Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
Векторная диаграмма и основные расчетные соотношения. анализируя работу инвертора по основной (первой) гармонике выходного напряжения и токов i, с, i нг , можно с достаточной для практики точностью установить расчетные соотношения Рис. 33. форма кривой напряжения нагрузки при различных значениях сопротивления нагрузки а – R нг → ∞; б – R нг → 0 u c =u нг 0 π π 2 3π ωt ωt u б) а) π π 2 π 3 u c =u нг для определения угла β, емкости коммутирующего и компенсирующего конденсатора С, а также аналитическое выражение выходной характеристики f(Y нг ), где Y нг = 1 íã Z - – полная проводимость нагрузки. на рис. 34 построена векторная диаграмма основных гармоник токов и напряжения инвертора параллельного типа. на рис. 32, и построены основные (первые) гармоники общего инвертированного тока i 1 и выходного напряжения с достаточной для практики точностью можно принять, что угол Ψ, определяющий фазовое отставание первой гармоники выходного напряжения u 1 оттока, равен углу опережения инвертора, те. в соответствии с таким допущением на рис. 34 выполнено построение векторной диаграммы параллельного инвертора для случая активно-индуктивной нагрузки (здесь ив дальнейшем индекс «1», обозначающий порядковый номер гармоники, опущен. из векторной диаграммы имеем sin умножив в выражении (80) числитель и знаменательна, будем иметь íã íã tg , ñ Q Q P β - = (81) где Q c = I c U – реактивная мощность конденсатора Q нг = I нг Usinϕ нг – реактивная мощность нагрузки P нг = I нг Ucosϕ нг – активная мощность нагрузки. на основании соотношения (81) очевидно, что для обеспечения устойчивой коммутации в инверторе необходим избыток реактивной мощности конденсатора над реактивной мощностью нагрузки, U I c 0 I нг Ψ ≈ β ϕ нг I Рис. 34. векторная диаграмма однофазного инвертора тока параллельного типа что дополнительно свидетельствует о возможности работы инвертора только при опережающем инвертированном токе i Представляя выражения для с, Q нг , P нг в виде с = U 2 ωC, Q = U 2 Y нг sinϕ нг , P = U 2 Y нг cosϕ нг в (81), получим где Y* нг – относительная полная проводимость нагрузки Y* нг = = Y нг Y c –1 , Y c = ωC – реактивная проводимость конденсатора. соотношение (82) является основной расчетной зависимостью, позволяющей правильно выбрать величину емкости конденсатора, обеспечивающую устойчивую коммутацию в инверторе. Выходная характеристика Пренебрегая потерями в элементах схемы инвертора и рассматривая только первые гармоники переменных токов и напряжений, будем иметь равенство потребляемой и выходной мощности инвертора P нг , что с учетом векторной диаграммы (см. рис. 34) можно представить = UI нг cosϕ нг или U d I d = UIcosβ. из последнего выражения получим cos d d U амплитуда и действующее значение первой гармоники общего инвертированного тока i, имеющего прямоугольную форму (см. рис. 32): m 4 2 Подставляя (85) в (84), получим cx 1 1 2 2 , cos где K сх – коэффициент преобразования схемы для однофазного мостового инвертора K сх = 0,9, что совпадает с соответствующим значением для однофазного мостового выпрямителя. При анализе трехфазных однотактных и двухтактных вариантов схемы инвертора в каждом конкретном случае будет получаться свое значение коэффициента K сх , равное значениям, полученным при анализе выпрямительных режимов соответствующих схем. выражение (86) при подстановке (82) и с учетом соотношения 1 1 tg преобразуется к виду 1 1 * * sin cos d Y U соотношение (87) представляет аналитическое выражение выходной характеристики параллельного инвертора, под которой понимают зависимость действующего значения выходного фазного напряжения инвертора U от полной проводимости нагрузки Y* нг при постоянной выходной частоте f = const, емкости конденсатора C = const и коэффициенте мощности нагрузки cosϕ нг = выходная характеристика параллельного инвертора построена на рис. 35. она имеет вид крутопадающей кривой. При малых нагрузках (проводимостях Y нг ) инвертора постоянная времени перезаряда конденсатора Т с велика, угол β близок к значению π/2 и выходное напряжение инвертора быстро возрастает приуменьшении нагрузки. При больших нагрузках инвертора картина резко изменяется угол β – мал, с увеличением нагрузки он уменьшается, стремясь к нулю при Y нг → ∞, выходное напряжение однофазного инвертора при этом стремится к пределу U = 1,11U d . При увеличении нагрузки до значения, при котором угол опережения инвертированного тока по отношению к напряжению β ≤ β min , происходит опрокидывание инвертора. таким образом, нагрузочная способность схемы ограничена предел нагрузочной способности при заданных Y нг 6 4 2 0 3 2 1 cosϕ < 1 cosϕ = Рис. 35. выходные характеристики инвертора тока параллельного типа параметрах схемы легко рассчитывается по соотношению (82). зона устойчивой работы инвертора оказывается также ограниченной ив области малых нагрузок, где возрастают максимальные положительное и