Проектирование энергосберегающего инвертора на основе современной элементной базы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ФЕРГАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

Проектирование энергосберегающего инвертора на основе современной элементной базы

Факультет: Магистратура Магистрант: Тоштемиров О. А.

Кафедра: Э и П Научный руководитель: Мамасодиков Ю.

Учебный год: 2013/2014 Специальность: Энергосбережения

Фергана-2014 г.

Магистрлик диссертацияси аннотацияси

напряжение инвертор коммутационный тиристор

Бугунги кунда электр энергия параметрларини ю?ори частота принципида ўзгартирувчи автоном инверторлар тўла равишда замонавий талабларга жавоб бермо?да. Охирги йилларда бизнинг мамлакатимизда хам, хорижда хам бундай ўзгартиргичларга катта эътибор ?аратилмо?да.

Айтилганлардан келиб чи??ан холда, бирламчи электр таъминот манбалари ва узлуксиз таъминот манбаларига минималь таъсир этувчи энерготежамкор инверторларни яратиш ишнинг долзарблиги хисобланади.

Ушбу диссертация ана шундай ўзгартиргичларни анализ ва лойихалашга ?аратилган, ва ишнинг ма?сади хам энергия тежамкор инверторларни лойихалаш ва тад?и? ?илиш хисобланади.

Аннотация магистерской диссертации

В сегодняшний день наиболее полно современным требованиям отвечают автономные инверторы, использующие принцип промежуточного высокочастотного преобразования параметров электроэнергии. В последние годы таким преобразователям уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом.

Из сказанного вытекает актуальность работ по созданию преобразователей, позволяющих обеспечить минимальное влияние одних потребителей источника первичного электропитания на другие в систем гарантированного электропитания. Разработке и анализу таких преобразователей и посвящена данная работа, цель которой может быть сформулирована следующим образом: разработка и исследование энергосберегающих инверторов, обеспечивающих минимальное влияние параметров нагрузки на другие потребители систем гарантированного электропитания.

Annotation master's dissertation

In the present day most fully meet the modern requirements of stand-alone inverters, using the principle of intermediate high frequency conversion power parameters. In recent years, such converters pays great attention both in this country and abroad.

It follows from the relevance of the work to create converters allow a minimum the effects of some primary power source consumers on others in uninterruptible power supply systems. Design and analysis of such converters are addressed in this work, the purpose of which may be formulated as follows: research and development of energy-saving inverter, ensuring minimal impact load parameters to other consumers uninterruptible power supply systems.

Содержание

Введение

Глава 1. Анализ современной состояний энергосберегающего инвертора

1.1 Классификация инверторов

1.2 Регулирование и улучшения качества выходного напряжения инверторов

1.3 Требования, предъявляемые к инверторам и преобразователям частоты. Общие указания по их выбору

Выводы по 1 главе

Глава 2. Исследование переходных процессов полупроводникового ключа

2.1 Коммутационные процессы тиристора в инверторах

2.2 Коммутационные процессы биполярного транзистора в инверторах

2.3 Коммутационные процессы полевого транзистора в инверторах

2.4 Коммутационные процессы IGBT транзистора в инверторах

Выводы по 2 главе

Глава 3. Разработка системы управления

3.1 Современные элементная база системы управления энергосберегающего инверторов

3.2 Принцип построения системы управления

3.3 Разработка системы управления энергосберегающего инвертора

Выводы по 3 главе

Глава 4. Разработка энергосберегающего инвертора

4.1 Разработка функциональной схемы энергосберегающего инвертора

4.2 Разработка принципиальной схемы энергосберегающего инвертора

4.3 Экспериментальное исследование энергосберегающего инвертора

Выводы по 4 главе

Введение

Ускорение научно-технического прогресса, рост энерговооружённости всех отраслей народного хозяйства и повышение его эффективности в значительной степени связаны с успехами электроэнергетики. В общем количестве производимой электроэнергии с каждым годом возрастает доля энергии, потребляемой в преобразованном виде, поэтому основной задачей преобразовательной техники является создание устройств, обладающих повышенными технико-экономическими показателями.

Повышение требований к качеству передачи информации по каналам связи и надёжности работы радиоэлектронной аппаратуры привели к широкому распространению систем гарантированного электропитания ( СГЭ ) в радиоэлектронике, электросвязи, вычислительной технике и других областях народного хозяйства. В качестве источника резервного электропитания в таких системах обычно используются аккумуляторные батареи. Многообразие ответственных потребителей, подключаемых к одной СГЭ, приводит к тому, что часть из них подключается непосредственно к шинам аккумулятора, а другая часть-через автономные преобразователи энергии. При высокой чувствительности потребителей к качеству питающего напряжения возникают проблемы, связанные с их электромагнитной совместимостью.

Наиболее сильное влияние одних потребителей на другие имеет место в аварийных режимах. Так короткое замыкание в нагрузке одного из автономных инверторов (АИ) приводит либо к срабатыванию быстродействующей защиты на его входе и появлению значительных перенапряжений на входах всех других потребителей источника первичного электропитания (ИПЭП), обусловленных индуктивностями проводов, либо к кратковременному короткому замыканию на шинах ИПЭП.

Меры борьбы с указанными влияниями обычно сводятся к рациональному размещению оборудования и ИПЭП, а также увеличению сопротивления подводящих проводов. Во многих случаях указанные меры являются недостаточно эффективными. Радикальным методом ослабления взаимных влияний потребителей в аварийных режимах является использование статических преобразователей, у которых электромагнитные процессы в цепях источника питания и нагрузки разделены во времени.

Наиболее полно современным требованиям отвечают АИ, использующие принцип промежуточного высокочастотного преобразования параметров электроэнергии. В последние годы таким преобразователям уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом.

