Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
тов данной фазе на данном периоде вентили не переключаются, если ток фазы нагрузки не изменяет знак. При работе в режиме ШиМ гладкие составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны напряжениям управления фаз (при условии постоянства напряжения вцепи постоянного тока инвертора). на рис. 29 изображены опорное напряжение оп и напряжение управления u y1 одной фазы при выходе напряжения управления на некоторых отрезках времени за пределы активной зоны опорного напряжения (ограниченной пунктирными линиями. в рассматриваемом случае инвертор работает в режиме перемодуляции. на тех отрезках времени, на которых напряжения управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения, переключения вентилей управляющими импульсами не производятся. на этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими по границам рабочей зоны на уровне (–1 + опили оп. При этом, как изображено на рис. 29, фактическое напряжение управления о приближается по форме к трапеции. При работе в режиме перемодуляции гладкие составляющие выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны указанным трапецеидальным (усеченным) напряжениям управления фаз. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения управления трапецеидальное напряжение о приближается к прямоугольной форме. инвертор переходит в режим работы так называ- Рис. 29. опорное напряжение и напряжения управления транзисторами инвертора в режиме перемодуляции u u u оп = –1 + u оп u y1 u оп u оп = 1 – u оп ∆ ∆ u оп = 1 – u оп ∆ u оп u у1 u оп = –1 + оп 67 емой фазной коммутации, при которой длительность открытого состояния транзисторов не регулируется. в режимах перемодуляции и фазной коммутации амплитуда основных гармонических составляющих напряжений управления может быть больше 1. соответственно в выходных напряжениях инвертора амплитуда основных составляющих превышает амплитуду гладких составляющих. Основные расчетные соотношения трехфазного инвертора напряжения при синусоидальной ШиМ действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШиМ íã ë ï 3 2 где µ – коэффициент модуляции п – среднее значение напряжения на входе инвертора. Пользуясь (68), можно определить требуемое значение напряжения постоянного тока на входе инвертора, если задано значение линейного напряжения нагрузки (например, асинхронного двигателя ë ï 2 2 где U нг.л N – номинальное значение линейного напряжения нагрузки максимальное значение коэффициента скважности. При практических расчетах можно принять µ max = обратим внимание на то, что при синусоидальной ШиМ действующее значение выходного напряжения инвертора (U нг.л ) даже при коэффициенте модуляции, равном единице, меньше того значения выходного напряжения инвертора, которое имеет место быть при управлении инвертора с постоянной длительностью сигнала управления транзистора (λ и.у = о. действительно 2 2 2 среднее значение тока транзистора m ñð íã 1 2 4 cos I I πµ ϕ π æ ö÷ ç = + ÷ ç ÷ çè ø (70) При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока транзистора имеет максимальное значение Т ср max = ф m (1 + µ)/2. Максимальное значение тока коллектора, к max , по которому его следует выбирать max ô m ô 2 где ф – действующее значение тока фазы инвертора. выбор диодов обратного тока следует проводить по среднему значению тока m ñð íã 1 При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока диода имеет максимальное значение I VD ср max = ф m (1 – µ)/2. Максимальное напряжение на транзисторах и диодах обратного тока можно принять равным максимальному значению напряжения, питающего инвертор, т. е. U кэ = U VD = U d При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя) возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена последующей формуле [8]: 0 d , t t d t c i где Δt – интервал времени, в течение которого ток цепи постоянного тока i d направлен от инвертора к источнику ΔU c – допустимое перенапряжение на конденсаторе решая уравнение (76), получим формулу для расчета величины емкости компенсирующего конденсатора 1 íã m 0 íåñ 6 3 2 2 ( где µ – коэффициент модуляции (0 < µ < 1); I нг m – амплитудное значение тока нагрузки нес – несущая частота ШиМ; ϕ нг(1) – фазовый угол между первыми гармониками напряжения и тока. расчетное соотношение (77) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШиМ для работы на очень низких выходных частотах. далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте. благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШиМ всегда меньше, чему инверторов без ШиМ. напомним, назначение емкости С – обеспечение свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником питания инвертора. При питании инвертора напряжения от выпрямителя между выпрямителем и инвертором необходимо установить L-C сглаживающий фильтр для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока. При расчете и выборе емкости сглаживающего фильтра величина этой емкости должна быть выбрана не менее того значения, которое определяется формулой (Вопросы для самоконтроля. Что означает режим перемодуляции и как перемодуляция отражается на форме кривой выходного напряжения инвертора. какую форму имеет модулирующий сигнал в системах управления инверторов напряжения без перемодуляции. как рассчитать величину компенсирующего конденсатора. Гармонический состав выходного напряжения трехфазного инвертора напряжения при синусоидальной ШиМ выходного напряжения в случае ШиМ расчет спектра выходного напряжения инвертора представляет собой достаточно сложную задачу. на гармонический состав выходного напряжения здесь влияют отношение несущей частоты к частоте модуляции и коэффициент модуляции. Присоединении нагрузки звездой без нулевого провода в кривой выходного напряжения инвертора отсутствуют гармоники нулевой последовательности [8]. к гармоникам нулевой последовательности относятся третья и кратные ей гармоники, а также гармоники, кратные несущей частоте. Эти гармоники присутствуют в кривых фазных напряжений нагрузки, соединенной в звезду с нулевым проводом. отсюда следует, что включение обмоток асинхронного двигателя в звезду с нулевым проводом при питании его от автономного инвертора напряжения с ШиМ нецелесообразно. Гармонический состав линейных напряжений на выходе автономного инвертора напряжения не содержит гармоник нулевой последовательности и одинаков при любом соединении нагрузки (в звезду и треугольник). на рис. 30 приведены зависимости величины высших гармоник от коэффициента модуляции при синусоидальной ШиМ и значении параметра ε = f нес /f мод (отношение несущей частоты к частоте модуляции) более 10 Представленные на рис. 30 графики подтверждают отсутствие гармоник нулевой последовательности в выходном напряжении трехфазного инвертора напряжения. напомним, что выходное напряжение однофазного инвертора содержит гармоника нулевой последовательности нес мод U ν Рис. 30. Графики зависимостей относительных значений гармоник выходного напряжения инвертора с синусоидальной ШиМ от коэффициента модуляции U ν = f(µ) отметим, что при синусоидальной ШиМ амплитуда высшей гармоники определяется не только ее номером, но и величиной коэффициента модуляции, для которого определяется гармонический состав выходного напряжения инвертора. Вопросы для самоконтроля. отчего зависит гармонический состав выходного напряжения при реализации широтно-импульсного способа регулирования. в каком соотношении находятся амплитуды первой и высшей гармоник выходного напряжения инвертора при реализации ши- ротно-импульсного способа регулирования. отчего и как зависит величина высшей гармоники выходного напряжения инвертора с синусоидальной ШиМ? 2.6. Основные характеристики инверторов напряжения с широтно-импульсным способом регулирования напряжения к основным характеристикам инвертора напряжения [4] отно- сятся: регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость действующего значения выходного напряжения инвертора от напряжения управления (коэффициента модуляции); внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора, представляющая собой зависимость действующего значения напряжения на нагрузке оттока нагрузки; спектральные характеристики напряжения и тока вцепи переменного тока; энергетические характеристики, включающие: •зависимости тока в источнике питания ив полупроводниковых элементах инвертора оттока в нагрузке; •зависимости мощности, потребляемой от источника, и мощности потерь в полупроводниковых элементах инвертора от мощности в нагрузке. для инвертора напряжения, выполненного по трехфазной мостовой схеме, значения токов и мощностей можно определить, воспользовавшись ранее выведенными соотношениями [2]. среднее значение тока, потребляемого группой вентилей прямого тока (транзисторной схемой, определяется по формуле (54): 1 ë1 íã 3 2 1 ños 2 ( ). d I I ϕ π = + среднее значение тока, возвращаемого группой вентилей обратного тока в компенсирующий