Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
Рис. 11. схема компаратора и временные диаграммы, поясняющие работу системы управления инвертора с ШиМ: а – схема компаратора, формирующего сигналы управления транзистора б – опорный и модулирующий сигналы, подаваемые на вход компаратора в – выходной сигнал компаратора временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения инвертора при прямоугольной форме модулирующего сигнала, приведены на рис. 12. При прямоугольной форме модулирующего напряжения (риса) кривая выходного напряжения инвертора имеет несколько импульсов на интервале периода выходного напряжения, причем длительность этих импульсов или коэффициент скважности их) одинакова на всем периоде выходного напряжения. на рис. 12, б показана первая гармоника выходного напряжения u 1 . амплитуда этой гармоники определяется отношением амплитуды модулирующего сигнала и амплитуды опорного (пилообразного) напряжения мод оп max . Это отношение обозначается µ и называется коэффициентом модуляции. рассмотренная модуляция называется широтно-импульсным регулированием (Шир): µ = мод оп напряжение на выходе инвертора (напряжение на нагрузке) при Шир может быть представлено рядом фурье: U вых = (4µU d /π)[sinωt + (1/3)sin3ωt + (1/5)sin5ωt + + (1/7)sin7ωt + (1/ν) sinνωt]. как видно из (31), гармонический состав выходного напряжения инвертора при Шир такой же, как и при широтном регулировании Рис. 12. ШиМ при прямоугольной форме модулирующего сигнала а – моделирующее и опорное напряжение б – напряжение нагрузки u мод оп m u нг t а) б) u нг u u нг(1) u оп u мод1 t выходного напряжения. однако есть и отличие. При Шир, согласно, относительная величина высших гармоник остается неизменной и не зависит от глубины регулирования напряжения. Это является достоинством по сравнению с широтным регулированием выходного напряжения, при котором относительная величина высших гармоник зависит от глубины регулирования напряжения (см. рис. 8). временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при синусоидальной форме модулирующего сигнала, приведены на рис. 13. При синусоидальной форме модулирующего напряжения (риса) кривая выходного напряжения инвертора имеет также несколько импульсов на интервале периода выходного напряжения, но скважность этих импульсов непостоянна, а изменяется по синусоидальному закону на интервале периода выходного напряжения рис. 13, б). для расчета спектра выходного напряжения инвертора с синусоидальной ШиМ используются методы спектрального анализа, основанные на дискретном преобразовании фурье. как показывают исследования [4], ближайшая к первой высшая гармоника выходного напряжения однофазного инвертора напряжения с ШиМ сдвинута на частоту несущей. в целях увеличения амплитуды первой гармоники на выходе инвертора напряжения иногда допустимо реализовать режим перемо- t а) б) u мод1 t ϕ мод m u oп (1) u нг(1) i нг(1) u u нг Рис. 13. ШиМ при синусоидальной форме модулирующего сигнала а – моделирующее и опорное напряжение б – напряжение нагрузки 28 дуляции, когда > 1. но следует помнить, что при этом будет ухудшаться гармонический состав выходного напряжения. При работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку ток высшей гармоники, ближайшей к первой, будет на два порядка меньше тока первой гармоники. Поэтому при синусоидальной ШиМ иногда высшие гармоники тока не учитывают. однако, как показывает практика, высшие гармоники тока выходной цепи инвертора напряжения даже при синусоидальной ШиМ могут оказывать заметное влияние на величину электрических потерь в обмотках двигателя, который подключен к выходной цепи инвертора [10]. Эти потери не только снижают кПд двигателя, но и могут привести к перегреву двигателя, поэтому вопрос учета (или не учета) высших гармоник тока следует решать в каждом конкретном случае индивидуально. Часто для мощных асинхронных электроприводов между инвертором напряжения и обмоткой статора двигателя приходится устанавливать высокочастотные фильтры для подавления высших гармоник выходного тока инвертора напряжения (тока обмотки статора). иногда от автономного инвертора требуется, чтобы он обладал свойствами источника тока [4]. в этом случае используется замкнутый способ реализации ШиМ (рис. 