Несмотря на большое количество работ, посвящённых энергосберегающих инверторов, практически отсутствуют работы по исследованию инверторов с разделёнными во времени электромагнитными процессами на сторонах источника питания и нагрузки. Отсутствует методика проектирования таких инверторов, а также недостаточно разработаны схемные решения преобразователей данного класса, работающих на активно-индуктивную нагрузку и в режиме холостого хода без существенного искажения формы кривой выходного напряжения.

Из сказанного вытекает актуальность работ по созданию преобразователей с отсекающими диодами, позволяющих обеспечить минимальное влияние одних потребителей ИПЭП на другие в СГЭ. Разработке и анализу таких преобразователей и посвящена данная работа, цель которой может быть сформулирована следующим образом: разработка и исследование однофазных стабилизированных инверторов с ПЗПЧ, обеспечивающих минимальное влияние параметров нагрузки на другие потребители СГЭ.

В настоящее время разработано значительное количество методов анализа установившихся и переходных режимов работы преобразователей электрической энергии. Наибольшей универсальностью обладает метод моделирования электронных схем на цифровых вычислительных машинах (ЦВМ).

При исследовании энергосберегающего инвертора на цифровых моделях с использованием универсальных программ существует ряд трудностей, обусловленных тем, что выходная и промежуточная частоты преобразователя могут отличаться на два и более порядков. В результате возникают противоречивые требования между скоростью моделирования (затратами машинного времени) с одной стороны и устойчивостью и точностью решения с другой. Поэтому одной из задач работы явилась разработка эффективных методов цифрового моделирования энергосберегающих инверторов.

Работа состоит из четырех глав, введения и заключения.

В первой главе даётся обзор принципов построения систем гарантированного электропитания, регулирование и улучшения качества выходного напряжения инверторов, требования, предъявляемые к инверторам и преобразователям частоты. Рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости потребителей, питающихся от общего ИПЭП. Анализируются методы формирования напряжения синусоидальной и квазисинусоидальной форм на выходе АИ и принципы передачи энергии в нагрузку.

Вторая глава посвящена исследованию переходных процессов полупроводникового ключа. Произведён анализ коммутационных процессов тиристора в инверторах, коммутационных процессов биполярного транзистора в инверторах, коммутационных процессов полевого транзистора в инверторах, коммутационных процессов IGBT транзистора в инверторах.

Третья глава посвящена разработке системы управления. Произведён анализ и предложены современное элементная база системы управления энергосберегающих инверторов, принцип построения системы управления, разработка системы управления энергосберегающих инвертора.

В главе дается методика проектирования инверторов с ПНЭ, приводится алгоритм машинного проектирования.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям тиристорного преобразователей с отсекающими диодами, рассчитанных по разработанной методике. В главе выполнен анализ перспективности использования энергосберегающего инвертора, формирующих синусоидальную форму кривой выходного напряжения в случаях, когда не требуется решения вопросов электромагнитной совместимости (например, когда потребитель только один). Произведено сравнение основных технических показателей тиристорного вариантов энергосберегающего инвертора с наиболее перспективными известными типами инверторов с синусоидальной формой кривой выходного напряжения.

В заключении сделаны выводы по работе.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автономных энергосберегающих инверторов.

2. Разработанная энергосберегающая модель инвертора.

3. Методика инженерного проектирования автономных энергосберегающих инверторов.

4. Предложенные новые системы управления энергосберегающих инверторов и способы управления ими.

Президент Ислам Каримов выступил на шестом заседании Азиатского форума солнечной энергии 22 ноября 2013 г.

В эти дни в Узбекистане проходит 6-е заседание Азиатского форума солнечной энергии. На заседании выступил Президент Ислам Каримов. Уважаемые участники Форума! Дамы и господа! Для нас большая честь принимать в Ташкенте наших дорогих гостей, руководителей авторитетных международных организаций и финансовых институтов, правительств, крупных агентств и компаний, исследовательских центров, специалистов и экспертов - участников настоящего заседания Форума, выразить всем вам наше искреннее уважение. Слова признательности я приношу президенту Азиатского банка развития Такехико Накао за его личное участие в Форуме, его огромный вклад в претворение в жизнь "Азиатской инициативы по солнечной энергии", неоценимую помощь и поддержку, которую оказывает Азиатский банк и его структуры в сфере использования и стимулирования ускоренного развития солнечной энергетики.

Искренне хотел бы поблагодарить за участие в заседании Форума представителей Международного энергетического агентства (МЭА), Организации ООН по промышленному развитию (ЮНИДО), Исламского банка развития и других международных центров и структур, всех, кто проявил большой интерес к этому Форуму.

Нет никаких сомнений в том, что всестороннее обсуждение по предложенной повестке дня настоящего заседания "Тенденции и перспективы технологий солнечной энергии" носит весьма актуальный характер, и в первую очередь такая тема, как "Развитие промышленности по производству оборудования и комплектующих и перспективы роста азиатского рынка оборудования для солнечной энергетики", представляет для многих стран и регионов практический интерес.

Известно, что в истории цивилизации поиск самых эффективных источников энергии всегда оставался в центре внимания. На разработку, в первую очередь, углеводородов как основного сырья для получения электрической и тепловой энергии за последние десятилетия направлялись и направляются огромные инвестиционные вложения.

Ни для кого не секрет, что обладание источниками энергоресурсов, запасами нефти и газа является сегодня одним из важнейших факторов, который приобретает особую роль в получении неограниченных доходов и влиянии на международной арене.

Думаю, не приходится сомневаться также в том, что так называемая "сланцевая революция" в добыче углеводородного сырья может стать завтра серьезным фактором изменения места и роли отдельных континентов, стран и территорий на энергетическом рынке и в геополитической расстановке сил на мировой арене.

Однако такие трансформации ни в коей мере не могут изменить растущие с каждым годом интерес и потребность в возобновляемых источниках энергии и, в первую очередь, в использовании самой чистой в мире солнечной энергии.

