Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
Вопрос для самоконтроля укажите достоинства последовательно-параллельного инвертора тока по сравнению с инверторами тока параллельного и последовательного типа. Резонансные инверторы резонансные автономные инверторы находят применение в стабилизированных по выходной частоте преобразовательных установках в связи стем, что в таких инверторах улучшается форма кривой выходного напряжения (становится более приближенной к синусоидальной) по сравнению с режимом инвертирования постоянного тока i d . резонансные инверторы выполняются на основе всех трех основных типов схем – параллельных, последовательных и по- следовательно-параллельных инверторов. рассмотрим работу резонансного инвертора на примере однофазного последовательного преобразователя (см. рис. 36). величина выбранных параметров последовательного L-C-R нг -контура определяет частоту его собственных колебаний, которая находится по известному из теоретической электротехники выражению 2 1 4 , R LC L ω где L – эквивалентная индуктивность схемы. в зависимости от соотношения частоты собственных колебаний и частоты переключения вентилей ω, задаваемой системой управления, различают три возможных режима работы инвертора частота собственных колебаний ниже частоты переключения вентилей, ω 0 < ω – режим принудительной коммутации 91 – частота собственных колебаний равна частоте переключения вентилей, ω 0 = ω – граничный режим частота собственных колебаний выше частоты переключения, ω 0 > ω – режим естественной коммутации. в настоящее время наиболее широкое применение на практике находят граничный режим и режим естественной коммутации тиристоров, обеспечивающие синусоидальную форму кривой тока нагрузки и достаточно большой угол выключения β = Последнее дает возможность использовать инвертор последовательного типа на высоких рабочих частотах. временные диаграммы токов и напряжений для граничного режима представлены на рис. Вопросы для самоконтроля. какие условия необходимо выполнить для перевода инвертора в резонансный режим. сформулируйте достоинства резонансного режима работы инвертора по сравнению с режимом инвертирования тока. u i u ωt ωt ωt ωt ωt ωt u нг ; i нг π 2π 3π 0 u c U β β U V1 U V3 i V1 i V2 = i V3 i V4 = ∆ U V1 U V2 = U V3 U V4 = Рис. 42. временные диаграммы инвертора, работающего в резонансном режиме 92 3.5. Однофазная полумостовая схема резонансного инвертора иногда однофазную полумостовую схему резонансного инвертора (рис. 43) называют схемой последовательного инвертора однофазного инвертора с разделенной емкостью. режим работы конденсаторов в этой схеме следующий. сумма напряжений на конденсаторе Си конденсаторе С (U c2 ) всегда равна напряжению источника питания U d , нов процессе работы изменяется потенциал их общей точки соединения (точка О. При включении тиристора Т потенциал точки О будет изменяться оттого значения потенциала, которое было на момент выключения тиристора Т (–U d – х) до величины более положительной, чем плюс источника питания (U d + х. следует обратить внимание на то, что через разделительный конденсатор будет протекать только половина рабочего тока, так как ток в нагрузке (показано стрелками на рис. 43) складывается из токов заряда одного конденсатора и разряда другого. общая расчетная емкость конденсатора С к равна сумме емкостей обоих конденсаторов С к = С + Св режиме естественного выключения в выражении для расчета действующего значения выходного напряжения необходимо учесть отношение частоту. для вывода зависимости напряжения нагрузки от напряжения источника питания и от отношения у, воспользуемся уравнением баланса мощностей (пренебрегая потерями = U нг I нг cosϕ нг (102) среднее значение тока I d за полупериод рабочей частоты можно выразить через ток импульса I d имп , имеющий место при включении тиристоров I d = I d имп у, (где I d имп – среднее значение тока импульса за полупериод собственной частоты контура èìï èìï 2 2 , d I I π = (104) I имп – действующее значение импульсного тока за полупериод собственной частоты. Рис. 43. однофазная полумостовая схема резонансного инвертора i нг U d L k1 L k2 VS1 VS2 C1 C2 O 1 O 2 Z нг i c1 c2 i тогда 0 ó 0 2 2 2 2 2 Подставляя (105) в (102), имеем íã íã 0 2 2 cos , d U I U откуда формула (107) устанавливает связь между действующим значением напряжения нагрузки U нг и средним значением напряжения источника питания U d . Поэтому выражению можно определить требуемое значение напряжения источника питания для получения заданного значения напряжения нагрузки. При учете потерь в инверторе необходимо полученное значение) разделить на кПд инвертора 2 cos d U U ω π ϕ ω η ¢ = (108) 3.6. Пример расчета резонансного инвертора исходные данные для расчета выходная мощность инвертора S нг = 900 в · а выходное напряжение U нг = 115 в коэффициент мощности нагрузки cosϕ нг = 0,7 (сохраняется постоянным частота выходного напряжения f = 500 Гц пределы изменения выходной мощности от 0,75 донг схема инвертора приведена на рис. Последовательность расчета. определим номинальные значения тока и сопротивления нагрузки ток нагрузки I нг = S нг /U нг = 900/115 = 7,827 а 94 – полное сопротивление нагрузки Z нг = U нг /I нг = 115/7,827 = 14,69 ом активное сопротивление нагрузки R нг = Z нг cosϕ нг = 14,69 · 0,7 = 10,29 ом индуктивное сопротивления нагрузки X нг = Z нг sinϕ нг = 14,69. 2. Принимаем режим естественной коммутации инвертора при номинальном режиме работы. соотношение частоты собственных колебаний резонансного контура инвертора ω 0 и частоты управления у примем равным тогда частота собственных колебаний резонансного контура инвертора составит = ус. Принимаем добротность резонансного контура (D = ωL/R нг ) при номинальной нагрузке, равной 2. в этом случае общая индуктивность резонансного контура общ, включающая в себя индуктивность нагрузки L нг и индуктивность коммутирующего дросселя инвертора (к = L 1 = общ = L 1 + L нг = DR нг /ω у = 2 · 10,29/(2π · 500) = = 6,554 · 10 –3 Гн = 6,554 мГн. 4. индуктивность нагрузки L нг = X нг /ω у = 10,29/(2π · 500) = 3,277 · 10 –3 Гн = 3,277 мГн. 5. индуктивность коммутирующего дросселя L к = L 1 = L 2 = общ – L нг = 6,554 – 3,277 = 3,277 мГн. 6. емкость коммутирующего конденсатора С к определим, воспользовавшись формулой для частоты собственных колебаний резонансного контура с учетом активного сопротивления нагрузки 2 íã 0 2 îáù ê îáù 1 4 ; R L C L ω = - 6 6 ê 2 2 3 2 2 íã îáù 0 2 6 2 îáù 10 10 12 2 ìêÔ. 10 29 6 554 10 3454 4 6 554 10 4 , , , , C R L L ω - - = = = æ ö æ ö ÷ ÷ ç ç ÷ ÷ ç ç < + + ÷ ÷ ç ç ÷ ÷ ç ç ÷ ÷ × × è ø ÷ çè ø следовательно, емкость каждого из двух конденсаторов С = С = С к /2 = 6,1 мкф. 7. напомним, что при режиме естественного выключения вентилей частота собственных колебаний резонансного контура больше частоты управления. вследствие этого работавший ранее тиристор выключается раньше, чем поступит импульс управления на второй тиристор. таким образом, при работе инвертора на каждом полупериоде появляется бестоковая пауза, время которой обозначим через п определим времябестоковой паузы: t п = у – π/ω 0 = π/3140 – π/3454 = 90,9 · 10 –6 с. угол задержки (между моментами выключения одного тиристора и включением другого, соответствующий интервалу бестоковой паузы п, обозначим через β п : β п = ω у t п 180/π = 2π · 400 · 90,9 · 10 –6 · 180/π = о наличие бестоковой паузы пи, конечно, угла задержки п увеличивает время, предоставляемое схемой каждому тиристору инвертора для восстановления их управляющих свойств и, соответственно, повышает устойчивость работы инвертора. время, необходимое тиристору для восстановления управляющих свойств, t q , приводится в паспортных данных тиристора. Часто в том случае, когда время бестоковой паузы п больше времени t q , реальное время, предоставляемое схемой тиристору для восстановления его управляющих способностей, не рассчитывают, так как устойчивость работы инвертора уже обеспечена. так, если в инверторе применены тиристоры типа тЧ, имеющие t q ≤ 30 мкс, то для их надежного запирания (примем коэффициент запаса з = 2) необходим угол β сх min = у = 2π · 500 · 60 · 10 –6 · 180/π = о следовательно, инвертор при выбранных параметрах и номинальном режиме работы будет работать устойчиво. Причем при