Проектирование энергосберегающего инвертора на основе современной элементной базы

Задающее генераторы. К задающим генераторам относятся устройства для создания стабильной опорной или регулируемой частоты. Диапазон частот задающих генераторов может быть от долей и единиц герц до 10 кГц и более. Частота выходного напряжения преобразователя определяется частотой задающего генератора, обычно стабильность частоты генераторов должна быть порядка 0,5…2%. Этому требованию удовлетворяет схема LC-генератора. Как правило, следующие за генератором устройства требуют импульсных сигналов, поэтому синусоидальные сигналы генератора преобразуется в импульсные генераторы, а также генераторы с дросселями насыщения. Если необходимо иметь стабильность 0,1…0,01%, применяют генераторы с кварцевыми резонаторами (рис.5.18). Роль задающего контура выполняет кварцевый резонатор Z. Напряжения питания транзисторов стабилизируется стабилитроном V1. Каскад на транзисторе V2 работает в режиме эмиттерного повторителя. Транзистор V3 поставлен в режим ограничения. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы. Задающие генераторы могут выполняться многофазными, что в ряде случаев позволяет упростить систему управления.

Рис. Задающий генератор с кварцевым резонатором.

Изменение частоты или коэффициента заполнения в генераторах чаще всего осуществляется либо изменением сопротивления схемы, либо изменением напряжения (тока) входного управляющего сигнала. Показанный на рис.5.19 управляемый мультивибратор можно использовать как в качестве широтно - импульсного генератора, если изменять величины входных управляющих сигналов (напряжений u_вх1,u_вх2 ) в противоположных направлениях, так и в качестве частотно - импульсного генератора, если изменять величины входных управляющих сигналов в одном направлении. Собственно мультивибратор выполнен на транзисторах V2, V3, а в качестве разрядных цепей используется управляемые коллекторно - эмиттерные цепи дополнительных транзисторов V1, V4.

Рис. Управляемый мультивибратор.

Временное распределение импульсов по синусоидальному закону можно осуществить наложением низкочастотного напряжения u₁ синусоидальной формы на высокочастотное напряжение u₂ треугольной формы (рис.5.20). Такой задающий генератор состоит из генератора синусоидального напряжения, генератора напряжения треугольной формы, сравнивающего устройства и ключевых каскадов, вырабатывающих импульсы в местах пересечения (моменты равенства) сравниваемых напряжений.

Для получения нулевых и близких к нулю частот используется схемы получения разностной частоты от двух сравниваемых. С целью обеспечения реверса преобразователя выходное напряжения задающего генератора должно изменять фазу.

Распределитель импульсов служит для распределения поступающих на него импульсов по каналам управления. Чаще применяются распределители на основе двоичных элементов - триггеры и мультивибраторы. При помощи двоичных элементов, соединенных каскадно в последовательную цепь, используя обратные связи, блокировку импульсов с любым основанием.

Рис. Распределитель импульсов на логических элементах: а - функциональная схема; б - временные диаграммы работы схемы.

Для m-фазных мостовых схем инверторов требуется распределение импульсов по 2m каналам. На рис.5.21 показана схема распределителя импульсов на логических элементах по шести каналам для трехфазной системы. Распределитель состоит из триггеров D1…D3, схемы ограничения счета (логических элементов 1…9) и дешифратора (логических элементов 10…15). Прохождения тактового импульса элемент 4 зависит от состояния триггера запрета, выполненного на логических элементах 1 и 6. Если с элемента 1 на вход элемента 5 подается «единица», то на входе элемента 4 появляется «нуль», и тактовый импульс с выхода элемента 4 поступает на счетный вход триггера D1. Запрет счета осуществляется при поступлении на вход элемента 3 импульса с выхода 6 дешифратора. При этом на входе элемента 1 устанавливается «единица», а на выходе - «нуль»; на вход элемента 4 поступает с элемента 5 «единица» и тактовый импульс на счетный вход триггера D1 не проходит. Одновременно с выхода элемента 8 на установочные входы триггеров D1… D3 подается импульс сброса счетчика. Таким образом, каждым шестым тактовым импульсом счетчик устанавливается в «нуль», и счет начинается снова.