Говоря об этом, нельзя не обратить внимание на тот факт, что, по данным Международного энергетического агентства, за последние пять лет солнечная энергетика, как наиболее перспективная составляющая возобновляемых источников энергии (ВИЭ), росла небывалыми ежегодными темпами - 60 процентов при среднем темпе роста производства электроэнергии в мире на уровне 3,4 процента.

За последние пять лет совокупные инвестиции в солнечную энергетику составили 520 миллиардов долларов, в том числе только в 2012 году - 143 миллиарда долларов.

Совокупное производство электроэнергии солнечными станциями в 2012 году составило 113 миллиардов кВт*ч, в том числе фотоэлектрическими станциями - 110 миллиардов кВт*ч.

По мнению международных экспертов, есть достаточно причин, обуславливающих такой стремительный рост интереса в мире к поиску и повышению эффективности альтернативных и возобновляемых источников энергии, в том числе - использованию энергии Солнца для получения электрической и тепловой энергии.

В первую очередь, это растущие с каждым годом потребности мировой экономики в энергии. Кроме того, озабоченность международного сообщества вызывается, наряду с возрастающими трудностями в освоении новых источников традиционного углеводородного сырья - нефти и газа, также быстрым истощением их запасов.

Но самый важный фактор, с которым мы не имеем права не считаться, - достигшее колоссальных размеров использование и сжигание ископаемого топлива наносит ощутимый вред окружающей среде, отражается на здоровье и качестве жизни населения и ставит под угрозу устойчивость будущего развития на глобальном уровне.

Выход из складывающейся ситуации, прежде всего, видится в дальнейшем обеспечении роста инвестиций в проекты по развитию солнечной энергетики как наиболее эффективного и перспективного источника возобновляемых видов энергии.

Второе - это всемерная интенсификация и государственная поддержка научных и опытно-конструкторских разработок, а также производителей и потребителей солнечной электроэнергии.

Третье - необходимо добиться обеспечения конкурентоспособности солнечной энергетики по сравнению с традиционной энергетикой, основанной на использовании углеводородного сырья.

Вне всякого сомнения, эта цель становится вполне достижимой, если учесть, что производство одного киловатт-часа солнечной электроэнергии стоило в 2008 году на уровне 35 центов, сегодня же эта цифра составляет, по данным экспертов, в среднем 11-12 центов, а в некоторых странах, таких, как Китай и Индия, на строящихся фотоэлектрических станциях ставится задача снизить себестоимость одного киловатт-часа до 8-9 центов.

Иначе говоря, электроэнергия, генерируемая фотоэлектрическими установками, в некоторых странах, даже без традиционных льгот и преференций, способна конкурировать с электроэнергией, получаемой за счет сжигания углеводородного сырья.

И еще. Есть определенная логика в рассуждениях отдельных ученых, когда, анализируя циклы повторяющихся глобальных экономических кризисов, они приходят к выводу, что поиск выхода из разрушительного кризиса вполне закономерно приводит мировое сообщество к освоению технологий принципиально нового поколения, иначе говоря, к новому этапу научно-технического прогресса, обеспечивающего более динамичные и более экономичные темпы роста производства.

В этой связи нетрудно сделать вывод о том, что выход из все еще продолжающегося глобального кризиса, начавшегося в 2008 году, во многом зависит от того, насколько быстро мы сможем перейти к новой фазе технологического прорыва, в первую очередь в сфере энергетики.

Речь также идет о том, что сегодня одним из основных препятствий для восстановления экономик развивающихся стран являются необоснованно высокие цены на традиционные энергоресурсы, прежде всего на нефть. Массовое внедрение экономически эффективных источников фотоэлектрической энергии позволит в перспективе оптимизировать цены на нефть, что станет стимулирующим фактором для ускоренного роста развивающихся стран, которые сегодня вынуждены тратить свои ограниченные валютные ресурсы на импорт углеводородного сырья. Таким образом, солнечная энергетика может и должна стать одним из локомотивов выхода из кризиса.

Уважаемые участники Форума!

Позвольте очень коротко остановиться на той работе, которая ведется в Узбекистане по использованию энергии Солнца для энергетических целей, и на факторах, обуславливающих необходимость расширения масштабов и практической направленности этих процессов.

В первую очередь, это диктуется устойчиво высокими темпами развития, а также кардинальными структурными преобразованиями, диверсификацией и модернизацией экономики, опережающим ростом промышленной индустрии, формированием в стране мощного современного газохимического комплекса, оснащенного самыми передовыми технологиями по глубокой переработке нефтегазовых и других сырьевых ресурсов.

Достаточно отметить, что, несмотря на негативное воздействие мирового финансово-экономического кризиса, валовой внутренний продукт Узбекистана за последние шесть лет растет ежегодными темпами более 8 процентов.

За 2000-2013 годы он возрос в 3,8 раза, а валовой продукт на душу населения - в 3,2 раза.

По оценкам международных финансовых институтов, такие же высокие темпы роста экономики Узбекистана сохранятся в ближайшей перспективе.

Как показывают расчеты, с учетом высоких опережающих темпов развития промышленной индустрии потребности страны в электроэнергии в 2030 году возрастут против текущего года примерно в 2 раза и составят свыше 105 миллиардов кВт*ч.

Говоря о потенциале и перспективах развития солнечной энергетики в Узбекистане, хотел бы подчеркнуть следующее.

В первую очередь, по географическому положению и климатическим условиям Узбекистан располагает для этого исключительно благоприятными возможностями.

По количеству солнечных дней в году, а это более 320 дней, наша страна превосходит многие регионы мира.

По оценкам Азиатского и Всемирного банков, валовой потенциал солнечной энергии в Узбекистане превышает 51 миллиард тонн нефтяного эквивалента.

За счет этих ресурсов, по расчетам экспертов, можно произвести электроэнергию, в 40 раз превышающую объемы годового потребления электроэнергии в нашей стране в текущем году.

