Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
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 МВ. Бураков; фГуП цнии сЭт, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник МЮ. Сергеев утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Мартынов, А. А. М силовая электроника. Ч. II: инверторы и преобразователи частоты учеб. пособие / а. а. Мартынов. – сПб.: ГуаП, 2012. – 144 сил 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 и выводу расчетных соотношений, определяющих энергетические показатели и характеристики автономных инверторов и преобразователей частоты. Приводятся примеры расчетов инверторов напряжения, выходных фильтров к ними 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 3 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, таки на транзисторах, 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 выполняют функцию активных фильтров, регулируемых компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений. автономные инверторы разделяются натри класса инверторы тока, резонансные инверторы и инверторы напряжения [2]. для инверторов тока характерным признаком является наличие большой входной индуктивности вцепи постоянного тока L d , приводящей к постоянству мгновенного значения входного тока const. резонансные инверторы от инверторов тока схемно не отличаются. выбор значения входной индуктивности L d и параметров других 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 вцепи 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. в инверторах напряжения входная индуктивность L d 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 устанавливают конденсатор С ф , допускающий пульсации входного тока инвертора и обеспечивающий практически постоянство мгновенных значений входного напряжения, те. Этим условием и определяется общее название класса схем инверторы напряжения благодаря наличию группы вентилей обратного тока и конденсатора С ф 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. в тиристорных инверторах напряжения, в отличие от инверторов тока, конденсаторы выполняют только функцию коммутации. в транзисторных инверторах напряжения переключение вентилей осуществляется сигналами управления, и коммутирующие конденсаторы в этом случае ненужны. 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 – электропривод переменного тока, стабилизированные источники переменного тока, включая источники гарантированного электрического питания. Вопросы для самоконтроля. дайте определение понятию инвертор. укажите основные отличия между инверторами тока и напряжения. Перечислите области применения инверторов. дайте определение понятию преобразователь частоты 6 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 одноплечевая схема (рис. 1); – полумостовая схема (рис. 2); U d VT2 VT1 VD1 VD2 T Z нг – + U d U d VT1 VT2 VD1 VD2 R нг L нг U d VT1 VT2 VD1 С1 С2 Z нг VD2 Рис. 1. однофазный одноплечевой инвертор напряжения Рис. 2. однофазная полумостовая схема инвертора Рис. 3. однофазный инвертор напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора 7 – схема с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (рис. 3); – полномостовая (мостовая) схема (рис. для регулирования и стабилизации величины выходного напряжения инверторов, выполненных на полностью управляемых вентилях, применяются широтный и широтно-импульсные способы управления 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 и которого регулируется в пределах от 0 довременные диаграммы, поясняющие применение широтного способа регулирования напряжения однофазных инверторов, представлены на рис. 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 и, где T′= T/2 – длительность полупериода выходного напряжения. U d VT2 VT4 VT1 VT3 VD3 VD1 VD4 VD2 Z нг + – Рис. 4. однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения 8 а) б) в) u 2 t t t T T/2 T/2 T/2 T T u y VT1 u y Рис. 5. временные диаграммы, поясняющие применение широтного способа управления а, б – импульсы управления транзисторов VT1 и VT2 соответственно в – напряжение вторичной обмотки трансформатора VT1 t t t t t T T T T T T/2 T/2 T/2 T/2 T/2 а) б) в) г) д) u 2 ψ u y VT2 u y VT3 u y 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 на рис. 6, ад 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 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 VT1 t t t t t T T T T T T/2 T/2 T/2 T/2 а) б) в) г) д) u 2 u y VT2 u y VT3 u y VT4 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. укажите основную область применения однофазных инверторов напряжения. Перечислите основные схемы однофазных инверторов напряжения. Перечислите основные способы регулирования выходного напряжения однофазных инверторов напряжения. 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 – двухпо- тенциальный с выводом нулевой точки – может быть представлен в виде двух источников напряжения (U d ), соединенных последовательно. нагрузка подключается между общей точкой соединения транзисторов и общей нулевой точкой источника питания (0 и.п ). При подаче импульса управления на транзистор VT1, транзистор открывается и пропускает ток, который протекает по цепи (+U d ) → VT1 → Z нг → (–0 и.п ). на нагрузке формируется положительная полуволна напряжения. При подаче импульса управления на транзистор VT2 транзистор открывается и пропускает ток, который протекает по цепи (+0 и.