Преимуществом схем на логических элементах является возможность при незначительном усложнении схемы осуществляет управление в режимах пуск, реверс и т.п. Качественные показатели таких схем определяются, в основном качеством (надежность работы, помехоустойчивость) двоичных элементов. Широко применяются также регистры сдвига на тиристорах, в которых совмещаются функции распределителя и выходного устройства. Применяются для распределения импульсов регистры сдвига на магнитно-транзисторных элементах, схемы с несколькими устойчивыми состояниями и др.

Специальные устройства систем управления служит для обеспечения специфичных режимов работы преобразователей. К таким режимам относятся пуск и останов, реверс, ограничения углов регулирования и некоторые другие. Специальные устройства по принципу работы являются логическими и выдают определенные сигналы в виде напряжений, токов или системы импульсов по определенной программы, командам ручного управления или сигналам датчиков в зависимости от алгоритма работы преобразовательного устройства.

3.2 Принцип построения системы управления

Задача системы управления тиристорных преобразователей - выработка и передвижение во времени ряда последовательностей переключающих импульсов с целью регулирования параметров преобразователя в соответствии с управляющим сигналом; обычно это связано с изменением угла регулирования б. Система управления определяет важнейшие технические характеристики преобразователя.

Рис. Структурная схема системы автоматического регулирования

Структурная схема системы авторегулирования показана на рис.35. Система является совокупностью отдельных элементов или устройств, направленно воздействующих друг на друга и выполняющих каждое в отдельности определенную задачу. Объектом регулирования системы ОРС является силовая схема преобразователя. Объект регулирования характеризуется регулируемой величиной Р (чаще всего это напряжения или ток, но может быть частота, температура, скорость и др.) , которая может изменятся при изменении нагрузки, момента на валу двигателя, температуры окружающей среды и т.п. (внешнее возмущение М). Датчик Д выдает сигнал ц, пропорциональный регулируемой величине. В сравнивающем устройстве величина ц сравнивается с заданным значением б₀, поступающим от источника управляющего (задающего) воздействия ИУВ. Сигнал рассогласования х, пропорциональной величине б₀ - ц, управляет работой исполнительного устройства ИУ с целью устранения или сведения к минимуму разности б₀ - ц, что достигается изменением угла регулирования. Работа исполнительного устройства синхронизируется сигналом F от источника синхронизирующего воздействия С. В качестве такого источника может быть специальный генератор (для автономно работающих систем), входная сеть преобразовательного устройства (например, в выпрямителях), выходная сеть преобразовательного устройства (в инверторных схемах с самовозбуждением) и т. п. В преобразовательных устройствах широко применяются системы стабилизации напряжения или тока, а также системы с регулированием по заранее заданной программе, сигналам специальных датчиков, внешним сигналам.

Системы управления могут выполняться на электромагнитных элементах (магнитные усилители, пик - дроссели, пик - трансформаторы), полупроводниковых (транзисторы, тиристоры) и других электронных приборах. Электромагнитные системы управления широко применяются в ионных преобразователях. Системы достаточно просты и надежны, но трудоемки в производстве, и себестоимость их довольно высока ввиду большого объема моточных работ, специальных способов отжига сердечников и т.д. В отечественной и зарубежной практике системы управления полупроводниковых преобразователей выполняются, главном образом, на полупроводниковых приборах. Выходные каскады системы управления в тех случаях, когда необходима повышенная мощность (включение группового соединения большого количества тиристоров), часто выполняются на тиристорах. Применение интегральных микросхем позволяет существенно сократить потребления энергии и уменьшить габаритные размеры систем управления, создает возможность глубокого резервирования в необходимых случаях.

Система управления в зависимости от назначения делятся на системы управления выпрямителями, инверторами, преобразователями частоты и т.п. Каждая из систем в зависимости от метода обработки информации может быть выполнена аналоговой или цифровой. Независимо от принципов построения системы сами тиристоры являются элементами дискретными и в процессе работы включаются через определенные интервалы времени, в течении которых обратная связь в цепи регулирования разомкнута.

Рис. Одноканальной (а) и многоканальной (б) способы сдвига управляющих импульсов.