Исследования в области использования солнечной энергии получили большое развитие в Узбекистане в 80-х годах прошлого столетия, когда был построен не имеющий аналогов в Азии научно-экспериментальный центр НПО "Физика-Солнце" Академии наук республики, разработки которого получили известность далеко за пределами нашей страны.

Участники Форума имели возможность познакомиться с этим центром - насколько я знаю, это предусмотрено программой заседания.

В состав научного комплекса входит большая солнечная печь с гелиоконцентратором мощностью 1 МВт, позволяющая достичь температуры около 3 тысяч градусов и обеспечить производство сверхчистых материалов, проводить уникальные научные исследования и тепловые испытания.

Узбекистан сегодня располагает значительным потенциалом научно-технических кадров, кадрами экспериментаторов, накоплен большой объем конструкторских и технологических разработок по проектированию и использованию солнечной энергии.

На базе НПО "Физика-Солнце" совместно с Азиатским банком развития в текущем году в Ташкенте создан Международный институт солнечной энергии, призванный стать региональным центром для проведения научных и научно-экспериментальных исследований, результаты которых могут быть реализованы в качестве перспективных технологий использования солнечной энергии.

Совместно с АБР мы приступили к реализации пилотного проекта по строительству солнечной фотоэлектрической станции мощностью 100 МВт в Самаркандской области. За короткий промежуток времени подготовлена проектно-техническая документация, выделен участок размером свыше 400 гектаров, решены все практические вопросы, связанные с началом строительства объекта.

В перспективе мы намерены приступить к строительству еще нескольких крупных солнечных электростанций на основе новых высокоэффективных технологий. В этих целях совместно с АБР мы разместили в 6 регионах Узбекистана самые современные измерительные станции и осуществляем сбор всех данных, необходимых для разработки детальных проектов.

Особо хотел бы отметить, что Узбекистан располагает богатейшими запасами сырья для производства фотоэлектрических модулей и другого оборудования для солнечной энергетики.

В прошлом году совместно с южнокорейской компанией "Неоплант" мы ввели в эксплуатацию завод по производству технического кремния мощностью 12 тысяч тонн в год. В настоящее время на территории специальной индустриальной зоны "Ангрен" с участием южнокорейской компании "Шиндонг Энерком" завершается строительство второго завода по производству кремния мощностью 5 тысяч тонн в год. В перспективе эта продукция может стать источником сырья для производства высокоэффективных фотоэлектрических солнечных панелей.

В 2014 году с участием крупнейших компаний КНР мы создадим на территории свободной индустриально-экономической зоны "Навои" производство фотоэлектрических панелей первоначальной мощностью 50 МВт, а в специальной индустриальной зоне "Джизак" - предприятие по выпуску солнечных тепловых коллекторов годовой мощностью 50 тысяч единиц.

Большое внимание уделяется широкому внедрению в бытовых и жилищно-коммунальных условиях, в условиях частного домовладения элементов солнечной энергетики, формированию необходимых для этого производственных и сервисных возможностей.

По нашим расчетам, полномасштабная реализация этих технологий позволит в ближайшие годы сократить нагрузку на энергосистему на 2 миллиарда кВт*ч, обеспечить локальное производство около 2 миллионов Гкал тепловой энергии, что в совокупности обеспечит экономию энергоресурсов в эквиваленте свыше 250 миллионов долларов ежегодно.

Хочу обратить ваше внимание, что в рамках совместной с Азиатским банком развития Программы развития жилищного строительства в сельской местности мы ежегодно возводим по типовым проектам более 10 тысяч современных индивидуальных жилых домов общей площадью свыше 1,5 миллиона квадратных метров.

В рамках указанной программы мы предусматриваем приступить к массовому строительству технически передовых энергоэффективных домов с внедрением технологий солнечной энергетики, в том числе используя опыт наиболее продвинутых в этом отношении стран Европы и Азии.

В течение ближайших лет мы планируем экспериментально оснастить солнечными коллекторами 1300 общеобразовательных школ и колледжей, расположенных преимущественно в отдаленной и труднодоступной местности, а также средние специальные учебные заведения. В более чем 600 врачебных пунктах в сельской местности будут установлены фотоэлектрические панели.

Обобщая сказанное, у нас есть все основания для того, чтобы утверждать, что проблема использования солнечной энергии на современном этапе развития из области научных изысканий и опытных разработок устойчиво переходит в сферу практического применения, а солнечная энергетика, как и другие виды возобновляемой энергии, становится вполне конкурентоспособной, одним из самых чистых видов, методов и способов получения энергии.

Пользуясь этой возможностью, с большим удовольствием хочу высказать слова признательности всем вам, собравшимся в этом зале, в вашем лице всем, кто вносит свой достойный вклад в дело использования солнечной энергии во имя высоких и благородных целей современной цивилизации.

Уважаемые друзья! Дорогие гости!

Я надеюсь, что, несмотря на короткое время вашего пребывания в Узбекистане, вы почувствуете наше узбекское восточное гостеприимство, наше уважение к вам.

Больших вам удач в ваших начинаниях.

Успехов в работе Азиатского форума солнечной энергии.

Здоровья вам и всяческих благ.

Глава 1. Анализ современной состояний энергосберегающего инвертора

1.1 Классификация инверторов

Автономные инверторы - устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку. В этом главное отличие автономных инверторов от ведомых инверторов, также преобразующих постоянный ток в переменный, но работающих на сеть переменного тока. Нагрузкой автономного инвертора может быть единичный потребитель (асинхронный двигатель, электрическая установка) или разветвленная сеть потребителей.

Основой автономного инвертора является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным и трехфазным схемам. Модель однофазного мостового инвертора, в которой вентили заменены ключами, показана на рис. 1,а.

