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: 5 из 6

Задание, метод. указания для самостоятельной работы по вопросу: «Принцип работы схемы инвертора с нулевым выводом».

В течение первого полупериода включён VS1. При этом в обмотках трансформатора под действием возрастающего тока I₁ наводится ЭДС, под действием которой конденсатор заряжается до U, полярность которого указана без скобок. При Т/2 схема управления подаёт импульс и включается VS2. Конденсатор через открытый тиристор VS2 подключается параллельно тиристору VS1, и он запирается под воздействием обратного напряжения. В течение второго полупериода конденсатор Сперезаряжается, приобретая противоположную полярность (в скобках). В начале третьего полупериода схема управления вновь включит тиристор VS1, коммутирующий конденсатор окажется подключенным через VS1 параллельно VS2, и он запрется. В дальнейшем процесс повторяется.



Рис. 3 Схемаинвертора с нулевым выводом.

47. Резонансные инверторы

Резонансные инверторы широко известны в преобразовательной технике. В них обеспечивается гармоническая форма тока в силовой цепи за счет колебательного контура. Рассмотрим принцип действия резонансного инвертора, который поясняется схемой и эпюрами рис.5.13.



Рисунок 5.13 – Принцип действия резонансного инвертора

На этом рисунке S₁, S₂ – управляемые ключи, работающие в противофазе. Когда замыкается ключ S₁ , начинается рост тока i₁ по гармоническому закону. Частота собственных колебаний контура с потерями равна

(5.8)

Через промежуток T₀/2 ток в цепи станет равным нулю и ключ размыкается при нулевом значении коммутируемой мощности. В момент времени t1 замыкается ключ S2 и формируется отрицательная полуволна тока в нагрузке вследствие колебательного обмена энергии между реактивными элементами. Снова через T₀/2 ток в цепи становится равным нулю, S2 размыкается и замыкается ключ S1 и так далее. Добротность контура

(5.9)

Если частота коммутации ключей соответствует частоте резонанса контура  , то форма напряжения на нагрузке близка к гармонической, а его действующее значение (5.10)

Нагрузка может включаться последовательно (как на рис.5.13) или параллельно любому из реактивных элементов, обычно конденсатору.

Достоинства резонансных инверторов:

а) уменьшение потерь мощности на коммутацию. Особенно в условиях большого технологического разброса параметров ключей. Обеспечивается, так называемая, “мягкая” коммутация,

б) снижение уровня высокочастотных помех как излучаемых (радиопомех), так и распространяемых по проводам (кондуктивных), в питающую сеть и в нагрузку,

в) отсутствие сквозных токов в двухтактных схемах приводит к

повышению надежности.

Недостатки резонансных инверторов:

а) значительное превышение напряжения на реактивных элементах над напряжением питания из-за явления резонанса;

б) увеличение габаритов сглаживающих фильтров по сравнению с прямоугольным напряжением;

в) более высокая установочная мощность ключей.

Примерная схема транзисторного преобразователя с резонансным инвертором приведена на рис.5.14. Нагрузка R_Hподключена параллельно конденсатору С_К через двухполупериодный выпрямитель VD₁ и VD₂.



Рисунок 5.14 – Преобразователь с резонансным инвертором

Трансформатор TV обеспечивает согласование по уровню напряжения и гальваническую развязку сети и нагрузки. Стабилизация выходного напряжения осуществляется частотной модуляцией тактовой частоты ( f_T) схемы управления. Для чего f_T выбрана несколько меньше резонансной частоты контура L_K C_K. Регулировкой частоты можно получить нестабильность около 0,1%. Уровень помех примерно на 15 дБ ниже, чем в не резонансных схемах инверторов.

Для управления ключами инверторов разработано много специализированных и универсальных контроллеров, например, 1114ЕУ1…1114ЕУ5, UC3846, UC3875, TL494, TL599 и др.

48. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора АИН, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования САР, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв. Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2...15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов - запираемых GTO - тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 6.8 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно с диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 - реактивная составляющая тока.

50-51. Преобразователи частоты с непосредственной связью

Частотные преобразователи с непосредственной связью имеют второе название — непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). Преобразователи этого класса делятся по типу силовых вентилей на преобразователи с естественной и преобразователи с принудительной коммутацией.