увеличении тока нагрузки (уменьшении проводимости нагрузки) частота собственных колебаний увеличивается, угол п увеличивается, те. инвертор будет работать устойчиво вплоть до короткого замыкания нагрузки. и наоборот, приуменьшении тока нагрузки увеличении проводимости нагрузки) частота собственных колебаний уменьшается и инвертор переходит из режима естественного выключения в граничный режим и далее в режим принудительной коммутации 96 8. определим минимальный ток нагрузки, при котором еще обеспечивается угол β = β сх min : ñõ íã íã íã íã íã c tg ños tg10 8 115 0 7 115 0 7 3 67 À 26 1 min min обратим внимание на задание, в котором указан диапазон изменения нагрузки (0,75– 1,0)S нг N . При выполнении условия постоянства напряжения нагрузки диапазон изменения тока нагрузки соответствует диапазону изменения мощности нагрузки. следовательно, минимально достижимый ток нагрузки по заданию составляет а. устойчивость работы инвертора при выборе указанных выше тиристоров (тЧ) обеспечена до тока нагрузки I нг min = 3,67 а, что в 1,6 меньше минимального тока нагрузки (по заданию. следует напомнить, что при переходе инвертора из режима естественного выключения в граничный режим бестоковая пауза исчезает (пи устойчивость работы инвертора определяется углом β, значение которого рассчитывается по формуле (76): íã íã íã tg tg , cos y β ϕ ϕ * = - где 1 1 77 14 69 2 500 12 2 10 , . , , y y Ñ Z Ñ ω ω π * - = = = = × × схема будет устойчива при выполнении условия ç min , q K t β где з ≥ (1,5–2,0) – коэффициент запаса β ≥ β min = з = 2 · 2 · π · 500 · 30 · 10 –6 · 180/π = о определим угол β по формуле (68) для граничного режима работы инвертора (у = ω 0 ): 1 77 tg 1 1 528 0 7 , , , , β = - = откуда β = о вывод так как β = о значительно больше β min = о, инвертор будет работать устойчиво и при отсутствии бестоковой паузы. определим требуемое значение напряжения источника питания для обеспечения условия постоянства напряжения нагрузки (U нг = 115 в) и среднее значение входного тока I d при постоянном коэффициенте мощности нагрузки (cosϕ нг = 0,7) и трех значениях тока нагрузки (I нг N ; 1,1I нг N и 0,75I нг N ). расчет U d проведем по формуле (84), а тока I d – по формуле (81). кПд инвертора примем равным 0,8. результаты расчета сведем в табл. Таблица Результаты расчета параметров инвертора I нг , а ω ( ) ó 0 ω ω U d , в, а 1,06 0,94 118,7 7,27 7,87 1,05 0,95 117,6 6,73 5,9 1,002 0,998 112,3 5,3 11. определим максимальные значения обратного и прямого напряжений, а также среднее значение тока тиристора. расчет следует провести для режима максимальной нагрузки. для данного режима работы инвертора ток нагрузки I нг = 8,6 а индуктивность нагрузки L нг = 3,0 · 10 –3 Гн; – общая индуктивность общ = 6,277 · 10 –3 Гн; – активное сопротивление нагрузки R нг = 9,36 ом частота собственных колебаний ω 0 = 3210 с –1 для расчета напряжений на тиристоре необходимо предварительно рассчитать коэффициент ρ: 2 1 1 D e π ρ - = - добротность D = ω 0 L общ /R нг = 3210 · 6,277 · 10 –3 /9,36 = 2,15, следовательно Максимальное обратное напряжение на тиристоре U обр max = U d (2ρL к /L общ – 1) = = 118,7(2 · 1,93 · 3,277/6,277 – 1) = 120,5 в. Максимальное прямое напряжение на тиристоре U пр max = U d 2ρL к /L общ = 239,2 в. тиристор выбираем по максимальному прямому напряжению с учетом коэффициента запаса по напряжению з = 2: U V кл = 2 · 240 = 480 в следовательно, необходимо выбирать тиристоры го класса, те. на напряжение 500 в. определим среднее значение тока тиристора I V ср среднее значение тока тиристора равно половине среднего значения тока импульса, определяемого по формуле (81), те ср = 0,5I d : ó ñð íã 0 2 2 0 5 0 5 0 9 8 6 0 989 3 827 с учетом двойного запаса потоку следует выбрать тиристоры на среднее значение тока не менее 8 а. По справочным данным выбираем тиристоры типа тЧ25-5, параметры которого максимально допустимый средний ток в открытом состоянии а максимальное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии, 500 в время выключения не более 30 мкс, что соответствует й группе повремени выключения прямое падение напряжения не более 3,0 в. выбор