конденсатор, определяется по формуле- где л – действующее значение первой гармоники линейного тока нагрузки. среднее значение тока, потребляемого инвертором от источника питания, определяется формулой (56): 1 2 ë1 íã 3 2 значение мощностей определяется умножением соответствующего тока на среднее значение напряжения на входе инвертора Мощность, потребляемая группой вентилей прямого тока = U d Мощность, возвращаемая группой вентилей обратного тока в компенсирующий конденсатор = U d Мощность, потребляемая инвертором от источника постоянного тока P d = U d напомним, формулы, приведенные выше, выведены для первых гармоник выходного тока и напряжения инвертора. Вопросы для самоконтроля. Перечислите основные характеристики инверторов напряжения. Покажите зависимости токовой загрузки диодов и транзисторов от коэффициента мощности нагрузки. 3. Поясните основные способы регулирования величины выходного напряжения трехфазного инвертора напряжения 73 3. инВеРТОРЫ ТОКА рассмотрим работу инвертора тока, выполненного на одноопера- ционных вентилях (тиристорах. использование тиристоров в инверторах тока позволяет строить преобразовательные установки достаточно большой мощности. Применение однооперационных вентилей определяет необходимость осуществления в инверторах принудительной коммутации этих вентилей за счет внутренних коммутирующих Эдс, источником которых являются статические конденсаторы. Принято говорить, что в этом случае статические конденсаторы являются источником реактивной мощности, необходимой для принудительной коммутации вентилей инверторов [2]. вторая функция конденсаторов в схемах инверторов – компенсационная, те. конденсаторы являются источником реактивной мощности, необходимой для компенсации реактивной мощности нагрузки в случае активно-индуктивного характера нагрузки. в основном все нагрузочные устройства характеризуются значением cosϕ нг < 1 и отстающей от напряжения реактивной составляющей тока нагрузки. для инверторов тока характерным схемным признаком является наличие большой входной индуктивности вцепи постоянного тока, приводящей к постоянству мгновенного значения входного тока i d = const. резонансные инверторы от инверторов тока схемно не отличаются. выбор конечной индуктивности L d и параметров других элементов схемы в них осуществляется так, чтобы обеспечить настройку колебательного режима в нагрузочной цепи на частоту, близкую к частоте коммутации вентилей. в инверторах тока и резонансных инверторах конденсаторы устанавливаются для осуществления коммутации и компенсации реактивной мощности нагрузки. в зависимости от способа включения конденсаторов по отношению к сопротивлению нагрузки инверторы тока подразделяются на инверторы параллельные, последовательные и последовательно-па- раллельные. 3.1. инверторы тока параллельного типа Параллельные инверторы находят практическое применение в однофазном и трехфазном вариантах. Принципиально они могут быть построены по всем известным структурам силовой схемы, однако практическое применение в основном нашли однофазная и трехфазная двухтактные (мостовые) схемы. Подсоединение нагрузки в них выполняется как непосредственно к вентильному блоку, таки через трансформатор. При этом коммутирующие конденсаторы могут включаться как на первичной, таки на вторичной стороне трансформатора. Принцип действия и основные свойства инверторов тока параллельного типа рассмотрим работу параллельного инвертора [2] на примере однофазной двухтактной (мостовой) схемы без трансформатора (рис. 31). будем считать, что сглаживающая индуктивность вцепи постоянного тока L d настолько велика, что отсутствуют пульсации входного тока и мгновенное значение его i d = const. на рис. 32, а–к построены временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу рассматриваемого инвертора. для обеспечения работы инвертора необходимо одновременно подавать импульсы тока управления у V1, у V2 на управляющие электроды тиристоров V1, V2 ив противофазе к ним, подавать импульсы управления у у V4 на тиристоры V3, V4. Максимальное значение тока управления каждого тиристора должно быть меньше тока их спрямления. выполнение указанных условий обеспечивает поочередное открытие вентилей и вентилей V3, V4 с частотой f, определяемой частотой следования импульсов тока управления. Предположим, что нагрузка инвертора активная (cosϕ нг = 1; Z нг = R нг ) ив некоторый момент времени, условно принимаемый за начало отсчета, открываются вентили V1, V2. в результате