В качестве ключей в автономных инверторах служат транзисторы и одно- или двухоперационные тиристоры. При использовании одно-операционных тиристоров схему дополняют элементами, предназначенными для коммутации тиристоров. Одним из главных элементов является конденсатор. Важно отметить, что назначения конденсаторов может не ограничиваться лишь запиранием тиристоров. Конденсаторы могут применяться для формировании кривой выходного напряжения инвертора и определять характер процессов, протекающих в схеме. В связи с этим схемы автономных инверторов подразделяют на автономные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ) и автономные резонансные инверторы (АИР).

Особенности АИН рассмотрим на примере однофазной мостовой схемы, где вентили простоты представлены ключами (рис. 1,а). Источник питания Е здесь работает в режиме источника напряжения (например аккумуляторная батарея), чем и обусловливается название инверторов этого типа. При питании схемы от выпрямителя на входе АИН включают конденсатор большой емкости с целью шунтирования источника питания по переменному току для придания ему свойств источника напряжения. Формирования кривой выходного напряжения осуществляется путем использования соответствующего закона переключения тиристоров. При наиболее простом алгоритме поочередно переключаются накрест расположенные ключи - сначала включены ключи К₁, К₂, затем ключи К₃, К₄. кривая выходного напряжения состоит из последовательности двух полярных импульсов с амплитудой, равной Е (рис. 1,б). Ток в нагрузке определяется кривой выходного напряжения и характером нагрузки. В случае применения одно операционных тиристоров в инвертор должны входить коммутационные узлы, основанные на принципе принудительной

конденсаторной коммутации. При использовании двух операционных тиристоров и транзисторов отличие заключается лишь в отсутствии узлов принудительной коммутации.

а)

Рис.1. Модель ключевой схемы однофазного мостового автономного инвертора.

В конденсатор подключают параллельно нагрузки, а источник питания работает в режиме источника тока. Такой режим создается путем включения в цепь источника питания дросселя L_d с большой индуктивностью (рис. 1,а). Кривая выходного напряжения формируется при поочередной проводимости ключей, расположенных по диагонали. Конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, участвует в формировании кривой выходного напряжения и обеспечивает запирание тиристоров. Кривая напряжения в простейшем случаи состоит из участков экспонент заряда и разряда конденсатора (рис. 1,в). Инверторы тока выполняются только на одно операционных тиристорах.

В АИР конденсатор можно включать последовательно с нагрузкой или параллельно ей. Характер протекающих процессов в главных цепях ключевой схемы обусловливается колебательным процессом перезаряда конденсатора в цепи с источником питания и индуктивностью, специально введенный или имеющийся в составе нагрузки, в связи с чем ток в цепи нагрузки (рис. 1,г) приближается по форме к синусоиде. АИР обычно выполняют на однополярных тиристорах. Помимо формирования кривой тока (напряжения) нагрузки конденсаторы здесь осуществляют операцию запирания тиристоров. Основные области применения автономных инверторов следующие:

1) питания потребителей переменного тока (АИН, АИТ) в устройствах, где единственным источником энергии является аккумуляторная батарея, а также резервное питания ответственных потребителей при возможном отключении сети переменного тока;

2) электротранспорт (АИН, АИТ), питающийся от контактной сети или какого-либо источника постоянного тока, где в качестве тяговых электродвигателей желательно иметь простые, надежные и дешевые короткозамкнутые асинхронные двигатели;

3) электропривод с асинхронными и синхронными двигателями (АИН, АИТ), где инвертор служит источником регулируемых напряжения и частоты;

4) преобразователи постоянного напряжения одной величины в постоянного напряжения другой величины (АИН, АИТ, АИР);

5) устройства для получения переменного тока (АИН, АИТ, АИР) необходимых частоты от источников прямого преобразования энергии, вырабатывающих энергию на постоянном токе;

6) электротермия (АИТ, АИР) для получения переменного тока повышенной частоты.

В отдельных случаях к автономным инверторам предъявляется требования в отношении не только прямой передачи энергии от источника питания в нагрузку, но и обратной передачи энергии от нагрузки в источник питания, что, в частности, необходимо для реализации рекуперативного торможения асинхронных двигателей.

А также автономных инверторов можно классифицировать по двум признакам: по схеме преобразовании; по способу коммутации.

Различают следующие схемы преобразовании: 1) одно вентильная (рис.2,а);

2) однофазная с нулевым выводом (рис.2,б); 3) однофазная с нулевым выводом источника питания (рис.2,в); 4) однофазная мостовая (рис.2,г); 5) трехфазная мостовая (рис.2,д); 6) трехфазная с нулевым выводом (рис.2,е);

Все остальные схемы являются производным перечисленных групп. Третья, четвертая и пятая схемы могут быть с трансформаторным или бестрансформаторным выходом, вторая и шестая - только трансформаторным выходом, если нет вывода нулевой точки нагрузки.

По способу коммутации автономные инверторы можно разделить на несколько групп.

1. Инверторы, полностью коммутируемые по управляющим цепям (инверторы на запираемых тиристорах и силовых транзисторах).

2. Параллельные инверторы, в которых коммутирующий конденсатор включается параллельно нагрузке. Для обеспечения баланса реактивной мощности в цепи инвертор - нагрузка, при индуктивном характере последней, используется либо коммутирующий конденсатор, либо источник питания, если в схеме имеется обратный выпрямитель. В соответствии с этим параллельные инверторы можно разделить на:

а) инверторы с компенсацией реактивной мощности(рис.3);

б) инверторы с возвратом реактивной мощности(рис.4);

в) инверторы с коммутацией высшими гармониками;

Рис.2. Схемы преобразования (на схемах не показаны коммутирующие элементы).

3. Последовательные инверторы, в которых резонансная цепочка LC, обеспечивающие коммутацию, включается последовательно с нагрузкой.

Рис.3. Инверторы с компенсацией реактивной мощности.

Рис.4. Инверторы с возвратом реактивной мощности.

