Основные расчетные соотношения и характеристики инвертора тока параллельного типа

 

 

Рис. 3.2. Схема однофазного инвертор тока параллельного типа

 

 

Рассмотрим работу парал­лельного инвертора на примере однофазной двухтактной (мостовой) схе­мы без трансформатора, представленной на рис. 3.2. Будем считать, что сглаживающая индуктивность в цепи постоянного тока L_d настолько велика, что отсутствуют пульсации входного тока и мгновенное значение его i_d = const. На рис. 3.3 по­строены временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу рассматриваемого инвертора. Для обеспечения работы инвертора необходимо одно­временно пода­вать импульсы тока управления i _уv1, i _уv2 на управляющие элек­троды тиристоров V I, V 2, и в противофазе к ним, подавать импульсы управления i _уv3, i _уv4 на тиристоры V 3, V 4. Максимальное значение тока управления каждого тиристора должно быть меньше их тока спрямления. Выполнение указанных условий обес­печивает поочередное открытие вентилей V I, V 2 и вентилей V 3, V 4 с частотой f, определяемой частотой следования импульсов тока управления.

Предположим, что нагрузка инвертора активная (cosφ_нг=1; Z _нг= R _нг) и в некоторый момент времени, условно принимаемый за начало отсчета, от­крываются вентили V I, V 2. В результате через сопротивление нагруз­ки Z _нг и конденсатор С будет протекать ток, конденсатор будет за­ряжаться на полярность, указанную на рис. 3.2. Сумма тока конденсато­ра i _c и тока нагрузки i _нг, равная общему инвертированному току i = i _c+ i _нг, остается в течение полупериода постоянной и равной i = i_d = const. Такую же величину в течение полупериода имеют построенные на рис.3.3 токи вентилей i_{V 1}= i_{V 2}= i_d = const.

Через полпериода работы схемы, в момент π, поступают импульсы управления на вентили V 3, V 4. При открытии этих вентилей происходит практически мгновенное закрытие вентилей V I, V 2 (угол коммутации γ=0), так как к ним оказывается приложенным в обратном направлении напряжение конденсатора, а индуктивных сопротивлений в контурах коммутации нет. С этого момента времени в выходной цепи инвертора изменя­ется направление инвертирован­ного тока i = i_d = const и тока конденсатора i_c. Конден­сатор начинает перезаряжаться на противоположную полярность, подготавливаясь к последующей коммутации тока на вентили V I, V 2. Изменение направления тока нагрузки i _нг произойдет несколь­ко позднее – в момент, когда на­пряжение на конденсаторе u_c, равное напряжению на нагрузке u, станет равным 0. Вследствие принятых условий (L_d =∞; Z _нг= R _нг) процесс перезаряда конденсатора является апериоди­ческим, что в итоге определяет несинусоидальность выходного на­пряжения u, форма кривой кото­рого на временном интервале, равном периоду, представляет со­пряжение двух экспонент (смотри рис. 3.3, д).

Представленные на рис. 3.3 кривые напряжения на вентилях u_{V 1}= u_{V 2} и u_{V 3}= u_{V 4} (рис. 3.3, е, ж) показывают, что при мгновенной коммутации тиристоров (угол коммутации γ=0) в течение угла β =δ после закрытия каж­дого вентиля к нему приложено отрицательное напряжение, чем обеспечивается необходимое ус­ловие для восстановления управ­ляемости выключаемого тиристора. Очевидно так же, что угол β равен углу опережения общего инвертированного тока i по отношению к выходному напря­жению u (рис. 3.3, з). Отметим, что для выключения тиристора необходимо определенное время, t_q, которое указывается в паспорте этого тиристора. При β <ω t_q происходит срыв коммутации то­ка вентилями инвертора, так как они не успевают восстановить запирающих свойств к моменту, когда напряжение на аноде вновь становит­ся положительным. В результате происходит опрокидывание инвертора, т.е. повторное открытие запираемых вентилей и короткое замыкание питающего источника U_d через индуктивность L_d и вентили схемы. Выходное напряжение переменного тока при этом равно нулю. Вследствие того, что в установившемся режиме работы инвертора угол опережения β выбирается так, чтобы β≥β_min=К_зω t_q, можно считать, что для осуществления коммутации тока вентильное звено схемы инвер­тора потребляет реактивный ток. Внутрисхемным источником этого реак­тивного тока, или реактивной мощности коммутации, является конденса­тор С.

