Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
Вопросы для самоконтроля. Поясните принцип работы однофазного полумостового инвертора напряжения. укажите достоинства и недостатки однофазного полумостово- го инвертора напряжения. укажите наиболее предпочтительную область применения по- лумостовой схемы инвертора напряжения. как рассчитать загрузку транзисторов потоку и напряжению для полумостового инвертора напряжения 16 1.4. Однофазный инвертор напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора схема однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (см. рис. 3), как и две ранее рассмотренные, содержит два транзистора и два диода обратного тока. для пояснения работы этой схемы воспользуемся временными диаграммами (см. рис. 5). При подаче импульса управления на транзистор VT1 транзистор открывается и по цепи (+U d ) → (первая полуобмотка первичной обмотки трансформатора) → VT1 → (–U d ) начинает протекать ток. на вторичной обмотке трансформатора формируется положительная полуволна выходного напряжения. При подаче импульса управления на транзистор VT2 транзистор открывается и по цепи (+U d ) → (вторая полуобмотка первичной обмотки трансформатора) → VT2 → (–U d ) начинает протекать ток. на вторичной обмотке трансформатора формируется отрицательная по- луволна выходного напряжения. регулируя длительность каждой полуволны кривой выходного напряжения, можно регулировать действующее значение этого напряжения. наличие промежуточного трансформатора позволяет наилучшим способом согласовать по величине напряжение источника питания U d и напряжение нагрузки U нг рассмотрим методику расчета однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора. исходные данные, необходимые для расчета напряжение нагрузки U нг N = 220 в ток нагрузки I нг N = 1 A; – напряжение входной сети U вх N = 12 в допустимое отклонение напряжения входной сети ±ΔU вх % = = 10,0 %; – частота выходного напряжения f = 50 Гц. учитывая, что напряжение источника питания 12 в, инвертор напряжения целесообразно выполнить по схеме с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (см. рис. 3). Поскольку ток, потребляемый инвертором из источника питания в этой схеме, проходит только через один транзистор, потери мощности на транзисторах будут в 2 раза меньше по сравнению с мостовой схемой инвертора, что будет способствовать увеличению коэффициента полезного действия (кПд) инвертора Расчет трансформатора для определения коэффициента трансформации трансформатора k тр зададимся максимальным коэффициентом скважности γ max = такое значение γ будет при минимальном входном напряжении U вх min = U вх N (1 – ΔU вх % /100 ) = 12(1 – 0,1) = 10,8 в и номинальном токе нагрузки I нг = 1 а. определим требуемую величину коэффициента трансформации трансформатора k тр = W 1 /W 2 : k тр = (U вх min – ΔU кэ.нас )γ max /[U нгN + (ΔU тр )γ max ], где ΔU кэ.нас – падение напряжения на открытом транзисторе, примем равным 1 в ΔU тр – падение напряжения на обмотках трансформатора, приведенное к вторичной обмотке. Можно рекомендовать задаваться величиной ΔU тр = (0,01 – 0,02)U нг N , примем ΔU тр = 0,01U нг N = = 0,01 · 220 = 2,2 в; k тр = (10,8 – 1) · 0,9/[220 + 2,2 · 0,9] = определим амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора при номинальном значении входного напряжения U вх N = 12 в N = (U вх N – ΔU кэ.нас )/k тр = (12 – 1)/0,0397 = 277 в. напомним, что напряжение U 2m N – это амплитуда напряжения импульса прямоугольной формы, трансформируемого на вторичную обмотку трансформатора при включенных транзисторах схемы. далее определим номинальное значение коэффициента скважности. действующее значение напряжения нагрузки в номинальном режиме задано заданием, U нг N = 220 в 2m òð 4 2 2 ( )sin ; N N U U U πγ Δ π = - откуда íã 2m òð 2 2 4 arcsin ; ( ) N N N U U U π γ π Δ = - 2 2 220 0 694 4 277 2 2 arcsin , ( , ) N π γ π × = = - действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора+ ΔU тр )k тр = (220 + 2,2) · 0,0397 = 8,82 в. Это же напряжение может быть определено через входное напряжение U вх N и γ N : 1 âõ êý.