Поскольку все схемы управления тиристорами построены на принципе фазового управления, то главным функциональным узлом системы управления является фазосдвигающее устройства (ФСУ), а остальные узлы системы являются подчиненными, вспомогательными. В зависимости от способа получения сдвига управляющих импульсов различают системы управления одно - и многоканальные, построенные по «горизонтальному» и «вертикальному» принципам. В одноканальной системе управления сдвиг всех управляющих импульсов (для всех каналов управления) осуществляется в одном общем ФСУ. Распределяются импульсы коммутатором (рис.а).

В многоканальной системе управления сдвиг импульсов в каждом из k каналов осуществляется отдельным фазосдвигающим устройством (рис.б). Преимущество многоканальной системы - ее простота, однако при необходимости иметь небольшую асимметрию управляющих импульсов применение одноканальных систем предпочтительнее.

При «горизонтальном» принципе сдвиг входного синхронизирующего сигнала, обычно синусоиды напряжения входной (для выпрямителей) или выходной сети (для инверторов), осуществляется во времени (по горизонтали), а затем из него формируется прямоугольные импульсы. Простая схема с горизонтальным управлением показана на рис.а. Из векторной диаграммы (рис,б) видно, что изменение сопротивления R позволяет вращать неизменный по величине (при отсутствии внешней нагрузки) вектор выходного напряжения схемы U_вых в пределах 0…р. Напряжения U_вых поступает дальше на формирующие каскады. «Горизонтальный» принцип вследствие присущих ему недостатков (зависимость от формы и частоты питающего напряжения) не нашел широкого применения.

Рис. Сдвиг управляющего сигнала по горизонтальному принципу: а - схема; б - диаграмма напряжений

При «вертикальном» принципе управления напряжения сравнивается с опорным переменным напряжением (синусоидальным, пилообразном и т.п.), в результате чего формируется прямоугольные импульсы, положение переднего фронта которых во времени определяются моментом равенства опорного и управляющего напряжений. Изменением напряжения управления можно регулировать положения выходных импульсов для включения тиристоров. Напряжения u₂ генератора переменного напряжения ГПН (рис.), работающего в режиме синхронизации от источника синхронизирующего воздействия С(u₁) , сравнивается с напряжением управления u_у. Разностный сигнал u₃ является управляющим для ключевого каскада КК, вырабатывающего импульсы (u₄), передний фронт которых формируется в момент t₁ перехода разностного сигнала через нуль.

Рис. . Сдвиг управляющего сигнала по вертикальному принципу: а - структурная схема; б - временные диаграммы напряжений

Формирователь импульсов ФИ вырабатывает импульсы (u₅) с необходимыми параметрами, обусловленными дальнейшей схемой. При всем многообразии систем и способов управления полупроводниковыми преобразовательными устройствами строятся они на базе ограниченного числа функциональных элементов.

3.3 Разработка системы управления энергосберегающего инвертора

Работа автономного инвертора и преобразователя частоты с искусственной коммутацией во многом определяется системой управления, вырабатывающей импульсы на отпирание и запирание вентилей с частотой, равной выходной частоте схемы.

Рассмотрим типовое построение системы управления трехфазного мостового инвертора. Структурная схема управления системы (рис.а) состоит из задающего генератора ЗГ, формирователя ФИ, распределителя импульсов РИ и выходных каскадов ВК1…ВК6.

Задающий генератор выполняется либо с нерегулируемой, либо с регулируемой частотой.

Формирователь ФИ формирует из синусоидального напряжения задающего генератора ЗГ прямоугольные импульсы. Если в качестве ЗГ применяются генераторы прямоугольных импульсов, то формирователь отсутствует.

Задающий генератор и формирователь, как правило, представляют собой одноканальную систему. Для работы трехфазного мостового инвертора требуется шесть одинаковых последовательностей импульсов, сдвинутых между собой во времени на угол р/3. Поэтому задающий генератор ЗГ вырабатывает напряжения с частотой, превышающей частоту выходного напряжения инверторов в шесть раз.

Распределитель импульсов РИ распределяет поступающие на него импульсы частоты 6f по шести каналам, так что на выходе каждого канала получается частота f, а сдвиг по фазе между импульсами каналов составляет р/3.

Длительность импульса управления, подаваемого на тиристоры инвертора, должна быть достаточной для отпирания тиристора, но не более 2р/3, так как при подаче импульса управления на тиристор, например В2 (рис.) обеспечивается как его отпирание, так и запирание тиристора В1. В инверторе тока ток открывшегося тиристора не прерывается в течении периода работы данного тиристора, т. е. в течении интервала 2р/3.

