

• 
  Экономия на количестве вентилей.
  

 Искажение формы напряжения в питающей сети происходит из-за того, что в течение полупериода сопротивление нагрузки меняется (резко падает при открытии вентилей), в результате чего возрастает ток и увеличивается падение напряжения на сопротивлениях источника и сети. Форма напряжения становится несинусоидальной, что особенно неблагоприятно для асинхронных двигателей.

 Диаграммы входного напряжения и входного тока регулятора (первая диаграмма) и выходного напря­жения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку. Для регуляторов переменного напряжения значимы два вида регу­лировочных характеристик в зависимости от характера нагрузки. При работе на активную нагрузку показа­тельной является зависимость действующего значения выходного напряжения регулятора от угла регулиро­вания   .



 Графики рассчитанных регулировочных характеристик, причем С_Р(1) построена для двух крайних сочетаний параметров нагрузки - без R_H (индуктивная нагрузка) и без L_H (чисто активная нагрузка).

Входной коэффициент сдвига и коэффициент мощности. Второй важной характеристикой регулятора напряжения является его входная энергетическая характеристика - зависимость входного коэффициента мощности от степени регулирования выходного напряжения. Так как входной коэффициент мощности равен произве­дению коэффициента сдвига на коэффициент искажения входного тока, то удобно найти отдельные зависимости для указанных со­множителей.

3-5. Регулирование напряжения переменного тока (на примере сх. используемой встречно-параллельное включение тиристоров, диаграммы при разном характере нагрузки и соотношении α и φ, нагрузки R и L).

Простейший регулятор однофазного переменного напряжения состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, соединенных последовательно с нагрузкой, как показано на рис. 3.2.1.

 На рис. 3.2.2 построе­ны диаграммы напряжений и токов регулятора. Углы управ­ления  тиристорами должны быть такими, чтобы ток в последовательной активно-индуктивной нагрузке был прерывистым. Соотношение для угла регулирования   , длительности протекания тока через тиристор   и параметров нагрузки L_H, R_H здесь такое же, как у однофазного выпрямителя в режиме прерывистого тока. Увеличение угла регули­рования   приводит к уменьшению   и росту искажения кривой напряжения на нагрузке U_H и за счет этого к изменению его действующего значения и первой гармоники. При этом ухудшается и качест­во потребляемого из сети тока из-за роста сдвига фазы тока относительно напряжения (увеличение потребле­ния реактивной мощности) и за счет ухудшения его формы вследствие уменьшения длительности протекания   .



РИС. 3.2.2

Возможен и другой способ регулирования переменного напряжения в этой схеме - широтно-импульсное регулирование при естественной коммутации. На рис. 3.2.3 показаны диаграммы входного напряжения и входного тока такого регулятора (первая диаграмма) и выходного напря­жения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку (термопечи сопротивления). Здесь уже цель ре­гулирования состоит в изменении действующего значения напряжения на активной нагрузке для преобразо­вания электрической энергии в тепловую. При таком регулировании период входного тока регулятора Т_U много больше периода сетевого напряжения Т₁ и в этом токе появляются субгармоники, т.е. гармоники с час­тотой ниже частоты сетевого напряжения. Это, в свою очередь, при «слабой» сети может вызвать в ней низкочастотные колебания уровня напряжения, при­водящие к мерцанию освещения (фликкер-эффект), нормы которого устанавливаются ГОСТом на качество электроэнергии.

Улучшение напряжения, основные схемы которых приведены на рис. 3.2.4. Схема на рис. 3.2.4,а объединяет три однофаз­ных регулятора и при отсутствии нулевого провода характеризуется лучшим качеством выходного фазного напряжения, как в шестипульсной схеме, а не как в двухпульсной схеме однофазного регулятора. Форма напряжения на фазе нагрузки и ток фазы показаны на рис. 3.2.5,а,б для активной и активно-индуктивной нагрузки соответственно. Более простая схема регулятора на рис. 3.2.4,б характеризуется худшим качеством выходно­го напряжения, проявляющимся в неодинаковости форм полуволн фазного напряжения, но без постоянной составляющей в нем. Схемы регуляторов на рис. 3.2.4,в,г применимы при условии доступности всех шести концов трехфазной нагрузки. При использовании трансформатора в регуляторе возможно более качественное регулирование переменного напряжения за счет использования комбинации фазового и амплитудного спосо­бов регулирования.