разделительных конденсаторов. величина емкости конденсаторов определена выше и составляет 6,1 мкф. выбираем конденсаторы типа МбГЧ. Максимальное напряжение на конденсаторе max = DU нг = 2,15 · 115 = 247 в. учитывая, что для конденсаторов типа МбГЧ допустимое рабочее напряжение на частоте 400 Гц должно быть снижено на 50 % по сравнению с допустимым рабочим напряжением на частоте 50 Гц, необходимо выбирать конденсаторы на рабочее напряжение не менее в. выбор коммутирующего дросселя. как видно из схемы инвертора, дроссель должен иметь обмотку с выводом средней точки. обмотка дросселя должна размещаться на одном сердечнике магнитопровода. индуктивность одной полу- обмотки дросселя должна быть равной 6,1 · 10 –3 Гн. сечение провода обмотки дросселя должно быть рассчитано на действующее значение тока I др : I др = (π/2)I V ср = 6 а Вопросы для самоконтроля. Перечислите последовательность этапов расчета резонансного инвертора. как рассчитать параметры, по которым следует выбирать тиристоры схемы. как рассчитать параметры, по которым следует выбирать конденсатор схемы. как рассчитать параметры, по которым следует выбирать дроссель схемы. Регулирование напряжения в инверторах тока в инверторах тока, работающих при стабилизированной частоте, регулирование напряжения осуществляется в целях удовлетворения техническим требованиям технологического процесса, например поддержания постоянства мощности индукционного нагревателя или стабилизации выходного напряжения при колебаниях напряжения источника питания и величины нагрузки. для параллельных инверторов тока величина выходного напряжения определяется соотношением (отсюда очевидно, что регулирование напряжения U нг можно осуществлять путем изменения U d или угла опережения β. в частности, при стабилизации выходного напряжения в схему инвертора параллельно нагрузке можно подключить дополнительный, плавно регулируемый дроссель, обеспечивающий компенсацию избыточной реактивной мощности конденсаторов при снижении нагрузки [2]. в этом случае по аналогии с (81) имеем íã ê.ó íã tg , ñ Q Q Q P β - - = где ку – регулируемая независимо реактивная мощность дополнительного дросселя (компенсирующего устройства). на рис. 44 представлена векторная диаграмма, демонстрирующая стабилизацию угла β и выходного напряжения параллельного инвертора U 2 , приуменьшении тока нагрузки, при U d = const, cosϕ нг = const за счет уменьшения индуктивности дросселя и повышения его тока и реактивной мощности. в качестве регулируемых дросселей могут принципиально использоваться линейные дроссели с магнитными сердечниками, регулируемым зазором или дроссели насыщения, ток подмагничивания которых определяется в функции нагрузки инвертора. большая электромагнитная инерционность таких дросселей препятствует их серийному практическому использованию. в настоящее время широкое применение получили дроссельно-вентильные регуляторы реактивной мощности инверторов тока. в инверторе тока дроссельно-вентильный регулятор, соединенный треугольником, включают параллельно нагрузке. каждое линейное плечо такого регулятора состоит из линейного дросселя (выполняемого обычно с ферромагнитным сердечником и зазором) и двух встречно-параллельно включенных тиристоров [11]. схема одной фазы дроссельно-вентильного регулятора реактивной мощности приведена на рис. 45. При регулировании угла управления вентилями регулятора (α р )достигается широкий диапазон изменения тока регулятора. При этом при больших значениях р фазный ток приобретает прерывистый характер, что сопровождается появлением большого количества высших гармоник. следует отметить, что в линейном токе регулятора, присоединении его плеч треугольником, содержание высших гармонических оказывается существенно меньше. в линейном напряжении содержатся только гармоники 5, 7, 11, 13, …, а гармоники, кратные 3, замыкаются внутри треугольника. Линейный ток регулятора Рис. 44. векторная диаграмма инвертора тока параллельного типа при дроссельном способе регулирования выходного напряжения I c ′ I L ′ I′ I c I нг I L I U нг β ϕ нг I=I c +I нг +I L = β=const ; U нг = const I c I c ′ I нг ′ T1 T2 L k |