В связи с тем что при запуске инвертора одновременно должны быть отперты два тиристора: один в анодной группе, а другой в катодной, то наиболее просто систему управления строить таким образом, чтобы на каждый тиристор подавались два узких импульса: один в момент вступления в работу данного тиристора, а другой с отставанием относительно первого на р/3 (рис. б).

В трехфазном инверторе напряжения с межвентильной коммутацией (рис.) ток открывшегося тиристора может прерываться в течении периода работы данного тиристора, и поэтому длительность импульса управления должна быть не менее р/3.

В транзисторных инверторах длительность отпирающих импульсов управления равна длительности отпертого состояния транзисторов (в остальную часть периода транзистор должен быть надежно заперт или источником запирающего напряжения, или импульсом управления обратной полярности). Для однофазных тиристорных инверторов напряжения с одноступенчатой коммутацией длительность импульсов управления, обеспечивающих надежную работу инвертора при изменении параметров нагрузки, должна быть не менее р/2. Однофазные инверторы тока и резонансные инверторы могут управляться короткими импульсами, длительность которых достаточна для нарастания анодного тока тиристора до тока удержания.

В трехфазном инверторе напряжения с пофазной одноступенчатой коммутацией ток через тиристор, который отперся, может прерываться, и поэтому длительность импульса управления должна быть не менее 2р/3.

При построении системы управления инверторов напряжения с с двухступенчатой коммутацией исходными являются импульсы управления коммутирующих тиристоров. При подаче импульса управления на коммутирующий тиристор на запираемом рабочем тиристоре импульс управления должен отсутствовать. Импульс управления на отпирание противофазного тиристора должен подаваться только после того, как тиристор, ранее проводивший ток, восстановит свои запирающие свойства, т. е. через интервал и_П, который зависит от структуры коммутационного узла. На рис. 5.61 в качестве примера приведены импульсы управления для инвертора. Для данного инвертора пауза и_П между отпиранием коммутирующего тиристора и рабочего должна быть не менее 3р. Система управления обеспечивает подачу импульсов управления на подзарядные тиристоры В5, В6 одновременно с импульсами управления на рабочие тиристоры В1 и В2.

Для инвертора (рис.61,в) зависимости, связывающее режим его работы с параметрами нагрузки, описываются выражениями, аналогичными выражениям (5.16) и (5.17).

; (5.133)

; (5,134)

, (5,135)

Где - реактивная мощность регулятора реактивной мощности; Р_р =0 - активная мощность регулятора реактивной мощности;

- эквивалентная индуктивность регулятора реактивной мощности; - круговая частота выходного напряжения инвертора. Структурная схема системы управления данного инвертора зависит от способа его возбуждения (рис.5,62).

Рис. Структурные схемы системы управления инвертора тока с регулятором реактивной мощности: а - с независимым возбуждением; б - с зависимым возбуждением; в, г - с комбинированным возбуждением

При независимом возбуждении система управления инвертором (И) и регулятором реактивной мощности (Р) синхронизируется от задающего генератора (ЗГ) (рис.5.62). Фазосдвигающие устройства (ФСУ1 и ФСУ2) включаются в канал системы управления инвертора и регулятора. Однако обычно ФСУ включается только в канал регулятора.

В блоках ФСУ1 и ФСУ2 производится фазовый сдвиг импульсов управления, подаваемых на вентили инвертора и регулятора, относительно фазы напряжения задающего генератора, т.е. где - фаза выходного напряжения относительно фазы напряжения ЗГ; - фаза напряжения на входе системы управления инвертора относительно фазы напряжения ЗГ; и - фаза напряжения на входе системы управления регулятора реактивной мощности относительно фазы ЗГ. Без регулирования в установившемся режиме а изменение нагрузки приводит к изменению величины и фазы выходного напряжения, а также углов и . При регулирования стабилизации выходного напряжения может осуществляться воздействием на фазу импульсов управления или регулятора реактивной мощности, или инвертора, или одновременно регулятора реактивной мощности и инвертора.