39. Входная характеристика инвертора, ведомого сетью

При анализе нормальных режимов работы инвертора важно знать следующие основные его характеристики: входную и ограничительную. Входная характеристика представляет собой зависимость входного напряжения инвертора Ud от среднего значения входного тока Id.



Рис.5.2. Входная и ограничительная характеристика инвертора при ωLd = ∞

Входное напряжение инвертора при допущении равенства нулю падения напряжения в тиристорах и активных сопротивлениях схемы можно представить в виде суммы двух составляющих. Первая составляющая входного напряжения - это напряжение холостого хода Ud0, равное входному напряжению при мгновенной коммутации вентилей, т.е. при угле коммутации g = 0. Второй составляющей является среднее значение падения напряжения ΔUна интервалах коммутации. В отличие от выпрямителей, у которых падение напряжения вычитается из напряжения холостого хода, в ведомых инверторах эти составляющие суммируются. На рис. 5.2 представлены входные характеристики однофазного инвертора при различных углах β, из которых видно, что они в отличие от внешних характеристик выпрямителя, представленных на рис. 5.2 в правой полуплоскости, имеют возрастающий характер (напряжение увеличивается с ростом тока). При этом внешние характеристики выпрямителя являются продолжением входных характеристик инвертора при условии равенства углов α и β.

Напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при Id = 0 (т.е. на холостом ходу) одинаковы для выпрямительного и инверторного режимов и зависят от угла β (или α). Эту зависимость обычно называют регулировочной характеристикой. Рассматриваемые преобразователи обладают свойством обратимости, т.е. путем изменения углов управления и переключения полярности источника постоянного тока можно переходить от выпрямительного режима к инверторному и наоборот.

40-43. Параллельный инвертор тока



Силовая схема: содержит входную индуктивность L_d равную бесконечности, кроме того сделаем допущение, что тиристоры идеальны, во включенном состоянии R_ТИР=0, а также считаем, что напряжение и ток нагрузки вследствие установки фильтров (которые на рис. Не показаны) изменяются по синусоидальному закону, это допущение позволяет использовать векторные диаграммы для анализа работы инвертора. Кроме входной индуктивности силовая схема содержит 4 рабочих тиристора, в диагональ переменного тока подключено сопротивление нагрузки, а параллельно ей конденсатор, который служит для коммутации. Сопротивление нагрузки может содержать и индуктивность, но эта индуктивность должна быть полностью скомпенсирована реактивным сопротивлением коммутирующего конденсатора, в целом цепь нагрузки должна иметь емкостный характер.

В положительном полупериоде включаем тиристоры VS1, VS4, они находятся под действием прямого напряжения и включается, ток I_d=const начинает протекать через цепь нагрузки инвертора, то есть i_и=I_d по величине. За время протекания тока коммутирующий конденсатор заряжается этим током и его полярность +à-. В следующем полупериоде включаются тиристоры VS2,VS3, при этом образуется два контура для разряда коммутирующего конденсатора:

1) Через тиристор VS1 и тиристор VS2.

2) Через тиристор VS3 и тиристор VS4.

Коммутирующие токи i_K1, i_K2 будут выключать ранее работающие тиристоры и включать вступающие в работу тиристоры. Как только в обоих контурах сопротивление будет равно нулю, тиристоры выключаются. Ток инвертора скачком меняет свое направление на противоположное. К концу отрицательного полупериода коммутирующий конденсатор опять перезарядиться током, который потребляется из сети и полярность напряжения на конденсаторе смениться на противоположную. И в момент следующего положительного полупериода, коммутирующие токи изменят свое направление на противоположное и переключат ключи. В цепи нагрузки имеется фильтр, выделяющий 1-ую гармонику тока, см рисунок выше. При емкостном характере нагрузки напряжение отстает от тока на какой-то угол. Чтобы убедиться, что в конце положительного полупериода тиристоры VS1 и VS4 надежно выключатся построим диаграмму изменения напряжения. Пока тиристор VS1 был включен, то U_VS1=0.

Из диаграммы видно что после выключения вентиля к нему прикладывается отрицательное напряжение для восстановления запирающих свойств (угол d - угол восстановления запирающих свойств тиристоров).

Угол сдвига между током и напряжением инвертора принято называть углом опережения: b

Для надежной работы инвертора необходимо, чтобы угол восстановления запирающих свойств d=b был больше или равен wt_В.З.С – наступает режим опрокидывания или срыва инвертора, а данный режим является аварийным.