через сопротивление нагрузки Z нг и конденсатор Сбудет протекать ток, Рис. 31. однофазный мостовой инвертор тока параллельного типа i d V1 V3 V2 V4 C + i с Z нг b a U d i нг L d i – – + конденсатор будет заряжаться на полярность, указанную на рис. 31. сумма тока конденсатора i c и тока нагрузки i нг , равная общему инвертированному току i = i c + i нг , остается в течение полупериода постоянной и равной i = i d = const. такую же величину в течение полупериода имеют построенные на рис. 28 токи вентилей i V1 = i V2 = i d = Через полпериода работы схемы, в момент π, поступают импульсы управления на вентили V3, V4. При открытии этих вентилей происходит практически мгновенное закрытие вентилей V1, V2 угол коммутации γ = 0), так как к ним оказывается приложенным в обратном направлении напряжение конденсатора, а индуктивных сопротивлений в контурах коммутации нет. с этого момента в выходной цепи инвертора изменяется направление инвертированного тока i = i d = const и тока конденсатора i c . конденсатор начинает перезаряжаться на противоположную полярность, подготавливаясь к последующей коммутации тока на вентили V1, V2. изменение направления тока нагрузки i нг произойдет несколько позднее – в момент, когда напряжение на конденсаторе u c , равное напряжению на нагрузке u нг , станет равным 0. вследствие принятых условий (L d = ∞; Z нг = R нг ) процесс перезаряда конденсатора является апериодическим, что в итоге определяет несинусоидальность выходного напряжения, форма кривой которого на временном интервале, равном периоду, представляет сопряжение двух экспонент (см. рис. 32, д. Представленные на рис. 32 кривые напряжения на вентилях u V1 = u V2 и u V3 = u V4 (см. рисе, ж) показывают, что при мгновенной коммутации тиристоров (угол коммутации γ = 0) в течение угла β = δ после закрытия каждого вентиля к нему приложено отрицательное напряжение, чем обеспечивается необходимое условие для восстановления управляемости выключаемого тиристора. очевидно также, что угол β равен углу опережения общего инвертированного тока i по отношению к выходному напряжению u (см. рис. 32, з. отметим, что для выключения тиристора необходимо определенное время t q , которое указывается в паспорте этого тиристора. При β < происходит срыв коммутации тока вентилями инвертора, так как они не успевают восстановить запирающих свойств к моменту, когда напряжение на аноде вновь становится положительным. в результате происходит опрокидывание инвертора, те. повторное открытие запираемых вентилей и короткое замыкание питающего источника U d через индуктивность L d и вентили схемы. выходное напряжение переменного тока при этом равно нулю. вследствие того, что в установившемся режиме работы инвертора угол опереже- Рис. 32. временные диаграммы (а–к), поясняющие работу инвертора тока параллельного типа 3 π π π ωt i y V1 = i y V2 i y V ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt i u 0 π 2π 3π i I u 1 β Ψβ i и u i и u c u нг i=i с +i нг U U u V1 β β i с I d π π 2 0 I d I d i y V3 = i y V4 u = u c нг u V3 I d u V3 u V4 = u V1 u V2 = u = u – u c нг ∆ ∆ а) б) в) г) д) е) ж) з) и) к) i y V i V3 i V1 77 ния β выбирается так, чтобы β ≥ β min = з, можно считать, что для осуществления коммутации тока вентильное звено схемы инвертора потребляет реактивный ток. внутрисхемным источником этого реактивного тока, или реактивной мощности коммутации, является конденсатор С. При изменении величины сопротивления нагрузки инвертора происходит изменение постоянной времени цепи перезаряда конденсатора, которая, как нетрудно показать, равна T c = R нг C. в соответствии с изменением T c изменяется форма кривой выходного напряжения, форма кривой напряжения на вентилях и угол опережения β. При больших значениях R нг выходное напряжение становится близким к треугольной форме (риса при малых R нг выходное напряжение приближается к прямоугольной форме (рис. 33, б. При коротком замыкании нагрузки β = 0 и инвертор опрокидывается. работа инвертора при активно-индуктивной нагрузке характеризуется тем, что конденсатор С выполняет двойную роль. он является источником реактивного тока, необходимого для осуществления коммутации, а также источником опережающего реактивного тока, компенсирующего отстающую индуктивную составляющую тока нагрузки. очевидно, что при cosϕ нг < 1 для поддержания необходимого значения угла опережения β емкость конденсатора С должна быть увеличена по сравнению со случаем активной нагрузки инвертора. |