В преобразователях с непосредственной связью с естественной коммутацией (циклоконверторах) силовая часть собрана на быстродействующих тиристорах. Тиристорный блок может быть собран по различным схемам. Наиболее часто встречается нулевая, мостовая, встречно-параллельная или перекрестная схема, с совместным или раздельным управлением. В промышленности чаще всего применяют мостовую схему. Пример структурной силовой схемы тиристорного частотного преобразователя с непосредственной связью и структурная схема мостового частотного преобразователя показана на рисунке.



Достоинства преобразователя частоты с непосредственной связью с естественной коммутацией

Достоинства НПЧ определяются его относительно простой конструкцией. К ним относятся:

• 
  довольно высокий КПД, который достигается однократным преобразованием электроэнергии в преобразователе;
  
• 
  возможность обмена энергией между двигателем и электрической сетью. Благодаря такой возможности преобразователь может работать как в двигательном, так и в тормозном режимы работы, причем с рекуперацией энергии в сеть;
  
• 
  примененяемые тиристоры в схемах с естественной коммутацией, являются более надежными и дешевыми и обладают большей перегрузочной способностью, чем полностью управляемые приборы, применяемые в схемах с принудительной коммутацией;
  
• 
  в таких частотных преобразователях имеется возможность получения довольно низких частот выходного напряжения частотного преобразователя. Это обеспечивает возможность равномерной работы двигателя с малыми скоростями;
  

Благодаря блочно-модульной конструкции частотные преобразователи с непосредственной связью имеют возможность неограниченно наращивать мощность НПЧ, удобны в эксплуатации и при создании горячего резерва;

Основные недостатки частотных преобразователей с непосредственной связью

Недостатки частотных преобразователей НПЧ связаны с простотой их конструкции. В таких преобразователях существует ограничение максимальной выходной частоты. Максимальная выходная частота не может превышать 70% частоты питающей сети. Другим препятствием для широкого применения НПЧ, является низкий коэффициент мощности и несинусоидальность выходного напряжения. Высокая сложность цепей управления, обуславливает применение НПЧ в тихоходных синхронных и асинхронных электроприводах средней и большой мощности.

Частотные преобразователи с принудительной коммутацией и непосредственной связью с сетью

НПЧ с принудительной коммутацией реализованы на полностью запираемых ключах. В качестве таких ключей используются транзисторы или запираемые тиристоры. Управление этими ключами осуществляется на принципе широтно-импульсной модуляции. Пример построения силовой схемы преобразователя частоты показана на рисунке.



В такой схеме включения любую фазу сети можно непосредственно подключить к любой фазе двигателя.

В современных системах управления электроприводами используются два типа частотных преобразователей.

• 
  Частотные преобразователи с непосредственной связью(НПЧ);
  
• 
  Частотные преобразователи со звеном постоянного тока.
  

52. Автономный инвертор напряжения

АИН формирует в нагрузке переменное напряжение путем периодического подключения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного включения вентилей (рис. 1, а).

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумуляторные батарея или выпрямитель с емкостным фильтром), назначение конденсатора будет разъяснено дополнительно.



Рис. 1. Автономный инвертор напряжения (а) и диаграмма его работы (б)

Вентили должны быть полностью управляемые (ДОТ) или каждый тиристор снабжается схемой принудительной коммутации. При работе схемы на нагрузке формируются прямоугольные импульсы напряжения (рис. 1, б), а форма тока зависит от ее характера. Если нагрузка чисто активная, то форма тока совпадает с формой напряжения (пунктир на рис. 1, б),если нагрузка активно-индуктивная, ток i_н меняется по экспоненте с постоянной времени  . При запи­рании очередной пары вентилей (например, VD1 и VD4)и отпирании второй пары напряжение U_н меняется скачком, а ток некоторое время  сохраняет свое направление. Для обеспечения прохождения этого тока используются так называемые обратные диоды VD5... VD8, далее ток замыкается через конденсатор С.

Частота тока в нагрузке определяется схемой управления, нагрузочная характеристика АИН - жесткая, так как напряжение на нагрузке практически равно U_n = Е.