При зависимом возбуждении система управления инвертором и регулятором реактивной мощности синхронизуется от выходного напряжения (рис.б). Без регулирования при неизменном выходном напряжении, когда не изменяются углы и , увеличения как активной, так и индуктивной составляющей нагрузки приводит к изменению выходной частоты инвертора и фазы выходного напряжения. Инвертор с зависимом возбуждением обладает лучшей коммутационный устойчивостью и стабилизацией выходного напряжения по сравнению с инвертором с независимом возбуждением. При регулировании неизменность выходной частоты инвертора при зависимом возбуждении достигается воздействием на фазу импульсов управления или инвертора (при этом напряжения на выходе инвертора изменяется), или регулятора реактивной мощности (при этом напряжения на выходе инвертора неизменно), или инвертора и регулятора реактивной мощности (при этом напряжения на выходе инвертора изменяется).

При комбинированном возбуждении возможны две разновидности схем:

а) система управления инвертором синхронизуется от задающего генератора, а система управления регулятора реактивной мощности - от выходного напряжения инвертора(рисю562,в). При этом независимо от изменения нагрузки в установившемся режиме обеспечивается неизменная выходная частота, т. е. = . Выходное напряжения с изменением нагрузки изменяется согласно выражению (5.133), изменяется и фаза м выходного напряжения. При регулировании инвертора и регулятора напряжения и выходная частота не будет изменяться, а будет изменяться только фаза выходного напряжения. Данная разновидность комбинированного способа возбуждения имеет ограниченную возможность применения, так как при чисто индуктивной нагрузке система становится неустойчивой. Изменение фазы импульсов управления: 1) инвертора приводит к изменению величины выходного напряжения; фаза м выходного напряжения неизменна; 2) регулятора реактивной мощности - к стабилизации выходного напряжения; фаза м выходного напряжения неизменна; 3) инвертора и регулятора реактивной мощности - к стабилизации выходного напряжения; фаза м выходного напряжения изменяется.

б) Система управления инвертором синхронизируется от выходного напряжения, а система управления регулятора реактивной мощности - от задающего генератора (5,62,г). Без регулирования в установившемся режиме частота на выходе инвертора не зависит от нагрузки и равна частоте задающего генератора, т. е. а выходное напряжения постоянно. Такой способ возбуждения обеспечивает стабилизацию напряжения и частоты при изменении нагрузки. При этом изменяется только фаза и м выходного напряжения. Изменение фазы импульсов управления инвертора приводит к изменению величины выходного напряжения; регулятора реактивной мощности - к стабилизации выходного напряжения; инвертора и регулятора реактивной мощности - к изменению выходного напряжения. Во всех случаях фаза м выходного напряжения остается неизменной.

Рис.5,63. Структурная схема системы управления однофазного мостового инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения

На рис.5,63 представлена структурная схема преобразователя, в котором регулирование и стабилизация выходного напряжения осуществляются широтно - импульсным способом за счет изменения длительности паузы на нуле в выходном напряжении. Инвертор собран на транзисторах по однофазной мостовой схеме. Система управления преобразователя позволяет получить импульсы управления и состоит из задающего генератора (ЗГ), генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), усилителя обратной связи (УОС), компаратора (К) и счетного Т_t - триггера (Т_г), образующих широтно - импульсный модулятор (ШИМ), и выходных каскадов ВК1, ВК2.

Выходное напряжение преобразователя u_н выпрямляется выпрямителем (В) и сглаживается фильтром (Ф). В зависимости от необходимости стабилизации выходного напряжения по действующему или среднему значению элементы фильтра рассчитываются таким образом, чтобы происходило выделение соответствующего постоянного напряжения, которое через делитель Д поступает на вход усилителя обратной связи УОС. Делителем Д осуществляется регулирования выходного напряжения. Сигнал рассогласования u_УОС поступает на один вход компаратора К, представляющего собой схему, которая осуществляет переход из одного состояния в другое при равенстве входных напряжений, а на другой - напряжение u_глин с генератора линейно изменяющегося напряжения. С выхода компаратора прямоугольные импульсы u_к, коэффициент заполнения которых определяется уровнем сигнала на выходе УОС, поступают на счетный вход триггера Т_г, собранного на логических элементах И - НЕ, а затем на выходные каскады ВК1, ВК2, где формируется напряжения u_уВ1 - u_уВ4.

