Лекции_AIT_2020
.pdf
При отсутствии потерь вся активная мощность Pd, потребляемая инвертором от источника, равна отдаваемой инвертором нагрузке активной мощности Pинв, при этом:
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
, |
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
cos . |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инв |
|
|
инв |
инв(1) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Суммарная реактивная мощность инвертора Qинв может быть |
||||||||||||||||||||||||||||||||
определена как реактивная мощность генерируемая емкостью Qc |
|
за вычетом |
||||||||||||||||||||||||||||||
реактивной мощности нагрузки Qн |
, то есть |
|
= − , при этом: |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инв |
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
н = н нsin = н; |
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
|||||||||||||||||||
|
|
инв = н инв(1) sin или инв = инв . |
(5) |
|||||||||||||||||||||||||||||
Учитывая выше приведенные выражения, можно определить |
||||||||||||||||||||||||||||||||
величину |
емкости, |
|
|
необходимую |
для |
|
|
нормального |
|
процесса |
||||||||||||||||||||||
инвертирования по формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
С |
Pинв tg tg н |
. |
|
|
(6). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как непосредственно связано со свойствами используемых |
||||||||||||||||||||||||||||||||
тиристоров |
|
> |
|
|
, |
то по полученному выражению определяется |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
выкл |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
диапазон возможного изменения используемых величин емкости. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Равенство активных мощностей (потребляемая инвертором от |
||||||||||||||||||||||||||||||||
источника и отдаваемой инвертором нагрузке Pd =Pинв ) дает основание |
||||||||||||||||||||||||||||||||
записать: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
cos . |
|
|
|
|
|
(7) |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
инв инв(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Кроме того, учитывая выражение, определяющее действующее |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
значение 1-ой гармоники тока инвертора |
Iинв 1 |
|
2 2 |
|
Id , можно получить |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
формулу, определяющую напряжение инвертора: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Uинв |
|
Ud |
|
1 |
. |
|
|
|
|
(8) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
2 |
|
2 cos |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
По известной тригонометрической формуле |
|
|
1 tg2 и |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
cos |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
уравнению (5) можно определить угол опережения, как:
11
tg |
U 2 |
С |
P |
sin |
н |
. |
инв |
|
инв |
|
|||
|
Uн I |
н cos н |
|
|||
|
|
|
|
|||
Последнее выражение можно записать через проводимости элементов: yc , yн – проводимости конденсатора и нагрузки, тогда окончательно:
tg |
yC |
tg н . |
(9) |
|
yн cos н |
||||
|
|
|
Определив угол опережения β, из уравнения (8) можно записать:
|
|
|
U |
d |
|
y |
|
2 |
|
||
U |
|
|
|
|
|
1 |
C |
tg |
|
(10) |
|
инв |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
2 2 |
|
yн cos н |
|
|
|
|||
Полученное выражение является обобщенной внешней характеристикой однофазного мостового параллельного автономного инвертора тока.
Из временных диаграмм (рис.4) легко определить требования к выбору тиристоров. Действующее и максимальное значение тока тиристора определяется:
IVS |
|
1 |
|
2 d t |
|
I d |
|
|
|
I |
|
|
Pd |
|
2 |
I |
d |
2 |
; |
I |
VSm |
d |
|
; |
|||||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
U d |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимальные прямое и обратное напряжение на тиристоре определяются по формулам:
прям = √2н; обр = √2 нsin .
Время, необходимое для восстановления полупроводниковых свойств тиристора (tпв ) определяется по формуле:
tпв |
|
, где f – выходная частота инвертора, изменяющаяся в |
|
|
|||
360 f |
|||
|
|
пределах от 50 до 1000 Гц.
Учитывая, что должно соблюдаться условие: > выкл, а min
полностью определяется тем тиристором, который выбран для работы,
можно записать выражение, определяющее предельно допустимую величину емкости Скрит :
|
= |
н( + н ). |
||
крит |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
12
1.2. Однофазный автономный последовательный инвертор тока
Схема однофазного автономного последовательного инвертора тока представлена на рисунке 7.
Рис.7 Схема однофазного автономного последовательного инвертора тока
Однофазный последовательный АИТ используют крайне редко и только в определенных схемах устройств специального назначения, так как они характеризуются очень жесткими выходными характеристиками.
Выражение выходного напряжения однофазного последовательного инвертора может быть определено как:
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
2 2Ud |
. |
||
н |
|
|||||
|
cos н |
|||||
|
|
|||||
Из формулы видно, что это напряжение полностью определяется величиной напряжения источника и зависит только от соотношения активной и реактивной составляющих нагрузки (cos н). Имея какую-то определенную постоянную нагрузку, выходное напряжение можно изменить только напряжением источника.