 

Рис. 3.3. Временные диаграммы, поясняющие работу инвертора тока параллельного типа

 

При изменении величины сопротивления нагрузки инвертора проис­ходит, изменение постоянной времени цепи перезаряда конденсатора, ко­торая, как нетрудно показать, равна T _c= R _нг C. В соответствии с изменением T _c изменяется форма кривой выходного напряжения, форма кри­вой напряжения на вентилях и угол опережения β. При больших значениях R _нг выходное напряжение становится близким к треугольной фор­ме (рис. 3.4, а); при малых R _нг выходное напряжение приближается к прямоугольной форме (рис. 3.4, 6). При коротком замыкании нагруз­ки β =0 и инвертор опроки­дывается.

Работа инвертора при ак­тивно–индуктивной нагрузке ха­рактеризуется тем, что конден­сатор С выполняет двойную роль. Он является источником реактивного тока, необходимого для осуществления коммутации, а также источником опережающе­го реактивного тока, компенси­рующего отстающую индуктивную составляющую тока нагрузки. Очевидно, что при cosφ_нг<1 для поддержания необходимого значения угла опережения β емкость кон­денсатора С должна быть увеличена, по сравнению со случаем актив­ной нагрузки инвертора.

 

 

Рис. 3.4. Форма кривой напряжения нагрузки при различных значениях сопротивления нагрузки: а– при R _нг→∞; б– при R _нг→0

 

На рис. 3.3, и построены основные (первые) гармоники общего инвертированного тока i ₁ и выходного напря­жения u ₁. С достаточной для практики точностью можно при­нять, что угол ψ, определяющий фазовое отставание первой гармоники выходного напряжения u ₁ от тока i ₁, равен углу опережения зажигания инверто­ра β, т.е. ψ ≈β.

 

Угол опережения зажигания

Угол опережения зажигания β является одним из основных параметров инвертора тока. Этот параметр определяет устойчивость работы инвертора тока.

Зависимость величины угла опережения зажигания от параметров инвертора и нагрузки определяется формулой (3.1):

(3.1)

где

Z _н - сопротивление нагрузки;

1/ Z _н = Y _н - проводимость нагрузки;

Y _c=ωC– реактивная проводимость конденсатора;

Y _н/ Y _с= Y _н*-относительная величина проводимости нагрузки;

ω=2π f – круговая частота;

С- емкость коммутирующего конденсатора;

φ_н – угол сдвига первой гармоники тока нагрузки и первой гармоники напряжения нагрузки;

Выходная характеристика

Пренебрегая потерями в элементах схемы инвертора и рассматривая только первые гармоники переменных токов и напряжений, будем иметь равенство потребляемой и выходной мощности инвертора

U_dI_d = UI cosβ. (3.2)

 

Из (3.2) получим

(3.3)

Амплитуда и действующее значение первой гармоники общего инвертированного тока i, имеющего прямоугольную форму, определяется соотношениями (3.4):

(3.4)

Подставляя (3.4) в (3.3) получим

(3.5)

где К _сх– коэффициент преобразования схемы; для однофазного мостово­го инвертора К _сх =0,9, что совпадает с соответствующим значением для однофазного мостового выпрямителя. Выражение (3.5) при подстановке (3.1) и с учетом соот­ношения

преобразуется к виду

 

 

(3.6)

 

Соотношение (3.6) представляет аналитическое выражение выходной характеристики параллельного инвертора, под которой понимают зависимость действующего значения выходного напряжения инвертора U от проводимости нагрузки при постоянной выходной частоте f = const, емкости конденсатора C = const и коэффициенте мощности нагрузки cos φ_нг= const.

Выходная характеристика параллельного инвертора построена на рис. 3.5. Она имеет вид крутопадающей кривой. При малых нагрузках (проводимостях нагрузки Y _н) инвертора постоянная времени перезаряда конденсатора Т _с велика, угол β близок к значению β =π/2 и выходное напряжение инвертора быстро возрастает при уменьше­нии нагрузки.