Так как входной ток собственно инвертора становится (при RL-нагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя необходим конденсатор С большой емкости. АИН могут работать в широ­ком диапазоне нагрузок - от холостого хода до значения, при котором возможна перегрузка вентилей.

Максимальное значение тока нагрузки при симметричном харак­тере выходного напряжения равно

,

Где  ;  ; Т- период.

Регулировать напряжение на выходе АИН можно, либо изменяя Е, либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее осуществляют несколькими способами: 1) каждый импульс напряже­ния в нагрузке формируется из нескольких, меняющих свою длитель­ность (рис. 2, а); 2) сокращение времени работы АИН в каждый полупериод за счет закрывания одной пары вентилей и включения второй пары с задержкой (рис. 2, б); 3) применение двух инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений путем регулирования фазы в схемах управления (рис. 2, в). В первых двух случаях возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом варианте можно по лучить выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному.



Рис. 2. Регулирование напряжения в АИН

53. Трехфазная ШИМ в автономных инверторах напряжения

По своим параметрам, характеристикам и предназначению все виды преобразователей можно условно разделить на несколько групп. В первую очередь, они могут быть автономными или зависимыми. В первом случае постоянный ток преобразуется в переменный, где частоту определяет система управления, а характеристики выходного напряжения тесно связаны с параметрами нагрузки.

Зависимые устройства выдают ток, определяемый частотой местной сети, с постоянными значениями. В автономных приборах возможны плавные изменения напряжения от нуля до наибольшей допустимой величины. Поэтому такие инверторы чаще всего используются в различных схемах. Читайте также: Как сделать камеру видеонаблюдения из телефона.

Существует дополнительная классификация автономных инверторов в соответствии с его схемой, способами принудительной коммутации, параметрами нагрузки и источников питания. Они могут быть автономными инверторами тока – АИТ или напряжения – АИН, а также резонансными – АИР. В соответствии с количеством токовых коммутаций, трехфазный инвертор бывает одно- или двухступенчатым. В первом случае ток нагрузки сразу поступает к тиристору, включающемуся в работу, а во втором происходит изначальное переключение нагрузки на вспомогательную цепь, и лишь потом она переходит в основную. Если в схеме используются тиристоры, рассчитанные только на одну операцию, в нее могут быть дополнительно включены узлы принудительной коммутации.

В состав силовой части трехфазного инвертора входят транзисторные ключи с маркировкой от VT1 до VT6 в количестве шести элементов и диоды обратного тока VD1–VD6, также шесть штук. Диоды соединяются в общий мост и подключаются параллельно с источником питания. Силовая трёхфазная цепь инверторов может быть построена разными способами. При постоянной структуре цепи, подача управляющих сигналов происходит одновременно сразу к трем силовым транзисторам. Таким образом, ее структура остается неизменной. В случае использования переменной структуры, количество транзисторов для подачи управляющих сигналов нередко бывает менее трех.

Продолжительность переключений, выполняемых транзисторными ключами и частота напряжения на выходе, зависит от используемой системы управления. В интервале, включающем в себя один период, переключения на выходе транзисторов анодной и катодной групп может происходить от одного до множества раз. Конфигурация тока на выходе получается в соответствии с характеристиками нагрузки. Если нагрузка активно-индуктивная, получается форма в виде ломаной кривой, разделенной на четыре части, расположенные на половине периода. Эффект от токовой нагрузки определяется интегрированием наиболее характерных участков токовой кривой.

Необходимая форма нагрузки, в том числе и синусоидальная, получается при многократном включении и отключении управляемых вентилей в пределах одного периода. Читайте также: Самые мощные электростанции в мире Регулировка выходного напряжения в инверторе осуществляется при помощи широтно-импульсной модуляции – ШИМ. Сформированная модуляция в виде прямоугольника, получила название широтно-импульсного регулирования – ШИР. Такое регулирование выходного напряжения выполняется за счет изменяющейся продолжительности подключения нагрузки к источнику питания. Данная схема применяется в момент паузы между импульсами, когда происходит запирание двух одинаковых силовых транзисторов. В случае групповых переключений в нагрузочном напряжении возникает определенная пауза. Это происходит при изменении током своего знака в тот момент, когда два транзистора начинают запираться. Если же ток к этому времени не изменит своего знака или нагрузка окажется слишком продолжительной, то формирования паузы в напряжении на выходе не получится. При использовании ШИР, структура тока и напряжения на выходе в диапазоне малых частот и напряжений, значительно ухудшается.