В качестве примера рассмотрим также принцип построения схемы управления инвертора с выборочным исключением требуемых гармоник при многократной коммутации. Система управления такого инвертора должна обеспечить: поочередное управление как рабочими, так и коммутирующими тиристорами (если применяется двухступенчатая коммутация); фазовый сдвиг импульсов управления одного инверторного блока относительно другого; определенный алгоритм работы для получения соответствующих углов дополнительных коммутаций б.

Рис. Структурная схема системы управления инвертора с выборочным исключением требуемых гармоник из кривой напряжения

На рис.5,68,а приведена структурная схема системы управления, удовлетворяющая приведенным выше требованиям. Задающий генератор ЗГ вырабатывает импульсы с частотой f_ЗГ=360/р, где р - наибольшее общее кратное между углами дополнительной коммутации и периодом выходной частоты. С выхода задающего генератора импульсы поступают на управляемый делитель частоты (ДЧ1, ДЧ2 ), коэффициент деления которого К=60/р, так как моменты дополнительных коммутаций периодически повторяется по всем трем фазам, и поэтому выборку требуемых импульсов можно производить на периоде Т/6, где Т - период выходного напряжения. С выхода делителя частоты импульсы подаются на вход дешифратора (ДШ1, ДШ2). Дешифратор позволяет выбрать необходимую последовательность импульсов управления, идущих по общему каналу управления инверторов. На диаграмме рис. 5.68,в показана последовательность импульсов, снимаемых с выхода дешифратора.

Для распределения импульсов управления по трем фазам служит распределитель импульсов (РИ1, РИ2), на вход которого поступают тактовые импульсы с выхода дешифратора. Распределитель импульсов представляет собой сдвиговый регистр, с помощью которого импульсы распределяются по трем каналам и подаются на формирователь управляющих импульсов (ФУИ1, ФУИ2).

Сдвигая систему управляющих импульсов одного канала системы управления относительно другого, можно осуществлять регулирование выходного напряжения. С этой целью необходимо иметь регулируемую задержку (СЗ) между управляющими импульсами, подаваемыми на две группы тиристоров инвертора. Тактовый импульс с выхода дешифратора первого канала, который появляется один раз за период пересчета, задерживается на необходимый интервал времени с помощью схемы задержки СЗ и устанавливает в нулевое состояние делитель частоты второго канала (ДЧ2). Таким образом, взаимный фазовый сдвиг системы управляющих импульсов обоих каналов будет определяться временем задержки и. Для обеспечения взаимного фазового сдвига в 120⁰ между выходными напряжениями формирователя управляющих импульсов в каждом канале в системы управления предусмотрена схема синхронизации (С).

Принцип построения систем управления широтно - импульсными преобразователями постоянного и переменного напряжения с искусственной коммутацией аналогичен построению систем управления инверторами и преобразователями частоты.

Выводы по 3 главе

1. Произведён анализ и предложены современное элементная база системы управления энергосберегающих инверторов, принцип построения системы управления.

2. Разработана принципиальная и функциональная схема системы управления автономных энергосберегающих инверторов.

3. В главе дается методика проектирования инверторов с промежуточно накоплением энергии, приводится алгоритм машинного проектирования.

Глава 4. Разработка энергосберегающего инвертора

4.1 Разработка функциональной схемы энергосберегающего инвертора

На рис. 4.1 приведена блок схема однофазного энергосберегающего инвертора. Блок схема однофазного энергосберегающего инвертора состоит из следующих частей. Тр - трансформатор, В - вентильный блок, Ф - фильтр, И - инвертор, Н - нагрузка, СУ - система управления.

Рис. 4.1 Блок схема однофазного энергосберегающего инвертора.

Трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно различным схемам выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора определяет значение выпрямленного напряжения в неуправляемом режиме.

Трансформатор одновременно электрически разделяет питающую сеть и сеть нагрузки. В некоторых выпрямителях наличие трансформатора не обязательно -- вентильный блок присоединяется непосредственно к сети.

Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая в каждую Данную часть периода вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке могут использоваться ионные или полупроводниковые вентили (управляемые и неуправляемые). Соотношения между напряжениями и токами на стороне сети переменного тока и в нагрузке определяются схемой выпрямления.