п ) → Z нг → VT2 → (–U d ). на нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения. Гармонический состав выходного напряжения при широтном регулировании может быть представлен разложением вряд фурье [4]: âûõ 1 3 3 4 2 3 2 1 5 1 5 5 2 2 sin sin sin sin sin sin sin из формулы (2) видно, что амплитуда высшей гармоники обратно пропорциональна номеру этой гармоники 2 sin d U U ν νγπ νπ = (3) на рис. 8 показан гармонический состав выходного напряжения однофазного инвертора при широтном регулировании напряжения. По оси абсцисс отложен параметр регулирования – коэффициент скважности действующее значение первой гармоники напряжения U 1 при изменении коэффициента скважности в пределах 0 < γ < 1 можно определить по формуле (1) 0 9 2 2 , sin действующее значение выходного напряжения инвертора с учетом всех гармоник 1 d ( ) d d U U t U γπ ω γ π = = ò (5) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 U ν ν=1 ν =3 ν =7 ν Рис. 8. Гармонический состав выходного напряжения однофазного инвертора при широтном способе регулировании напряжения из рис. 8 видно, что приуменьшении коэффициента скважности относительная величина высших гармоник (в долях первой гармоники) изменяется, возрастая в диапазоне малых значений При проектировании инвертора напряжения необходимо определить загрузку транзисторов потоку и напряжению. При любом характере нагрузки напряжение на закрытом транзисторе всегда равно 2U d . величина и форма тока, протекающего через транзистор, зависит от величины и характера нагрузки. При чисто активном характере нагрузки форма тока нагрузки повторяет форму кривой напряжения нагрузки. Максимальное значение тока коллектора транзистора к max =U d /R нг min (6) При активно-индуктивном характере нагрузки форма тока имеет экспоненциальный характер 2 2 1 1 ( ) , T T e i I e γ где I 0 = U d /R нг – базисный ток Т – период выходного напряжения τ нг = L нг /R нг – постоянная времени цепи нагрузки. Максимальная величина коллекторного тока транзистора оказывается при γ = 1: íã íã ê m 0 2 2 зависимость относительных амплитуд гармоник от частоты называется спектром. используя формулу (3), можно построить спектр выходного напряжения для заданного значения коэффициента скважности γ [4] (рис. диоды VD1 и VD2 называются диодами обратного тока. их назначение возвращать реактивную составляющую тока нагрузки в источник питания. диоды пропускают этот ток на интервале времени среднее значение тока, протекающего через диод обратного тока 2 1 2 1 /( ) /( ) T Ò e I I Ò å τ τ πτ σ π - - é ù - ê ú ê ú = - ê ú + ê ú ë û (10) Максимальное обратное напряжение на обратных диодах, также как и у транзисторов, равно двойному напряжению Вопросы для самоконтроля 1. Поясните принцип работы однофазного одноплечевого инвертора напряжения. укажите достоинства и недостатки однофазного одноплечево- го инвертора напряжения. укажите наиболее предпочтительную область применения од- ноплечевого инвертора напряжения. как определить гармонический состав выходного напряжения инвертора при реализации широтного способа управления. Что такое спектр выходного напряжения. как рассчитать загрузку транзисторов потоку и напряжению. Полумостовая схема однофазного инвертора схема однофазного полумостового инвертора (см. рис. 2) содержит два транзистора и два конденсатора, соединенных последовательно и подключенных параллельно транзисторам. нагрузка подключена между общей точкой соединения конденсаторов и общей точкой соединения транзисторов. Параллельно каждому из транзисторов подключен диод обратного тока. для работы этой схемы не требуется двухполярный источник постоянного тока, как схеме на рис. 1. Это выгодно отличает полумостовую схему от одноплечевой схемы. однако необходимость включения ω ω 3ω 5ω 7ω 0,2 0,4 0,6 Рис. 9. спектр выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при γ = 1 в схему двух конденсаторов вносит свои особенности в работу инвертора. временные диаграммы, поясняющие работу этого инвертора, приведены на рис. 5. когда транзистор VT1 открыт на интервале времени 0 < t < и, а транзистор VT2 заткрыт, происходит передача энергии от конденсатора Св нагрузку. одновременно происходит подзаряд конденсатора С. После открытия транзистора VT2 накопленная конденсатором С энергия будет передаваться в нагрузку, а конденсатор Сбудет подзаряжаться. Приведем основные расчетные соотношения этой схемы. коэффициент скважности γ определяется для двухтактных преобразователей отношением длительности импульса (и) к длительности полупериода выходного напряжения, те t и /Т′, где Т T/2 – длительность полупериода выходного напряжения. номинальное значение коэффициента скважности γ N для полу- мостовой схемы определяется из соотношения, по которому можно рассчитать номинальное значение напряжения нагрузки 0 5 2 2 , ( ) sin( / ); dN N U U U Δ πγ π × - = (11) íã êý.íàñ 2 2 4 0 5 arcsin , (определим загрузку транзисторов и диодов потоку и напря- жению. Максимальное значение тока транзистора к max для случая активного характера нагрузки) определяется из соотношения I к max = 2P нг /(U d ηγ 2 min ). выбор транзистора следует производить с учетом коэффициента запаса потоку k з.т = 2 и напряжению k з.н = 2: – номинальное значение тока коллектора к N > к max ; – номинальное значение напряжения коллектор-эмиттер U кэ N > > 2U вх max отметим, что для полномостовой схемы ток к max меньше в 2 раза по сравнению с полумостовой схемой. благодаря этому полномостовые схемы находят применение для преобразователей большой мощности. среднее значение тока диода выпрямителя I в.ср = 0,5I нг N Максимальное обратное напряжение на закрытом диоде в полу- мостовой схеме равно 2U вх При выборе диодов принимаем коэффициенты запаса потоку k з.т = 2 и напряжению k з.н = емкость конденсатора входного делителя для полумостовой схемы необходимо рассчитывать исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций U m п выбранного типа конденсатора по формуле С 1 = Р нг /(4ηf п U m п U вх min ), где η – коэффициент полезного действия инвертора п – частота пульсаций напряжения на входе инвертора пр, р – частота выходного напряжения инвертора U вх min – минимальное значение входного напряжения. обратим внимание на то, что допустимая амплитуда пульсаций напряжения конденсаторов C 1 и C 2 определяется по справочным данным на выбранный тип конденсаторов, например, приведенным в подразд. 5.4. значение U m п можно определить, перемножив допустимое значение амплитуды переменной составляющей тока конденсатора пери полное сопротивление конденсатора на частоте, равной п 2 m где х с = 1/(2πСf п )– емкостное сопротивление конденсатора r c – внутреннее активное сопротивление конденсатора. Часто в технической литературе это сопротивление называют отметим очевидный недостаток полумостовой схемы инвертора напряжения. транзисторы инвертора загружены не только током нагрузки, но и током заряда конденсаторов. Это требует применения транзисторов на большие токи, что удорожает стоимость инвертора. |