íàñ 4 2 2 ( )sin ; N N N U U U πγ Δ π = - 1 4 10 8 0 886 8 81 рассчитанные значения U 1N одинаковы, что свидетельствует о точности выполненных расчетов. действующее значение первой гармоники напряжения вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода 2m 4 2 2 sin ; N N N U U πγ π = 2 0 9 277 0 886 220 86 определим действующие значения токов первичной и вторичной обмоток. действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора задано техническим заданием I 2N = 1 а. действующее значение тока первичной обмотки трансформатора 1 òð 1 17 86 À 2 0 0397 определим расчетную мощностью трансформатора [5]: S тр =(2U 1N I 1N + U 2N I 2N )/2 = = (2 · 8,81 · 17,86 + 220,88 · 1)/2 = 267,78 вт. Принимаем для расчета трансформатора мощность, равную 300 вт. исходные данные, необходимые для расчета трансформатора расчетная мощность трансформатора S тр = 300 вт; – напряжение первичной обмотки U 1N = 8,81 в ток первичной обмотки I 1N = 17,86 а напряжение вторичной обмотки U 2N = 220,88 в 19 – ток вторичной обмотки I 2N = 1,0 а частота р = 50 Гц. определим требуемую площадь сечения сердечника магнитопровода трансформатора коэффициент С для однофазных трансформаторов стержневого типа с круглыми катушками может быть принят равным 0,5, а для однофазных трансформаторов броневого типа С = 0,7. Примем остальные параметры α = 2 ÷ 4, примем α = 2,5; f = 50 Гц – рабочее значение индукции В = 1,1 тл; – плотность тока в обмотках трансформатора j = 2,5 а/мм 2 ; 6 4 2 2 c 300 2 5 10 0 5 11 68 10 ì 11 68 ñì 50 1 1 2 выбираем сердечник ленточного типа ШЛ 32×50 [5], параметры которого активная площадь сечения магнитопровода S c =14,2 см, площадь окна S ок = 25,6 см 2 определим число витков первичной обмотки = U 1 /(4BS c f) = 8,81 · 10 4 /(4 · 1,1 · 14,2 · 50) = 28,2 витка, (принимаем W 1 = 29 витков. Число витков вторичной обмотки W 2 = W 1 /k тр = 29/0,0397 = 730 витков. уточним величину коэффициента трансформации: k тр = W 1 /W 2 = 29/730 = сечение провода первичной обмотки = I 1N /j = 17,86/2,5 = 7,14 мм 2 сечение провода вторичной обмотки = I 2N /j = 1/2,5 = 0,4 мм 2 Провода для обмоток выбираем по справочным данным для вторичной обмотки берем провод марки ПЭЛ сечением 0,43 мм 2 для первичной обмотки берем провод прямоугольного сечения марки Пбд сечением 7,14 мм определим коэффициент заполнения окна трансформатора зап, учитывая при этом, что трансформатор содержит две первичные по- луобмотки: k зап = (2q 1 W 1 + q 2 W 2 )/S ок = (2 · 7,14 · 29 + 0,43 · 730)/2560 = коэффициент заполнения окна трансформатора не должен превышать. рассчитанный трансформатор удовлетворяет этому требованию. определим загрузку транзисторов потоку и напряжению. из схемы инвертора (см. рис. 3) видно, что к закрытому транзистору прикладывается двойное напряжение источника питания. с учетом двойного запаса по напряжению необходимо выбирать транзистор на напряжение не менее 50 в (2 · 2 · 12 = 48 в. При активном характере нагрузки ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора, имеет прямоугольную форму. амплитудное значение этого тока к m = I 2m /k тр (19) в задании указано действующее значение тока нагрузки I 2N = 1 A. При прямоугольной форме кривой тока нагрузки (γ = 1) амплитудное значение тока равнодействующему значению. следовательно I 1m = к m = I 2m /k тр = 1/0,0397 = 25,2 ас учетом необходимого двойного запаса потоку и напряжению следует выбрать транзистор на номинальный ток не менее 50 аи на напряжение не менее 50 виз табл. 8, приведенной в конце учебного пособия, выбираем полевые транзисторы типа BUZ102S4 с параметрами номинальный ток стока I c N = 52 A; – номинальное напряжение сток-исток ив cопротивление прямого канала открытого транзистора нас = = 16 · 10 –3 ом. обратим внимание, что прямое падение напряжения на одном открытом транзисторе составит ΔU кэ.