14). Часто такой способ ШиМ называют токовым коридором». При реализации токового коридора инвертор представляет собой источник тока. здесь за счет отрицательной обратной связи потоку и релейного элемента РЭ ток в нагрузке пульсирует около за- Рис. 14. схема (аи временная диаграмма (б, поясняющие реализацию токового коридора в инверторе ри – распределитель импульсов РЭ РИ u з ост вх I н i н U y VT4 + – + – i з а) б ) i t данного значения. амплитуда и частота пульсаций тока определяются параметрами R, L активно-индуктивной нагрузки и шириной петли гистерезиса релейного элемента. Вопросы для самоконтроля 1. укажите основные способы ШиМ выходного напряжения инвертора. каким образом можно реализовать способ ШиМ с прямоугольным синусом. каким образом можно реализовать синусоидальную ШиМ? 4. для чего и как реализуют способ управления, названный токовым коридором. Основные показатели оценки качества формы кривой выходного напряжения как было отмечено выше, кривая выходного напряжения инвертора содержит в своем составе, кроме первой, также и высшие гармоники, которые вызывают дополнительные потери мощности, помехи и риск возникновения резонансных процессов в цепях потребителей. отметим, что множество современных приборов и устройств рассчитано именно на синусоидальное питающее напряжение. для улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора на его выходе устанавливают выходные фильтры. Поэтому вопрос расчета выходных фильтров инверторов напряжения на заданныйкоэффи- циент гармоник очень важен в современной преобразовательной технике, так как является необходимым условием нормального функционирования приборов и устройств потребителей, задавая ограничение по нелинейности выходного напряжения инвертора. рассмотрим основные показатели оценки качества формы кривой выходного напряжения. качество выходного напряжения принято оценивать следующими интегральными критериями. Коэффициент несинусоидальности формы кривой выходного напряжения k н = U 1 /U, где U 1 – действующее значение й гармоники напряжения U – действующее значение напряжения с учетом всех гармоник. Коэффициент гармоник (или коэффициент искажения синусо- идальности кривой напряжения) г – это отношение действующего значения напряжения всех высших гармоник к действующему значению напряжения первой гармоники где U ν – действующее значение й гармоники напряжения ν – номер гармоники. для cинусоидального напряжения г = коэффициент несинусоидальности можно определить через коэффициент гармоник для сравнительной оценки качества напряжения на выходе инвертора удобно пользоваться коэффициентом режекции гармоники. Коэффициент режекции гармоники k N – отношение действующего значения первой гармоники напряжения к первой учитываемой низшей из высших гармонических составляющих, умноженное на квадрат номера учитываемой гармоники = (для синусоидального напряжения коэффициент режекции k N = используя коэффициент режекции гармоники несинусоидального периодического напряжения, подведенного ко входу фильтра, можно определить приблизительное значение требуемого произведения индуктивности на емкость однозвенного фильтра при заданном коэффициенте гармоник на выходе фильтра с помощью соотношения+ k г.вых k N /ν 2 )/(1 + k г.вых k N ), где ω = 2πf – угловая частота выходного напряжения инвертора индуктивность и емкость выходного фильтра соответственно k г.вых – требуемое значение коэффициента гармоник на выходе фильтра. для двух сравниваемых форм напряжений при одинаковом качестве напряжения на выходе фильтра отношение 1 ã.âûõ 1 1 ã.âûõ 1 2 2 ã.âûõ 2 ã.âûõ 2 2 1 1 1 1 ( ) ( / ) ( ) ( ) ( ) ( / ) N N N N LC k k k k LC k k k k ν ν + + = + + (37) позволяет оценить относительные затраты индуктивности и емкости однозвенного фильтра. Пример. даны два напряжения, подведенные ко входу фильтра и содержащие основную гармонику и высшую гармонику = sinωt + (1/3)sin3ωt; u 2 = sinωt + (требуемый коэффициент гармоник на выходе сглаживающего фильтра k г.