Угол опережения β ищется из уравнения:
tg |
|
Yн |
tg н |
|
Yc |
cos н |
|||
|
|
Для данного инвертора увеличение нагрузки приводит к увеличению угла опережения, то есть к увеличению напряжения АИТ, отделенного от нагрузки коммутирующей емкостью. В областях малых нагрузок
13
уменьшается угол опережения, так как в режиме, близком к холостому ходу
фактически полностью нарушается коммутация.
1.3. Трехфазный мостовой автономный параллельный инвертор тока.
В частотно-регулируемом электроприводе чаще всего используются трехфазные мостовые параллельные АИТ (ТМП АИТ), использующие одно-
операционные тиристоры. На рисунке 8 представлена электрическая схема ТМП АИТ.
Рис.8 Схема трехфазные мостовые параллельные АИТ
Алгоритм управления тиристорами включает в себя следующие действия:
- тиристоры в каждой группе (анодной и катодной) отпираются поочередно со сдвигом по фазе друг относительно друга на 120
электрических градусов;
-тиристоры одной фазы (одного плеча) отпираются со сдвигом по фазе относительно друг друга на 180 электрических градусов;
-длительность проводящего состояния каждого тиристора = 1200
(электрических градусов).
В соответствии с этим алгоритмом, тиристоры работают попарно
(один из анодной, другой из катодной группы), при этом их отпирают
14
короткими импульсами, подаваемыми на управляющие электроды в моменты начала соответствующих интервалов проводимости, каждые 60
электрических градусов на два тиристора одновременно. При этом на один из ранее работавших тиристоров (например, тиристор VS3) подаваемый импульс является повторным за интервал его проводимости, а для вступающего в работу тиристора из другой группы (например, тиристор
VS4) является новым.
Можно проиллюстрировать вышесказанное анализом примера работы тиристора VS1. Тиристор VS1 находится в проводящем состоянии) 120
градусов. За время его работы управляющий импульс приходит дважды: при
= 0 и = 600.
Запирание каждого выходящего из работы тиристора в анодной
(катодной) группе производится напряжением соответствующего конденсатора, прикладываемым к нему в запирающем направлении при отпирании очередного входящего в работу тиристора анодной (катодной)
группы.
Принцип работы не отличается от работы однофазного мостового
параллельного АИТ.
Для анализа работы ТПАИТ на рисунке 9 представлены временные диаграммы. На диаграмме показаны состояния тиристоров VS1-VS6,
каждый из которых находится в открытом состоянии в течение 120
электрических градусов. Входной ток Id преобразуется в фазные токи iA , iB, iC , каждый из которых и является выходным фазным током инвертора. На диаграмме показаны только токи iA , iB . Учитывая правило разложения в ряд Фурье прямоугольных сигналов, можно определить действующие значения
первых гармоник фазных токов: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
= |
= |
= |
√6 |
||
|
|
|
|||||
инв(1) |
(1) |
(1) |
(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
15
Рис.9 Временные диаграммы, иллюстрирующие работу трехфазного параллельного АИТ.
Форма напряжения на выходе каждой из данных нагрузок формируется как линейное напряжение (например, на рис.9 - UAB ) согласно процессу перезаряда конденсаторов.
Как и в однофазном параллельном АИТ равенство активных мощностей потребляемых и выделяемых на нагрузке дает основания записать равенство:
Pd Ud Id 3Uинв(ф) Iинв(1) cos .
Тогда величина коммутирующей фазной емкости (как и в ОПАИТ) определяется:
Cк |
|
|
Pн max (tg min |
tg max ) |
. |
|
ф |
U 2 |
|
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
инв(ф) |
|
|
|
16
Следует отметить, что при активно-индуктивном характере нагрузки выходные напряжения ТПАИТ имеют форму, достаточно близкую к синусоидальной. Поэтому в инженерных расчетах элементов силовых цепей практически всегда принимают это допущение синусоидальности. В этом случае по типу силовой схемы, характеру временных зависимостей переменных и основных математических соотношений ТПАИТ в установившемся режиме работы не отличаются от трехфазных ведомых сетью инверторов.
Основным недостатком параллельных АИТ является снижение напряжения компенсирующих конденсаторов на низких частотах преобразования за счет разряда их на нагрузку и, как следствие, уменьшение угла опережения β и снижение коммутационной устойчивости АИТ, что вызывает необходимость увеличения установленной мощности конденсаторного оборудования.
1.4. Автономный инвертор тока с отсекающими диодами.