4. Инверторы с двухступенчатой коммутацией, в которых кроме рабочих тиристоров имеются вспомогательные тиристоры, входящие в состав колебательных контуров включения. Запирание рабочего тиристора происходит при включении вспомогательного тиристора, подключающего колебательный контур, изменяющий полярность напряжения на тиристоре, который необходимо выключить. Момент включения очередного тиристора может быт смещен относительно момента выключения ранее работавшего рабочего тиристора, что позволяет осуществлять в инверторах с двухступенчатой коммутацией время - импульсную или широтно - импульсную модуляцию выходного напряжения.

Инверторы с двухступенчатой коммутацией можно разделить на:

а) инверторы с групповой емкостной или трансформаторной коммутацией;

б) инверторы с коммутирующим устройством для каждого рабочего тиристора;

в) инверторы с коммутацией по цепи питания основного источника;

Несмотря на увеличения числа тиристоров, инверторы с двухступенчатой коммутацией имеют следующие преимущества перед остальными типами: минимальную установленную мощность коммутируемых конденсаторов и дросселей, почти полное разделение коммутацию тока в широком диапазоне изменения частоты, величины и характера нагрузки; возможность изменения длительности интервала проводимости рабочих тиристоров, что позволяет исключить автономный регулятор напряжения.

5. Инверторы с “феррит - конденсаторной ” коммутацией. Коммутация в инверторах осуществляется при помощи конденсатора и дросселя с насыщающимся сердечником, подключенным параллельно тиристору (рис.5). Существует схемы, обладающие одновременно признаками разных групп, например, последовательно - параллельные инверторы, в которых коммутирующие конденсаторы включены параллельно и последовательно с нагрузкой.



Рис.5. Способ коммутации тиристоров в автономных инверторах.

1.2 Регулирование и улучшения качества выходного напряжения инверторов

Регулировать либо стабилизировать выходное напряжения инвертора можно амплитудным, фазовым, широтным и широтно - импульсным способами.

Амплитудный способ регулирования с помощью управляемого одно - или трехфазного выпрямителя, питающего инвертор, имеет ряд недостатков. При глубоком регулировании коэффициент мощности со стороны питающей сети резко снижается; для сглаживания пульсаций необходимо иметь фильтр с большим коэффициентом сглаживания, что увеличивает массу, размеры и ухудшает динамические показатели инвертора.

При использовании тиристорного импульсного регулятора постоянного тока на входе инвертора с нерегулируемым первичным источником питания рабочую частоту можно выбрать выше частоты первой гармоники выпрямленного напряжения при питании выпрямителя от сети. Это значительно снижает размеры сглаживающего фильтра и улучшает быстродействия системы. Коэффициент мощности преобразователя со стороны питающей сети значительно лучше, чем при регулировании выпрямителем. Импульсный регулятор может выполнять функции быстродействующего выключателя при перегрузках и срывах инвертирования.

Вольтодобавочное устройство, применяемое при амплитудном способе регулирования, представляет собой автономный инвертор, выполненный по одной из приведенных схем. Напряжения на вторичной обмотке трансформатора вольтодобавочного инвертора рассчитывают, исходя из диапазона регулирования выходного напряжения. Вольтодобавочное устройство можно включать последовательно или параллельно основному инвертору. При последовательно включении КПД всего устройства выше, а габаритные размеры фильтра при одинаковых пульсациях меньше, чем при параллельно включении. Выходного напряжения вольтодобавочное устройство можно регулировать с помощью управляемого выпрямителя, включенного на выходе инвертора, однотактного ключа, или по цепям управления вольтодобавочное устройство. Установленная мощность вольтодобавочное инвертора незначительна при небольшом диапазоне регулирования выходного напряжения.

Амплитудный способ регулирования можно также осуществить изменением коэффициентом трансформации выходного трансформатора, применением на выходе инвертора насыщающихся реакторов, магнитных усилителей, индукционных регуляторов.

Фазовый способ регулирования реализуется с помощью дополнительного инвертора, тиристорного регулятора переменного напряжения, обратного управляемого выпрямителя, дополнительных регулируемых реактивных элементов, вводимых в состав нагрузки. Регулирования напряжения в схемах с дополнительным инвертором, выходные обмотки трансформатора которого включены последовательно с обмотками трансформатора основного инвертора (рис.6), достигается изменением угла сдвига фаз импульсов управления дополнительного инвертора относительно основного.



Рис.6. Инвертор с геометрическим суммированием напряжений.

Битиристорные регуляторы переменного напряжения включается последовательно с нагрузкой.

Принцип регулирования с помощью обратного управляемого выпрямителя (рис.7а) заключается в следующем. При колебаниях выходного напряжения или при изменении нагрузки система автоматического регулирования изменяет угол регулирования обратного выпрямителя(V5-V8), что приводит к изменению потребляемой реактивной и активной мощности, а следовательно, и к изменению напряжения на нагрузке. Индуктивности L_в в цепи выпрямителя выполняют роль фильтра. Применять трехобмоточный трансформатор не обязательно. Выпрямитель может подключатся к отпайкам инверторного трансформатора.

Рис.7. Инвертор тока с обратным выпрямителем (а) и с регулируемой индуктивностью (б).

Чтобы регулировать выходное напряжения параллельного инвертора тока при неизменном входном напряжении, необходимо изменять угол в, т.е. изменять угол сдвига фаз между током и напряжением на выходе инвертора. Это можно осуществить с помощью индуктивности L_р (рис.7б) включенный параллельно нагрузке через встречно - параллельные тиристоры V5 и V6. Изменяя угол регулирования тиристоров, можно регулировать величину эквивалентной индуктивности, а следовательно, и угол в.