нас = к нас = 25,2 · 16 · 10 –3 = = 0,4 в. ранее в первом приближении было принято падение напряжения на транзисторе, равное 1,0 в. выбранные транзисторы обеспечивают несколько меньшее падение напряжения, что вполне приемлемо. Гармонический состав выходного напряжения при широтном регулировании следует определить по формулами) и графикам рис. 8. Вопросы для самоконтроля. Поясните принцип работы однофазного полумостового инвертора напряжения. укажите достоинства и недостатки однофазного инвертора напряжения с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора. укажите наиболее предпочтительную область применения по- лумостовой схемы инвертора напряжения. как рассчитать загрузку транзисторов потоку и напряжению. как определить исходные данные, необходимые для расчета выходного трансформатора. Перечислите основные этапы методики расчета выходного трансформатора. Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения Мостовой инвертор напряжения (см. рис. 4) содержит четыре транзистора, собранные по мостовой схеме, и четыре диода обратного тока, включенные параллельно соответствующему транзистору. на схеме нагрузка подключена непосредственно на выходе инвертора. Чаще нагрузка подключается к выходу инвертора через трансформатор, который обеспечивает согласование напряжения источника питания и напряжения нагрузки (рис. 10). ниже рассмотрим работу и основные расчетные соотношения для схемы инвертора напряжения, показанной на рис. 4. на рис. 6 и 7 приведены временные диаграммы, поясняющие применение широтного метода регулирования однофазного мостового инвертора напряжения. в обоих случаях импульсы управления Рис. 10. Мостовая схема однофазного инвертора напряжения с трансформаторным выходом U d VT1 VT4 VT3 VT2 VD1 VD4 VD3 VD2 T Сϕ Z нг i 1 i 2 U2 U1 W1 W2 + + – поступают на все четыре транзистора. Широтное регулирование осуществляется двумя путями. в первом случае – фазовым сдвигом импульсов управления, подаваемых на транзисторы одного плеча моста (ψ), по отношению к импульсам управления транзисторов другого плеча. фазовое положение импульсов управления транзисторов этого другого плеча в процессе регулирования остается неизменным. временные диаграммы, поясняющие этот способ регулирования, показаны на рис. 6. из временных диаграмм, приведенных на рис. 6 и 7, видно, что одновременно ток нагрузки всегда проходит через два транзистора, расположенных по диагоналям вентильного моста VT1, VT2 или VT3, VT4. При смене рабочей пары транзисторов происходит смена полярности напряжения нагрузки. При втором варианте реализации широтного способа регулирования (см. рис. 7) регулируется скважность импульсов управления, подаваемых на транзисторы одного плеча. а импульсы управления, подаваемые на транзисторы другого плеча, остаются неизменными. в томи другом случае регулируется скважность импульсов напряжении на интервале каждого полупериода выходного напряжения. Гармонический состав выходного напряжения при реализации обоих способов регулирования одинаков и соответствует формулами, а также графикам, приведенным на рис. 8. из двух рассмотренных широтных способов регулирования величины выходного напряжения только при реализации первого способа (см. рис. 6) форма кривой выходного напряжения инвертора не зависит от коэффициента мощности нагрузки. второй способ широтного регулирования (см. рис. 7) не обеспечивает постоянство формы кривой выходного напряжения при значениях коэффициента мощности нагрузки, отличных от единицы. независимость формы кривой выходного напряжения инвертора от параметров нагрузки и сохранение в ней требуемой при регулировании паузы ψ достигается тем, что на интервалах ψ обеспечивается одновременная проводимость двух транзисторов, относящихся к общей группе (эмиттерной или коллекторной) инверторного моста. Это относится к транзисторами или VT1 и VT3. При этом на указанных