отрицательное напряжения на вентилях. Эти значения максимального напряжения U V max не должны превышать номинального напряжения вентилей U V ном, указанного в паспорте. выходная характеристика параллельного инвертора при cosϕ нг < 1 располагается несколько ниже и представляет более крутопадающую кривую, чем выходная характеристика при активной нагрузке и том же значении емкости конденсатора (см. рис. 35). такой вид характеристики определяется тем, что часть реактивного тока конденсатора компенсирует реактивный ток нагрузки при равных значениях проводимости нагрузки в обоих случаях угол β меньше при активно-индуктивной нагрузке изменение угла β при изменении величины нагрузки происходит быстрее в случае актив- но-индуктивной нагрузки Вопросы для самоконтроля. дайте пояснения принципу работы параллельного инвертора как происходит включение тиристоров и их выключение. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора параллельного типа. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора параллельного типа резко возрастает. инверторы тока последовательного типа Последовательные инверторы тока также, как и параллельные, могут выполняться по однофазными трехфазным схемам с применением трансформатора на выходе и без него [2]. Характерным признаком схемы инвертора является последовательное соединение коммутирующего конденсатора и сопротивления Z нг . Принципиальная схема однофазного мостового последовательного инвертора приведена на рис. Принцип действия и основные свойства. рассмотрим электромагнитные процессы и энергетические характеристики инвертора рис. 37) при активной нагрузке и полностью сглаженном входном токе, i d = const. на рис. 38 построены временные диаграммы токов и напряжений инвертора тока последовательного типа в момент времени ωt = 0 импульсы управления открывают вентили. в результате через последовательно соединенные L d , C, R нг протекает ток нагрузки i d = const. Мгновенное значение тока нагрузки i нг = i d , а напряжения на нагрузке u нг = i нг R нг . к как заряд коммутирующего конденсатора осуществляется постоянным током, то напряжение u c изменяется по линейному закону (см. рис. 37). в момент времени ωt = π управляющие импульсы поступают на вентили V3, V4. заряд конденсатора Св этот момент времени имеет полярность, указанную на рис. 36 (без скобок. При подаче управляющих импульсов на вентили V3, V4 конденсатор С получает возможность разряжаться по двум путям через, Z нг ; через V4, V2, Z нг . в результате такой ток разряда практически мгновенно закрывает вентили V1, V2 (при прежнем условии γ = 0), ток i d переходит на вентили V3, V4, а ток нагрузки i нг меняет свой знак. на нагрузке появляется переменное напряжение, частота которого определяется частотой следования импульсов управления. токи вентилей и напряжения на вентилях также приведены на рис. 37. среднее значение тока вентиля I V р = 0,5I d , мгновенное напряжение на закрытом вентиле u V = с + u нг . очевидно, что для устойчивой работы инвертора необходимо выполнение условия > K з ωt q (88) При невыполнении условия (88) происходит срыв коммутации тока вентилями инвертора, приводящий к опрокидыванию схемы. Этот аварийный процесс протекает также, как в параллельном инверторе. Рис. 36. инвертор тока последовательного типа) (+) i нг Z нг b a U d 83 0 2 3 π π π ωt u y V1 , а V2 u y V3 , u y V4 i V3 ; u Rнг V1 i V3 u V1 u V2 ∆ i V3 u V1 u V2 c Рис. 37. временные диаграммы, поясняющие работу инвертора тока последовательного типа величина угла β изменяется с изменением величины сопротивления нагрузки. определим предельно допустимую величину сопротивления нагрузки R нг.пр , при которой β = 0, U в.пр = 0. очевидно, что ïð íã.ïð 0; ñ U U + = íã.ïð íã íã.ïð ; U U R = ïð íã 1 где следовательно íã.ïð 1 При значениях R нг < R нг.пр схема работает устойчиво. Основные расчетные соотношения и выходные характеристики для расчета характеристик последовательного инвертора также, как для параллельного, может быть применен метод основной гармоники. на рис. 38 построена векторная диаграмма инвертора тока последовательного типа при активно-индуктивной нагрузке, из которой очевидно, что соотношения для определения tgβ совпадают с выражениями (80) и (81) для параллельного инвертора. Принимая, что 2 íã 1 , ñ ñ Q I Y = 2 íã íã íã íã 1 sin , Q I Y ϕ = 2 íã íã íã íã 1 cos , P I Y ϕ = после подстановки в (81) получим tg cos Y C β ϕ ω ϕ = - (90) β φ нг нг с i нг U U U Рис. 38. векторная диаграмма инвертора тока последовательного типа Представив проводимость нагрузки в относительных единицах, те Y* нг , выражение (90) преобразуется к виду tg выражение выходной характеристики и = f(Y* нг ) может быть получено на основании баланса входной и выходной мощностей инвертора откуда полное инвертированное напряжение и на выходе cos cos d d d U учитывая, что 2 1 1 tg выражение (93) преобразуется к виду 1 1 sin После того, как разделим правую и левую части