При широтном и широтно - импульсном способах регулирования выходное напряжения функции инвертирования и регулирования совмещены в одной силовой части, что позволяет увеличить КПД, уменьшить габаритные размеры и массы всего устройства. Сущность способов: в процессе работы инвертора изменяется длительность включенного и выключенного состояния рабочих тиристоров, что изменяет напряжения на выходе инвертора. Способы применимы только для инверторов напряжения. В автономном инверторе напряжения, выполненном по схеме на рис. 8, при регулировании система управления должна допускать временной сдвиг моментов отпирания тиристоров V4 и V3 относительно моментов отпирания тиристоров V1 и V2 на электрический угол и. Моменты отпирания тиристоров V3 и V4 всегда сдвинуты на угол р. Идеализированная форма кривой выходного напряжения показана на рис.9а.

Рис.8. Однофазный мостовой инвертор напряжения с коммутирующем двух обмоточным дросселем.

Увеличивая угол и от нуля до р, можно регулировать выходное напряжения от максимального значения, определяемого U_d, до нуля. Однако при увеличении угла и изменяется относительное содержания высших гармонических составляющих в кривой выходное напряжения и для обеспечения его синусоидальности при больших и требуется применения более громоздких фильтров, поскольку амплитуды высших гармоник становятся сопоставимыми с амплитудой основной гармоники.

Рис.9. Широтная и широтно - импульсная модуляция выходного напряжения.

Гармонических состав выходного напряжения можно улучшить, если кривую выходного напряжения формировать из пакета импульсов. (см. рис.9б,в). Таким образом можно исключить все гармоники с частотами ниже частоты следования импульсов. Длительность импульсов в порядки их следования может модулироваться по любому, в частности синусоидальному закону как показано на рис.9в. Регулируется напряжение одновременным изменением длительности всех импульсов при поддержании неизменной частоты повторения импульсов. Возможно также изменение частоты следования импульсов, причем ее можно синхронизировать с основной рабочей частотой инвертора, а можно задавать независимо.

Способы широтно - импульсной модуляции (ЩИМ) наиболее просто реализуется в инверторах напряжения с индивидуальной коммутацией. При этом кривая выходное напряжения будить содержать высокочастотные гармоники, которые легко отфильтровать. Однако система управления инвертором получается громоздкой, а высокая частота переключений тиристоров приводить к увеличению коммутационных потерь.

Одним из важных вопросов является улучшения формы кривой выходного напряжения автономных инверторов. Наиболее просто получить синусоидальное выходного напряжения, применяя электрические фильтры: внутренние или внешние. Внутренняя фильтрация может осуществляться в последовательных и параллельных инверторах тока. В последовательных инверторах конденсатор и дроссель, необходимые для коммутации, обеспечивает также фильтрацию. Если мощность последовательного колебательного контура велика по сравнению с мощностью нагрузки и величина и характер нагрузки изменяются незначительно, форма кривой выходного напряжения близка к синусоидальной. Последовательное соединение коммутирующего конденсатора и дросселя образует резонансный контур, который имеет большое сопротивление для высших гармоник и малое - для основной.

В параллельном инверторе тока фильтрацию обеспечивающую получение близкого к синусоиде выходного напряжения, можно осуществить коммутирующим конденсатором и реактором в цепи источника постоянного тока. В инверторах напряжения синусоидальность выходного напряжения обеспечивается с помощью внешних фильтров (рис.10). Параллельный элемент фильтра увеличивает общий ток нагрузки инвертора, последовательный - увеличивает потери выходного напряжения от тока нагрузки, проходящего через него. К основным недостатком простых LC-фильтров (рис.10а) относятся падения напряжения на дросселе за счет тока конденсатора. Резонансные контуры в последовательном и параллельном элементах позволяют частично компенсировать указанные недостатки. Например, последовательный контур L1C1 (рис.10б), настроенный в резонанс на основную частоту, сводит до минимума падения напряжения от тока основной частоты. Параллельный резонансный контур (рис.10в), представляющий большое сопротивление току основной частоты и малое - току высших частот, служит для уменьшения дополнительной нагрузки на основной частоте. Наилучшими фильтрующими свойствами обладают полосовые фильтры (рис.10г), передающие в нагрузку первую гармонику практически без ослабления и максимально ослабляющие высшие гармоники. Оба звена фильтра настраиваются на первую гармонику выходного напряжения. Общим недостатком рассмотренных фильтров является их большая установленная мощность, а следовательно, большие габаритные размеры и масса.

Для обеспечения более высоких коэффициентов фильтрации применяют многозвенные фильтры. Коэффициент фильтрации увеличивается с увеличением количества звеньев в фильтре. Однако в большинстве фильтров потребность в ослаблении гармоник удовлетворяется не более чем двумя звеньями. Поэтому, если коэффициент фильтрации меньше 26, то применяют однозвенный фильтр, а если больше, то многозвенный.

Удовлетворительную фильтрацию при относительно небольших габаритных размерах фильтра обеспечивает однозвенный фильтр с последовательным резонансным контуром (рис.10д). форма напряжения на нагрузке тем ближе к синусоидальной, чем больше волновое сопротивление с_к= L_к / C_к . Однако с увеличением с_к растут активные потери в резонансном контуре, определяемые в основном потерями в стали дросселя фильтра. Включения фильтра влияет на форму выходного напряжения, которая зависит от величины и характера нагрузки. В инверторах с регулируемой частотой выходного напряжения необходимо перестраивать фильтры с изменением частоты.



Рис.10. Электрические фильтры, применяемые для улучшения гармонического состава выходного напряжения инверторов.

Векторный способ синтезирования синусоидального напряжения заключается в том, что выходное напряжения преобразователя формируется из выходных напряжений нескольких инверторов, имеющих соответствующие фазу и частоту и включенных последовательно на стороне переменного тока. При таком способе можно получить на выходе синусоидальное напряжения выходных цепей инверторов. Вариант схемы выбирается с учетом различных факторов: массы, количества вентилей, удобства построения системы управления, точности аппроксимации выходного напряжения. При отсутствии выходных фильтров масса и габаритные размеры установки уменьшается, улучшаются переходные процессы, уменьшается выходное сопротивление, повышается симметрия трехфазного напряжения. Наиболее удобно инверторы с векторным синтезированием строить на запираемых тиристорах и транзисторах. Инверторы на обычных тиристорах значительно усложняют схему и увеличивают массу и габаритные размеры устройства. К недостаткам подобных инверторов можно отнести усложнение схем управления.