интервалах нагрузка замыкается накоротко через шины «+» или «–» источника питания, и напряжение на нагрузке равно нулю. расчет загрузки транзисторов потоку и напряжению проводится по методике, аналогичной изложенной выше. Приведем методику расчета токов, протекающих через транзисторы и диоды при актив 23 но-индуктивном характере нагрузки. кривую тока, протекающего через нагрузку, можно построить по формуле 3 2 1 1 ( ) , k где I 0 = U d /R нг ; k = R нг /ωL нг ; а = е –kπ/3 Максимальный ток, протекающий через транзистор: I к max = I 0 (1 – a 3 )/(1 + a 3 ). среднее значение тока, протекающего через диоды обратного тока 6 â.ñð 0 3 2 1 1 2 3 2 2 1 , ( ) a a I I k a σ π æ ö + - ÷ ç ÷ ç = - ÷ ç ÷ ç ÷ ç + è ø (где 1 2 1 ln k a σ величину среднего значения тока, протекающего через диоды обратного тока и через транзисторы, можно определить методом основной гармоники [2]. Первые гармоники напряжения и тока нагрузки- где U нг , I нг – действующие значения первых (основных) гармоник напряжения и тока соответственно ϕ нг – фазовый сдвиг первой гармоники тока по отношению к первой гармонике напряжения нагрузки. Мощность, потребляемая группой вентилей прямого тока транзисторами и VT4): ( ) 1 íã íã íã íã íã íã íã íã 1 d 1 co cos sin s d P u i t U Мощность, возвращаемая группой вентилей обратного тока вис- точник питания íã íã íã íã íã íã 0 1 1 d (sin cos ). d P u i t U I ϕ ω ϕ ϕ ϕ π π = = - ò (25) Мощность, потребляемая инвертором от источника питания, без учета потерь мощности на элементах схемы 1 2 íã íã íã íã cos d d d P P P P U среднее значение тока, возвращаемого группой вентилей обратного тока в источник питания = P d2 /U d (27) Cреднее значение тока, потребляемого группой вентилей прямого тока = среднее значение тока, потребляемого от источника постоянного тока I d1 – I d2 = I нг cosϕ нг (29) Вопросы для самоконтроля. Поясните принцип работы однофазного мостового инвертора напряжения. укажите достоинства и недостатки однофазного мостового инвертора напряжения. укажите наиболее предпочтительную область применения мостовой схемы инвертора напряжения. как рассчитать загрузку транзисторов потоку и напряжению. как определить средние значения токов вентилей прямого тока и вентилей обратного тока. укажите условие, которое необходимо выполнить для обеспечения независимости формы кривой выходного напряжения инвертора от характера нагрузки при широтном регулировании величины этого напряжения. Однофазные инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения При широтно-импульсной модуляции (ШиМ) выходного напряжения инвертора каждый транзистор схемы многократно открывается и закрывается на интервале периода выходного напряжения. При этом различают два вида ШиМ [6]: – с прямоугольной формой кривой модулирующего сигнала с синусоидальной формой кривой модулирующего сигнала схема управления любого инвертора с ШиМ содержит блок для формирования импульсов управления, подаваемых на транзисторы силовой схемы инвертора. на риса приведена схема компаратора, а на рис. 11, б, в – временные диаграммы, поясняющие работу схемы. на вход компаратора одновременно поступают два сигнала опорное напряжение, имеющее пилообразную форму модулирующий сигнал, частота которого равна частоте выходного напряжения. При равенстве амплитуд опорного и модулирующего напряжений на выходе компаратора формируется импульс (см. рис. 11, в). Частоту опорного сигнала часто называют несущей частотой. Частота опорного напряжения больше частоты модулирующего напряжения, как правило, враз. отметим, что модулирующий сигнал в определенном смысле является входным (управляющим) сигналом, который определяет не только частоту выходного напряжения инвертора, но и его величину. Модулирующий сигнал может иметь прямоугольную или синусоидальную форму. иногда прямоугольную форму модулирующего сигнала называют прямоугольным синусом оп u y u вых.к u оп u оп m u y u u вых.к 0 0 t t T T 2T 2T t н в) б) а) |