44. Последовательный инвертор тока



Схема последовательного инвертора тока отличается от предыдущей способом подключения коммутирующего конденсатора. В данном случае коммутирующий конденсатор включен последовательно сопротивлению нагрузки. В положительном полупериоде включают тиристоры VS1 и VS4, протекает ток нагрузки. Током нагрузки конденсатор заряжается до полярности: +,-. Далее включают тиристоры VS2, VS3 – в данный момент включены все четыре вентиля. Образуется два контура разряда: i_K – коммутирующие токи. Отличие этого инвертора от предыдущего заключается в том, что в предыдущем случае была мгновенная коммутация. Если в сопротивлении нагрузки имеется и активное и индуктивное сопротивление, и активное сопротивление меньше критического значения, коммутирующий ток будет меняться по синусоиде (колебательный контур), либо если активное сопротивление больше критического значения, то переходный процесс идет по экспоненте, учитывается лишь начальный участок, поэтому коммутирующий ток линейно возрастает. Ток в цепи инвертора будет по линейному закону снижаться. Как только ток инвертора сменит свое значение на противоположное, то тиристоры VS1 и VS4 выключаться, остаются работать тиристоры VS2, VS3. Аналогичные процессы происходят и в другом полупериоде.









Внешняя характеристика последовательного инвертора тока зависит только от коэффициента мощности нагрузки и является жесткой, так как уменьшается время восстановления запирающих свойств тиристоров. Последовательный инвертор тока не может устойчиво работать в области малых нагрузок из за низкого значения угла опережения , но при этом появляется перенапряжения на тиристорах. В области больших нагрузок устойчивость работы инвертора возрастает, так как растет угол.

45. Виды коммутации в автономных инверторах

Автономные инверторы — это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних электрических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. На его выходе можно получать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регулировать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно применение автономных инверторов в тяговых электроприводах электровозов, электропоездов, тепловозов.

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автономные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими особенностями процессов переключений тока. Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из которых являются: уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления его запирающей способности, нарастание прямого тока во втором тиристоре. Эти события могут совершаться совместно или последовательно. Средства для осуществления надежной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных проблем в автономных инверторах. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы и запираемые тиристоры). Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (однооперационные тиристоры), дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров.

Принцип работы инвертора на полностью управляемых приборах. Силовые транзисторы используются как ключи, получая сигналы управления / по цепи базы от отдельной схемы управления СУ, построенной на основе генератора прямоугольных импульсов. Сигналы управления, поступающие на транзисторы VT1 и F72, не совпадают по времени, что устраняет появление сквозного тока источника питания.

Сигналы управления подаются на VT1, VT2 с периодом следования Т. При активной нагрузке поочередное включение транзисторов обуславливает приложение ЭДС источника Е к первичной обмотке трансформатора Т, выполненного с выведенной средней (нулевой) точкой 0. По первичным полуобмоткам протекают токи i11, i12. На вторичной обмотке возникает напряжение м2 прямоугольной формы. Ток i2 при активной нагрузке R повторяет форму кривой и2 и переходит через нулевое значение одновременно с моментом переключения транзисторов. При работе транзисторов в нулевой схеме в течение непроводящей части периода к ним прикладывается в прямом направлении напряжение 2Е.

В реальных схемах нагрузка носит, как правило, активно-индуктивный характер. Во время переключения транзисторов в такой схеме возникают условия, которые могут привести к большим перенапряжениям, поскольку ток в цепи с индуктивным элементом не может мгновенно изменить направление. Следовательно, для предупреждения перенапряжения в схеме должна быть предусмотрена ветвь тока нагрузки на интервалах t0 — t1 t2 — t3 после переключения транзистора.

Для пропуска тока могут быть включены разнообразные устройства, например резисторы, конденсаторы или дополнительные цепи с полупроводниковыми приборами. Наиболее экономичное решение было предложено выполнять по схеме с обратными диодами VD1, VD2, включенными встречно-параллельно основным (главным) транзисторам VT1, VT2 [4]. Для этого случая на рис. 9.1, б показаны формы напряжений и токов в схеме инвертора. В схеме с обратными диодами после переключения транзистора контур индуктивного тока нагрузки проходит через диод, включенный встречно ЭДС источника Е. Входной ток id инвертора на интервалах переключения тока (спадания тока нагрузки до нуля) протекает в обратном направлении, обеспечивая возврат в источник питания энергии, накопленной в дросселе L. Среднее значение тока Id источника определяется потреблением энергии активным сопротивлением R цепи нагрузки. При идеальной индуктивной нагрузке теоретически возможно Id = 0.