К основным показателям, определяющим целесообразность использования схемы выпрямления в конкретных случаях, относятся: стоимость, КПД, масса и размеры выпрямителя (зависят, в основном, от количества и параметров вентилей и от мощности трансформаторного оборудования), форма кривой выпрямленного напряжения, энергетические показатели выпрямителя со стороны сети переменного тока -- коэффициент мощности, гармонический состав тока первичной обмотки трансформатора.

Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень высших гармоник в выпрямленных напряжении и токе, т. е. оно уменьшает пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве фильтрующих устройств используются последовательно включаемые сглаживающие дроссели и параллельно включаемые конденсаторы. Для снижения уровня высших гармоник в цепи нагрузки можно также применять многофазные схемы выпрямления.

В качестве выпрямителя выбран мостовой выпрямитель. Мостовой выпрямитель состоит из двух обмоточного трансформатора и комплекта вентилей VI, V2, V3, V4. Переменное напряжение подводится к одной диагонали моста, а нагрузка подключается к другой -- между точкой соединения катодов двух вентилей, образующих катодную группу (VI, V3), и точкой соединения анодов двух вентилей, образующих анодную группу.

Рис. Однофазная мостовая схема выпрямителя.

Вентили, пропускающие ток попарно (VI-- V4 и V2-- V3), соединены между собой и с нагрузкой последовательно. В каждую пару входит один вентиль из катодной группы и один из анодной. Пропускает ток та пара, у которой в данный момент времени анод вентиля катодной группы имеет более высокий потенциал, а катод вентиля анодной группы -- более низкий. Выпрямленный ток проходит по нагрузке в течение обоих полупериодов переменного тока, вторичная обмотка трансформатора оказывается загруженной током также в течение всего периода. Вынужденного намагничивания магнитопровода у трансформатора нет.

Мостовой выпрямитель можно подключать к сети и без трансформатора, если напряжение сети соответствует заданному выпрямленному напряжению. Используя в этом выпрямителе трансформатор с нулевым выводом, можно получить два значения выпрямленного напряжения: номинальное и вдвое меньшее. Коммутация тока с одной пары вентилей на другую происходит в тот момент времени, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора проходит через нуль. Каждый вентиль проводит ток в течение половины периода (рис. 2.2, е, ж). Кривая выпрямленного напряжения в мостовом выпрямителе имеет ту же форму, что и в однофазном выпрямителе с нулевым выводом (рис. 2.2, в), поэтому выпрямленное напряжение в мостовой схеме имеет такой же гармонический состав, а его среднее и действующее значения можно определить по выражениям для однофазного выпрямителя с нулевым выводом. При отсутствии сглаживающего дросселя выпрямленный ток по форме повторяет выпрямленное напряжение (рис. 2.2,г). Если сглаживающий дроссель имеет бесконечно большую индуктивность; выпрямленный ток получается идеально сглаженным (рис. 2.2,д). Максимальное значение обратного напряжения на вентиле (рис. 2.2,з, кривая 2) равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора. В однофазном мостовом выпрямителе требуется в два раза больше вентилей, но с обратным напряжением, в два раза меньшим, чем в однофазном выпрямителе с нулевым выводом при тех же выпрямленных напряжении и токе. Сравнивая типовую мощность питающих трансформаторов для мостового выпрямителя и однофазного выпрямителя с нулевым выводом, можно отметить, что в мостовом выпрямителе эффективность использования трансформатора значительно выше.

На рис. 4.1 приведена блок схема системы управления однофазного энергосберегающего инвертора. Блок схема системы управления однофазного энергосберегающего инвертора состоит из следующих частей. ЗГ - задающий генератор, РИ - распределитель импульсов, ДУ1 и ДУ2 - дифференцирующее устройства, Ф1 и Ф2 - формирователь управляющих импульсов. На рис. 4.2 приведена временные диаграммы системы управления однофазного энергосберегающего инвертора.

Рис. 4.1 Блок схема системы управления однофазного энергосберегающего инвертора.