Для того чтобы избежать этого негативного явления, ШИР приходится выполнять на действующих несущих частотах. Схема подключения Подключение трехфазного инвертора в качестве примера можно рассмотреть в общей связке с электродвигателем. На представленном ниже рисунке обозначен двигатель М, работающий под управлением ключей V1 – V6. Все полупроводники для более наглядного отображения представлены как обычные механические контакты. Для питания используется постоянное напряжение Ud, поступающее из выпрямителя, не отмеченного на схеме.

Ключи 1, 3, 5 относятся к верхним, а три ключа 2, 4, 6 – к нижним. Верхние и нижние ключи никогда не открываются одновременно, во избежание короткого замыкания. Схема будет нормально работать, когда нижний ключ открывается, а верхний к этому времени уже находится в закрытом состоянии.

Для формирования этой паузы используются контроллеры. Продолжительность паузы должна гарантировать, чтобы силовые транзисторы закрывались своевременно. При недостаточности этого временного промежутка, верхний и нижний ключи могут одновременно открыться на очень короткое время. Это крайне нежелательно и не должно происходить систематически, поскольку выходные транзисторы сильно нагреваются и быстро выйдут из строя. Подобная ситуация известна как сквозные токи.

Существует гальваническая связь между нижними и верхними ключами и с управляющим устройством. Подача сигнала управления выполняется через резисторы непосредственно к составному транзистору, выполняющему функции драйвера нижнего ключа. У верхних ключей отсутствует гальваническая связь с элементом управления и с общим проводником.

Поэтому для более эффективного управления к верхнему составному транзистору помимо драйвера дополнительно устанавливается оптрон. Питание верхних ключей производится от отдельных выпрямителей, каждый из которых подключен к собственной обмотке трансформатора. Различия между одно- и трехфазными инверторами Существуют принципиальные отличия однофазного от трехфазного инвертора. В основном они связаны с их конструктивными особенностями. Это наглядно видно на примере устройств, используемых с солнечными батареями.

Схема однофазного инвертора использует 1 или 2 трекера МРРТ, выполняющих слежение за максимальной отметкой мощности панели. Читайте также: Прожекторы на солнечных батареях Далее в цепь включается инвертор, выполняющий преобразование тока и синхронизирующий его с сетью. Электроэнергия, полученная от этого инвертора, поступает непосредственно в сеть. К каждому трекеру подключается своя солнечная панель. При наличии двух трекеров можно подключить на выбор 1 или сразу 2.

Трехфазный инвертор напряжения может иметь в своей схеме от 1 до 4 трекеров, в зависимости от мощности каждого преобразователя. Они также выполняют слежение за точкой максимальной мощности и направляют постоянный ток от солнечной панели к входу инвертора. В свою очередь, преобразователь соединяется с сетевыми фазами и синхронизирует их сдвиг на все 3 фазы.

Таким образом, основное отличие между обоими устройствами заключается в разнице распределения полученной энергии. Распределение электричества трехфазным прибором осуществляется равномерно между всеми фазами. Если же для этой цели используется три однофазных инвертора, то выходная мощность каждого из них будет колебаться в соответствии с мощностью, выдаваемой солнечной панелью.

Довольно часто возникает вопрос, что выгоднее использовать, одно- или трехфазный инвертор? Решение принимается индивидуально, исходя из конкретных условий эксплуатации. Несмотря на 1 корпус вместо 3-х, он может оказаться слишком дорогим, поэтому сравнение нужно делать по тем или иным известным моделям. То же самое касается VHHN-трекеров, количества силовых ключей и других важных компонентов.
54. Импульсный последовательный стабилизатор понижающего типа

Импульсный последовательный стабилизатор(понижающего типа) выполняется по функциональной схеме, приведенной на рис. 15.46, в которой регулирующий элемент РЭ и дроссель фильтра Ь включены последовательно с нагрузкой Я_н 



Рис. 15.46.