вых = 0,1. сравним эти напряжения по критерию минимальных затрат индуктивности и емкости однозвенного L-C-фильтра. Решение: оценим эти напряжения путем сравнения их коэффициентов гармоник. Поскольку амплитуды основных и высших гармоник этих напряжений одинаковы, то и коэффициенты гармоник этих напряжений тоже одинаковы: k г1 = г = 1/3 = таким образом, различие между качеством напряжений установить не удается. оценим эти напряжения с помощью коэффициента режекции гармоники. используя соотношение (37) и учитывая, что коэффициент гармоник на выходе фильтра k г.вых = 0,1, получим 2 1 0 3 121 10 8 1 0 3 9 ( ) , , то есть в случае использования напряжения U 2 , в составе которого находится я гармоника, требуемое произведение индуктивности на емкость однозвенного фильтра враз меньше, чем для напряжения, в составе которого находится я гармоника. ранее было установлено, что амплитуда любой гармоники выходного напряжения, содержащего один импульс на интервале по- луволны, при широтном способе регулирования величины этого напряжения (см. рис. 5, в) определяется по формуле (4): U mν = где U d – среднее значение величины входного напряжения ν = 1; 3; 5; … – порядковый номер гармоник γ – коэффициент скважности. При Шир величины выходного напряжения инвертора каждая полуволна этого напряжения содержит несколько прямоугольных импульсов, скважность которых γ регулируется в пределах от 0 до 1. отметим, что частота следования этих прямоугольных импульсов напряжения равна несущей частоте н амплитуда й гармоники выходного напряжения U m ν с однопо- лярной ШиМ по прямоугольному синусу (рис. 15) определяется по формуле m 4 åc 2 2 4 1 2 2 cos sin sin действующие значения напряжения переменного тока ä.ç d U U γ = (39) коэффициент гармоник формы напряжения (для прямоугольного синуса 2 ã 2 2 1 8 2 sin sin i k i π π Гармонический состав тока нагрузки амплитуда любой высшей гармоники напряжения для этой формы выходного напряжения при регулировании коэффици- ω t 0 π U d U γ π /i π /i Рис. 15. однополярная форма кривой выходного напряжения при Шир: i – число импульсов, формируемых на интервале одной полуволны выходного напряжения π/i = Т – период следования прямоугольных импульсов напряжения 33 ента скважности γ в диапазоне от 0 до 1 определяется по формуле Гармонический состав выходного напряжения с однополярной ШиМ и паузой между импульсами полуволн, равной о, не содержит ю и кратные ей гармоники. Вопросы для самоконтроля. дайте определение понятию коэффициент гармоник. дайте определение понятию «несинусоидальность формы кривой. дайте определение понятию коэффициент режекции». 1.8. Способы улучшения качества выходного напряжения инверторов напряжения основным недостатком инверторов напряжения является прямоугольная или импульсная форма кривой их выходного напряжения. в связи с этим вопросу улучшения формы кривой выходного напряжения, те. приближения этой формы к синусоидальной, уделяется большое внимание. решение этого вопроса может осуществляться с помощью электрических фильтров, устанавливаемых на выходе инвертора, поэтому их часто называют выходными фильтрами амплитудной модуляции кривой выходного напряжения широтно-импульсной модуляции. Амплитудная модуляции кривой выходного напряжения один из способов амплитудной модуляции кривой выходного напряжения поясняется рис. 16 и 17, а–в. суть этого способа заключается в геометрическом суммировании выходных напряжений нескольких инверторов. для реализации этого способа необходимо установить на выходе каждого инвертора трансформатор. вторичные обмотки выходных трансформаторов соединяются последовательно согласно риса. величина выходного напряжения U 2 регулируется изменением угла α (рис. 16, б, определяющего фазовое положение векторов напряжений вторичных обмоток трансформаторов результирующее выходное напряжение U 2 имеет многоступенчатую форму с меньшим содержанием высших гармоник по отношению к исходным напряжениями отметим, что метод геометрического суммирования выходных напряжений нескольких инверторов позволяет регулировать величину выходного напряжения и улучшать его гармонический состав. Гармонический состав выходного напряжения устанавливается разложением вряд фурье так, как это было показано выше. радикально улучшить форму кривой выходного напряжения инвертора можно путем применения выходных фильтров. выходные фильтры инверторов напряжения могут выполняться последующим схемам c последовательным резонансным контуром, тес последовательным включением дросселя (L) и емкости (C), параметры