соотношения (94) на U d , оно примет вид 1 tg напряжение на нагрузке определяется по формуле íã cx íã 1 cos d U U K ϕ = (96) из выражения (96) следует, что при U d = const и неизменном коэффициенте мощности нагрузки величина напряжения на нагрузке неизменна. таким образом, при cosϕ нг = с выходная характеристика последовательного инвертора является жесткой в широком диапазоне изменения величины нагрузки 86 U и U d а) б) в) cos = 1 0 1 2 3 30 60 90 0,4 0,6 0,8 β Y нг β 0,4 0,8 0,6 1,0 3 2 1 0 0 1 2 3 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 1,0 0,6 0,6 1,4 1,4 1,8 1,8 2,2 2,2 2,6 2,6 нг ω Y нг Y нг U нг U d * * * Рис. 39. Характеристики инвертора тока последовательного типа а – зависимость угла опережения от проводимости нагрузки б – выходные характеристики инвертора в – зависимость напряжения нагрузки от проводимости нагрузки на рис. 39, а–б построены зависимости ) íã f Y β * = , ( ) è íã d U f Y U * = , ( ) íã íã d U f представляющие семейство выходных характеристик последовательного инвертора при различных значениях коэффициента мощности нагрузки и выраженные в относительных величинах. из приведенных графиков видно, что в зоне малых нагрузок работа инвертора невозможна из-за существенного уменьшения угла β, предоставляемого вентилям для восстановления управляющей способности. область больших нагрузок инвертора характеризуется увеличением угла β дои существенным увеличением суммарного инвертируемого напряжения и, что сопровождается увеличением напряжения на вентилях и напряжения на конденсаторе. сопоставление свойств и характеристик параллельного и последовательного инверторов тока позволяет сделать заключение о том, что по виду характеристик такие инверторы представляют определенную противоположность. так, для параллельного инвертора коммутация становится неустойчивой при перегрузках, а для последовательного при малых нагрузках. Перенапряжения на элементах схемы в параллельном инверторе возникают в зоне малых нагрузок, в последовательном инверторе – в зоне перегрузок. Параллельный инвертор имеет крутопадающую внешнюю характеристику, которая относительно слабо деформируется при изменении cosϕ нг . Последовательный инвертор, напротив, имеет жесткую внешнюю характеристику, которая значительно деформируется при изменении cosϕ нг указанные обстоятельства должны учитываться при выборе схемы инвертора в зависимости от требований со стороны потребителя. Вопросы для самоконтроля. в чем заключается отличие в схемах инверторов последовательного и параллельного типа. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора последовательного типа. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора последовательного типа резко возрастает. отчего и как зависит напряжение на нагрузке последовательного инвертора 88 3.3. Последовательно-параллельные инверторы тока Принципиальная схема последовательно-параллельного инвертора тока в варианте трехфазного мостового преобразователя представлена на риса. на основании установленных выше характеристик параллельного и последовательного инвертора для данной схемы, очевидно, следует ожидать характеристики промежуточного вида [2]. Построенная на рис. 40, б векторная диаграмма, в частности, показывает, что значение угла β ≥ β min в данной схеме может быть обеспечено даже при неполной компенсации реактивного тока нагрузки током параллельных конденсаторов. на основании векторной диаграммы и выводов, аналогичных проведенным при анализе параллельного и последовательного инверторов, можно получить следующие соотношения при расчете на одну фазу tg где íã íã íã 3 tg tg ; cos C Y ω Ψ ϕ ϕ = - (98) нг U L d V1 V3 V5 V4 V6 V2 U ф ; i ф U нг ; i нг С посл i с С пар Z нг I нг I ф β U Ψ ϕ нг I с б) d + – к U ф U а) Рис. 40. схема (аи векторная диаграмма (б) последовательно-параллельного инвертора 89 ô íã cos ; cos U U Ψ β = (99) íã cx 1 выражения (96)–(100) определяют характеристики последова- тельно-параллельной схемы. Приведенная зависимость β = ξ(Y* нг ) риса, в частности, показывает, что для последовательно- β 1,0 0,4 0,8 0,6 β min Y нг Y нг 90 60 30 0 1,0 2,0 3,0 U нг U d 2,6 2,2 1,8 1,4 1,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,0 0,4 0,8 0,6 cosϕ нг 0,4 0,6 1,0 cosϕ нг а) б) * * Рис. 41. зависимости угла опережения зажигания (аи напряжения нагрузки (бот проводимости нагрузки для инвертора тока последовательно-параллельного типа параллельного инвертора при некоторой средней относительной нагрузке имеет место минимальное значение угла выключения тиристоров. При всех остальных значениях проводимости Y* нг угол β возрастает, инвертор обладает как бы абсолютной устойчивостью коммутации от режима холостого хода до кратных перегрузок и теоретически до режима короткого замыкания. Малая зависимость выходного напряжения от проводимости нагрузки в широком диапазоне изменения последней (рис. 41, б) определяет основное достоинство последовательно-параллельного инвертора. |