На рис.11а показана схемная реализация векторного способа получения синусоидального напряжения с помощью двух трехфазных инверторов, состоящих из однофазных мостов.

Каждый выходной трансформатор инверторов (II - II') имеет две выходные обмотки. Вентили в инверторах II , II' отпираются со сдвигом на 30 эл. град по отношению к соответствующим вентилям инверторов I и I'. Коэффициент трансформации на одну вторичную обмотку в 1.7 раз меньше коэффициента трансформации трансформаторов инвертора I и I'.

Порядок соединения выходных обмоток иллюстрируется векторной диаграммой. Выходное напряжения инвертора не содержит гармоник ниже одиннадцатой при любом угле регулирования и каждого из однофазных мостов, выходящих в схему. На рис.11б, показаны идеализированные кривые выходного напряжения отдельных инверторов и напряжения на нагрузке для и=60?. Коэффициент трансформации трансформаторов инверторов I и I' принят равным 1.

Рис.11. Получение синусоидального напряжения с помощью двух трехфазных инверторов (а) и кривые напряжения на выходе каждого инвертора и на нагрузке (б).

Для такого преобразователя коэффициент гармоник выходного напряжения приблизительно равен 15%, действующие значения ступенчатого напряжения и его первой гармоники отличаются примерно на 1%.

На рис.12 показана схема инвертора, состоящая из двух трехфазных мостов (ИН1, ИН2). Выходные обмотки трансформатора Т1 и Т2 включены по схеме зигзаг, причем коэффициент трансформации Т2 в 3 раз меньше, чем коэффициент трансформации Т1. В выходном напряжении преобразователя отсутствует гармоники, кратные трем, а также пятая и седьмая, коэффициент гармоник приблизительно равен 15%.

В автономных инверторах тока переход к много фазным схемам с большим числам коммутации вентилей за период также дает возможность радикального улучшить форму кривой выходного напряжения путем исключения гармоник низкого порядка.

Рис.12. Схема составного трехфазного инвертора с соединением обмоток одного из выходных трансформаторов в зигзаг.

Получить синусоидальное выходное напряжения можно, если складывать прямоугольные напряжения различных частот. Это достигается тем, что инвертор напряжения основной частоты на стороне переменного тока соединяется последовательно с инверторами, работающими на частотах 3f_1, 5f_1, … и имеющими соответствующие фазу и амплитуду выходного напряжения, так, чтобы результирующее напряжения было близко к синусоидальному (рис.13). число исключенных гармоник зависит от числа включенных последовательно инверторов. Однако установленная мощность такого преобразователя получается большой, и возникает необходимость в обеспечении синхронной работы инверторов.



Рис.13. Преобразователь с суммированием выходных напряжений инверторов, работающих с кратными частотами (а), и временные диаграммы напряжений (б).

При векторном способе выходного напряжения преобразователь может работать при изменении частоты в широких пределах, а также можно регулировать выходное напряжения без существенного изменения гармонического состава кривой выходного напряжения.

Содержание высших гармоник в выходном напряжении инверторов можно снизить, используя импульсную модуляцию прямоугольного напряжения по синусоидальному закону. Точность отображения синусоидального сигнала зависит от вида модуляции.

В однофазном мостовом инверторе можно улучшит гармонический состав выходного напряжения способом двух полярной ШИМ. Этот способ при четырех дополнительных коммутациях в течении полупериода дает возможность исключить две гармоники.

Для исключений третьей и пятой гармоник необходимо, чтобы выполнялись условия Ь₁=23,62 ?, а Ь₂=33,30 ? . Для исключения пятой и седьмой гармоник необходимо, чтобы Ь₁=16,25 ?, а Ь₂=22,07 ? .

Гармоники от седьмой и выше имеют большую амплитуду, чем при прямоугольной форме волны, однако высокая частота этих гармоник позволяет легко отфильтровать их. Выбирая определенное число переключений за полупериод, можно исключить и другое число гармоник.

Выходное напряжения регулируется соединением выходов двух инверторов последовательно со сдвигом импульсов управления друг относительно друга на регулируемой угол и. При отсутствии третьей и пятой гармоник во всем диапазоне регулирования амплитуда первой гармоники U_m1=(4U_d/р) *0.839cos(и/2).

На рис.14, показана кривая выходного напряжения, сформированная из однополярных импульсов, длительность которых изменяется по синусоидальному закону. Преимуществами ШИМ являются: простота схемы силового каскада инвертора, получения низких частот, включая и нулевую.

Рис.14. кривая выходного напряжения, сформированная способом однополярной широтно - импульсной модуляции.

К недостаткам ШИМ относятся: сложность цепей управления преобразователя и высокая частота переключений запираемых тиристоров и транзисторов, в результате чего снижаются энергетические показатели преобразователя. Близкое к синусоидальному выходное напряжения можно получить при использовании замкнутых импульсных систем автоматического регулирования. На рис.15 показана одна из возможных функциональных схем такой системы. Задающий генератор ЗГ вырабатывает эталонный синусоидальный сигнал, частота и форма которого должны воспроизводится в блоке нагрузки БН преобразователя. Орган сравнения ОС сопоставляет мгновенные значения эталонного и выходного напряжений, и сигнал рассогласования поступает в систему управления СУР импульсного регулятора Р, который изменяет напряжения, подаваемый на инвертор И. Форма кривой выходного напряжения «следит» за формой эталонного синусоидального напряжения. Кроме того, в систему автоматического регулирования входят: источник питания ИП, сглаживающий фильтр Ф и система управления инвертором СУИ.