Задающий генератор ЗГ вырабатывает импульсы с частотой f_ЗГ=360/р, где р - наибольшее общее кратное между углами дополнительной коммутации и периодом выходной частоты (рис.4.2,а). С выхода задающего генератора импульсы поступают на распределитель импульсов (РИ) и делиться на два импульса (рис.4.2,б и в). С первого выхода распределителя импульсов подаются на вход первого дифференцирующее устройства (ДУ1) (рис.4.2,г). В результате с первого выхода дифференцирующее устройства дифференцированные сигналы формируется с Ф1- формирователь управляющих импульсов (рис.4.2,ж). Из рис.4.2,ж видно что, ширина импульсов меньше чем ширина импульсов который вырабатывает задающий генератор. Этим импульсом можно открыт тиристор. Такие узкие импульсы защищает тиристоров от перегрева. С второго выхода распределителя импульсов подаются на вход второго дифференцирующее устройства (ДУ2). В результате с второго выхода дифференцирующее устройства дифференцированные сигналы формируется с Ф2- формирователь управляющих импульсов (рис.4.2,з). С выхода системы управления формированные импульсы подаются на управляющий элемент тиристора.

Рис.4.2. Временные диаграммы системы управления однофазного энергосберегающего инвертора.

На рис.4.3 приведена принципиальная схема системы управления однофазного энергосберегающего инвертора. Где, DD1.1 и DD1.2 - задающий генератор построен на логических элементах. В виде распределителя импульсов использован триггер DD2. Первый дифференцирующий устройства построен на элементах R2C2, второй дифференцирующий устройства на элементах R3C3. Первый формирователь управляющих импульсов построен на логических элементах DD2.1 и DD2.2 и на транзисторе Т1. Второй формирователь управляющих импульсов построен на логических элементах DD2.3 и DD2.4 и на транзисторе Т2.

Рис.4.3. Принципиальная схема системы управления однофазного энергосберегающего инвертора.

4.2 Разработка принципиальной схемы энергосберегающего инвертора

На рис.4.4 представлена однофазная схема энергосберегающего инвертора. Где VD1 и VD2 - отсекающие диоды. При работе инвертора, когда зарядный ток конденсатора в течении полупериода переходить через нуль, отсекающие диоды отделяют конденсатор от нагрузки. При этом заряд конденсатора прекращается раньше, чем заканчивается полупериод, и напряжения на конденсаторе остается постоянным. При низких частотах конденсатор отключается отсекающими диодами на большую часть полупериода, что позволяет уменьшить величину емкости коммутирующего конденсатора по сравнению со схемой без отсекающих диодов. Энергосберегающий инвертор работает в следующем виде. На рис.4.5 представлена временные диаграммы энергосберегающего инвертора. От системы управления в первый полупериод в момент времени t₀ (рис.4.5,а) подается импульсы на управляющий элемент тиристора VS1. В результате этого тиристор VS1 открыт, а тиристор VS2 закрыт, потому что, от системы управления не подается импульсы на управляющий элемент тиристора VS2. В этом случае ток с источника питания проходить через первичной обмотки трансформатора W1, тиристора VS1 и дросселя L. Этот ток равен на ЭДС первичной обмотки трансформатора W1. При подаче управляющего импульса на тиристор VS2 (в момент времени t₁) последний открывается и создается пути для разряда конденсаторов, включающие нагрузку и цепь источника постоянного тока(рис.4.5,б). При открывании тиристора VS2 тиристор VS1 закрывается и к нему прикладывается в запирающем направлении конденсатора С. При следующим подаче управляющего импульса на тиристор VS1 рассмотренный процесс повторяется. В результате открывание тиристоров по очереди, меняется ток на W1 и W2 первичном обмотке трансформатора и в вторичном обмотке трансформатора W3 появляется переменный ток (рис.4.5,г). В цепь источника питания введен дроссель L_d, от величины индуктивности которого зависит устойчивая работа инвертора в заданном диапазоне частот, а также форма выходного напряжения и пульсация входного тока.

Рис.4.4. Однофазная схема энергосберегающего инвертора.

Рис.4.5. Временные диаграммы энергосберегающего инвертора.

4.3 Экспериментальное исследование энергосберегающего инвертора

1. Искажения внешних характеристик.

2. Переходные процессы.

3. Формы кривых выходных напряжений

4. з=Р_вх/Р_вых

Выводы по 4 главе

1. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям тиристорного преобразователей с отсекающими диодами, рассчитанных по разработанной методике.

2. В главе выполнен анализ перспективности использования энергосберегающего инвертора.

3. Разработана принципиальная и функциональная схема силового частя автономных энергосберегающих инверторов.

Размещено на Allbest.ru