Недостаток, характерный для всех параллельных АИТ, может быть устранен при использовании АИТ с отсекающими диодами. Простейшей схемой является схема однофазного АИТ с отсекающими диодами,
представленная на рисунке 10.
Рис.10 Схема однофазного АИТ с отсекающими диодами
17
Сцелью уменьшения величины компенсирующих конденсаторов Ск1
иСк 2 в схему включаются четыре отсекающих диода, работающих попарно.
Отсекающие диоды препятствуют разряду конденсаторов АИТ на нагрузку,
как бы отсекают емкости Ск1 и Ск 2 от нагрузки, за счет чего длительность интервала времени, предоставляемого тиристорам для восстановления запирающих средств, не зависит от частоты следования управляющих импульсов. Величина коммутирующей емкости определяется по формуле:
Ск1 Ск 2 Id tв .
2Uc
Временные диаграммы, характеризующие работу схемы,
представлены на рисунке 11.
Рис.11 Временные диаграммы, иллюстрирующие работу однофазного АИТ с отсекающими диодами
Ток id перезаряжает конденсаторы, а когда напряжение на них изменит знак и достигнет своего максимального значения, равного выходному напряжению, происходит отключение данной пары диодов с одновременным открыванием другой пары. Интервал времени tвос,
необходимый для перезаряда конденсатора, равен времени восстановления полупроводниковых свойств тиристора.
18
1.5. Внешние характеристики АИТ
Аналитические выражения внешних характеристик АИТ представляют собой зависимости действующего значения выходного напряжения от действующего значения выходного тока. Условия баланса активных мощностей АИТ, потребляемых из источника и выделяемых на нагрузке, без учета потерь выглядит следующим образом:
= = н нcos н = инв н cos ,
где инв – коэффициент, определяемый схемой инвертора ( для однофазных
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схем инв = |
2√2 |
, для трехфазной мостовой схемы |
инв = |
3√6 |
), |
cos н – |
|||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
коэффициент мощности нагрузки. Тогда уравнение внешних характеристик АИТ определяется выражением:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
√ |
1 + ( |
|
|
− )2. |
|
cos |
|
|||||
инв |
|
|
|
н |
|||
|
|
иск |
|
|
н |
н |
|
Если принять следующие относительные единицы:
|
= |
иск инв |
; |
|
= |
н |
, |
|
|
||||||
иск |
|
|
н |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
уравнение внешних характеристик АИТ преобразуется к виду:
= |
1 |
|
|
1− sin |
|
||
|
= √1 + ( |
н |
н |
)2. |
|||
|
cos |
|
|||||
н cos |
|
|
н |
||||
|
|
|
|
н |
|||
Из формулы следует, что выходное напряжение АИТ определяется углом опережения β, который, в свою очередь, зависит от характера и величины нагрузки. При этом характерна неоднозначная зависимость напряжения инвертора от тока нагрузки при разных н из-за того, что индуктивность нагрузки частично компенсирует реактивность конденсатора.
Это ведет к уменьшению угла опережения β и выходного напряжения при уменьшении cos н и одних и тех же значениях тока. Кроме того, работа АИТ затруднена в области малых нагрузок за счет значительного увеличения
19
напряжения на элементах силовой схемы, а также в области больших нагрузок
за счет уменьшения угла β и увеличения вероятности опрокидывания.
Контрольные вопросы
1.Каково назначение элементов силовой схемы автономных инверторов тока?
2.Какие основные особенности АИТ?
3.Какой алгоритм управления тиристорами трехфазного мостового
АИТ?
4.Что называют внешними характеристиками АИТ?
5.При каких условиях происходит срыв инвертирования в АИТ?
6.Каково назначение АИТ с отсекающими диодами?
7.Как определяется величина компенсирующей емкости?
8.Каковы способы регулирования выходного напряжения АИТ?
9.Почему напряжение на нагрузке при использовании АИТ зависит от нагрузки?
Рекомендуемая литература
1.Воскобович В.Ю., Королева Т.Н., Павлова В.А. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств. – СПб.: Элмор,
2001. –384с.
2.Попков О.З. Основы преобразовательной техники: Учеб. пособие для вузов - М. Издательский дом МЭИ, 2010.- 200 с.
3.Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника.
Учебник для вузов. – М. Издательский дом МЭИ, 2009.- 632 с.
4.Зиновьев Г.С. Силовая электроника- М.Юрайт,2012-316с
5.Розанов Ю. К., Лепанов М.Г. Силовая электроника. М.: Юрайт, 2018.
6.Онищенко Г.Б., Соснин О.М. Силовая электроника. М.: ИНФРА-М, 2017
20