которых подобраны таким образом, чтобы обеспечить резонанс на частоте выходного напряжения инвертора с последовательным резонансным контуром и параллельным по отношению к нагрузке) включением емкости. схема такого выходного фильтра приведена на рис. 18; – с последовательными параллельным резонансными контурами, причем параллельный резонансный контур должен представлять большое сопротивление для токов основной частоты и малое для токов высоких частота) б) Рис. 16. схема геометрического суммирования напряжений (аи векторная диаграмма (б, поясняющая принцип геометрического суммирования напряжения общим недостатком выходных фильтров является их относительно большая установленная мощность, а следовательно, веси габариты выходного фильтра и инвертора в целом. вес и габариты выходного фильтра можно существенно снизить, если в кривой выходного напряжения инвертора отсутствуют (или существенно подавлены) высшие гармоники с низким значением коэффициента режекции. Подавление высших гармоник с низким U 21 0 π 2π 3π ωt 3π α 0 π 2π 3π ωt ωt U 22 U 2 а) б) в) Рис. 17. временные диаграммы напряжений а – выходное напряжение u 21 первого инвертора б – выходное напряжение u 22 второго инвертора в – суммарное выходное напряжение u 2 , подаваемое на нагрузку значением коэффициента режекции возможно с помощью амплитудной или широтно-импульсной модуляции кривой выходного напряжения. суть этих способов была рассмотрена выше. При амплитудной модуляции выходного напряжения форма кривой этого напряжения представляет собой многоступенчатую волну, причем высота ступенек и их длительность подбираются таким образом, чтобы коэффициент гармоник этой формы был бы наименьшим при заданном числе ступенек на интервале периода выходного напряжения. Частота такого напряжения плавно регулируется в широких пределах за счет изменения алгоритма работы системы управления При ШиМ улучшение формы кривой выходного напряжения инверторов осуществляется путем изменения скважности импульсов напряжения на интервале периода выходного напряжения по соответствующему закону при неизменной амплитуде синтезирующих импульсов (см. подразд. отметим, что в зависимости оттого, изменяется ли при модуляции полярность прямоугольных импульсов в течение полупериода выходного напряжения или нет, различают двухполярную и одно- полярную ШиМ. рассмотрим методику расчета выходного фильтра инвертора напряжения на примере однофазного инвертора напряжения. Методика расчета выходного фильтра Мостовая схема однофазного инвертора напряжения с выходным фильтром приведена на рис. 18. Последовательность расчета выходного фильтра инвертора напряжения следующая. При расчете параметров выходного фильтра сначала необходимо установить требуемый диапазон регулирования коэффициента скважности γ исходя из диапазона изменения входного напряжения и требуемого значения напряжения нагрузки U нг N 2. далее требуется рассчитать гармонический состав выходного напряжения для нескольких значений коэффициента скважности на рассчитанном диапазоне регулирования коэффициента скважности и определить коэффициент режекции наиболее сильно выраженной высшей гармоники, те. той гармоники, которая имеет наименьший коэффициент режекции, c учетом всего диапазона регулирования выходного напряжения = (U 1 /U ν )ν 2 37 3. для рассчитанного коэффициента скважности и заданного значения коэффициента гармоник выходного напряжения k г.вых необходимо определить интегральный показатель фильтра = (1 + k г.вых k N /ν 2 )/(1 + k г.вых k N ). (43) в формуле (43) два неизвестных параметра выходного фильтра (L и С, но уравнение одно, поэтому требуется еще одно уравнение, связывающие эти два параметра. определяется отношение L/C из условия обеспечения минимума суммарной относительной мощности фильтра = R 2 нг (1 + ω 2 LC). более предпочтительно определять отношение L/C из условия обеспечения максимума напряжения на нагрузке L/C = 2R 2 нг (1 – ω 2 LC). (45) решая совместно (43) и (44) или (43) и (45), определяем L и C = C 1 4. конденсатор С, установленный параллельно нагрузке, выбирается из условия компенсации реактивной составляющей тока нагрузки = I р.нг = (U нг /Z нг )sinϕ нг ; (46) x с2 = U нг /I c1 ; C 2 = с ω = 2πf вых VT2 VT3 VT1 VT4 Z нг U d W1 W2 C2 C1 L |