Принцип работы инвертора на однооперационных тиристорах. Рассмотрим схему инвертора, в которой требуются дополнительные элементы для осуществления коммутации. Схема однофазного инвертора на однооперационных тиристорах VT1, VT2 называется параллельным инвертором и строится по принципу коммутации тока с использованием конденсатора С, включенного параллельно цепи нагрузки.

Широко известная схема однофазного параллельного инвертора отличается от схемы наличием дросселя в цепи постоянного тока с индуктивностью Ld и коммутирующего конденсатора емкостью С. В этой схеме принудительное выключение однооперационных тиристоров VT1, VT2 осуществляется предварительно заряженным коммутирующим конденсаюром. Коммутация тиристора VT1 начинается с момента (t2, t6), когда отпирается второй тиристор VT2, и конденсатор С, заряженный так, что верхняя обкладка положительна, обеспечивает обратное напряжение на запираемом тиристоре VT1. Интервалы времени (t2 — t3, t6 — t7 дляVT1; t0 — t1, t4 —15 для VT2) должны быть не менее времени выключения тиристора.

46. Инверторы напряжения на тиристорах

Тиристорные инверторы – это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты.

Применение:

1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).

2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ)..

3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.

4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.

5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.

В зависимости от специфики электромагнитных процессов различают инверторы тока и инверторы напряжения (рис. 1а, б).



Рисунок 1: а)инвертор тока б) инвертор напряжения

В инверторах тока силовая цепь схемы подключается к источнику постоянного напряжения через дроссель L с большим индуктивным сопротивлением (источник тока должен иметь большое сопротивление).

В инверторах напряжения параллельно источнику питания включается конденсатор большой ёмкости, чем исключается влияние на работу устройства R_внутр источника (получаем источник напряжения с переменным током). Таким образом, коммутация тиристоров в инверторах тока проводится при постоянном токе, а инверторах напряжения – при постоянном напряжении.

При работе инвертора схема управления поочерёдно включает пару тиристоров VS1, VS4 или VS2, VS3, благодаря чему на нагрузке появляется переменное напряжение – с помощью ключевой схемы нагрузка подключается таким образом, чтобы в ней протекал ток разных направлений.

Если нагрузка инвертора напряжения имеет индуктивный или активно-индуктивный характер, то параллельно тиристорам включают обратные диоды. Этим обеспечивается передача накопленной в индуктивности энергии назад в источник питания.

Основной проблемой при проектировании инверторов является обеспечение надёжного выключения тиристоров, которые находятся в открытом состоянии, перед выключением тиристоров, которые не проводили ток. Это реализуется с помощью схем принудительной коммутации, которые обеспечивают запирание тиристоров в цепях постоянного тока. В цепях постоянного тока включение тиристора осуществляется путём включения параллельно тиристору предварительно заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна относительно тиристора (принудительная коммутация).

В цепях постоянного тока выключение тиристора обеспечивается путём включения параллельно тиристору ранее заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна по отношению к тиристору (принудительная коммутация). Рис. 2.



Рис. 2 Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора

По способу включения конденсатора С с нагрузкой тиристорные инверторы делят на: параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

Принцип действия мостового инвертора (рис. 2):

Тиристоры открываются попарно (VS1 и VS3, VS2 и VS4) на время равное Т / 2 под воздействием положительных импульсов тока, которые подаются от схемы управления в управляющие электроды тиристоров. Выходной ток инвертора распределяется между нагрузкой и конденсатором, заряжая конденсатор полярностью, указанной на рисунке 2 без скобок. При t = T/2 схема управления посылает импульсы и включает тиристоры VS2 и VS4. Конденсатор оказывается закороченным. Ток заряда конденсатора, протекая навстречу анодному току тиристоров VS1 и VS3, уменьшает его до 0 практически мгновенно из-за малости сопротивления в контуре разряда конденсатора через тиристоры.

После падения анодного тока тиристоров VS1 и VS3 до 0 к ним прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе. VS1 и VS3 запираются. Конденсатор перезаряжается через VS2 и VS4, приобретая противоположную. Полярность, необходимую для осуществления коммутации на следующем полупериоде, когда включаются VS1 и VS3. Перезаряд конденсатора должен быть медленным.