При больших на­грузках инвертора картина резко изменяется: угол β –мал, с увеличением нагрузки он уменьшается, стремясь к β=0 при Y _нг →∞, выходное напряжение однофазного инвертора при этом стремится к пределу U =1,11 U_d. При увеличении нагрузки до значе­ния, при котором угол опереже­ния инвертированного тока по от­ношению к напряжению β≤ β_min, происходит опрокидывание инвертора.

Таким образом, нагрузочная способность схемы ограничена: предел нагрузочной способности при задан­ных параметрах схемы легко рассчитывается по соотношению (3.1). Зо­на устойчивой работы инвертора оказывается также ограниченной и в области малых нагрузок, где возрастают максимальные положительное и отрицательное напряжения на вентилях. Эти значения максимального на­пряжения U _{в max} не должны превышать номинального напряжения вентилей U _{в ном}, указанного в паспорте.

Выходная характеристика параллельного инвертора при cosφ_нг<1 располагается несколько ниже и представляет более крутопадающую кривую, чем выходная характеристика при активной нагрузке и том же значении емкости конденсатора (рис. 3.6). Такой вид характеристики определяется тем, что часть реактивного тока конденсатора компенси­рует реактивный ток нагрузки. При равных значениях проводимости на­грузки в обоих случаях угол β меньше при активно-индуктивной нагрузке; изменение угла β при изменении величины нагрузки происхо­дит быстрее в случае активно – индуктивной нагрузки [2].

 

Рис. 3.5. Выходные характеристики инвертора тока параллельного типа

 

 

Вопросы для самопроверки

1. Дайте пояснения принципу работы параллельного инвертора – как происходит включение тиристоров и их выключение?

2. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора параллельного типа?

3. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора параллельного типа резко возрастает?

 

Перед выполнением лабораторной работы необходимо:

- изучить устройство, принцип работы, характеристики инвертора тока параллельного типа;

- изучить программу лабораторной работы и подготовить черновик протокола лабораторной работы.

 

Исходные данные

Базовая точка (режим), для которой снимаются осциллограммы и через которую проходят снимаемые характеристики:

напряжение источника питания U _d = 25 В; частота управления f = 1000 Гц; ток нагрузки I _н = 0,25 А; коммутирующая емкость С _к = 2 мкФ.

Базовая точка может быть изменена по указанию преподавателя.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования инвертора тока параллельного типа в соответствии с рис. 3.6. Дополнительные внешние соединения показаны штриховыми линиями.

2.Ручку регулятора тока нагрузки RP в модуле «Нагрузка» (Н) установить в положение «0», соответствующее минимальному току нагрузки (максимальному активному сопротивлению нагрузки R _H).

3.Включить автомат QF 1 «Модуля питания стенда» (МПС).

4.Включить тумблер «Сеть» в модуле «Измеритель мощности».

5.Тумблером SA1 в модуле «Автономные инверторы» (АИ) включить питание системы управления.

6.Ручкой потенциометра «Частота» установить заданную частоту f.

7.Включить тумблер SA1 источника питания в модуле МПС.

8.С помощью потенциометра RP1 установить заданное напряжение источника питания.

9.Ручкой регулятора тока нагрузки RP в модуле «Нагрузка» (Н) установить заданный (базовый) режим.

10.Проверить правильность установки частоты. 

Программа выполнения работы

А. Снять внешнюю и энергетические характеристики при постоянной частоте управления f _у для заданного напряжения источника питания U _d при активном характере нагрузки.

Внешняя характеристика инвертора тока представляет собой зависимость действующего значения выходного напряжения инвертора от проводимости нагрузки, U _н = f (Y _н*).

Энергетические характеристики инвертора тока представляют собой зависимости мощности нагрузки, мощности, потребляемой инвертором от источника питания, коэффициента полезного действия и угла опережения зажигания от проводимости нагрузки, т.е. Р _н = f (Y_н), P _d = f (Y_н), η = f (Y_н), β= f (Y_нг), соответственно.

 

 

Рис. 3.6. Принципиальная схема для исследования инвертора тока параллельного типа

Поддерживать постоянным:

- входное напряжение постоянного тока U _d;

Изменять c помощью регулятора нагрузки RP:

- сопротивление нагрузки R _н;

Измерять:

- среднее значение входного напряжения U _d;

- среднее значение входного тока I _d;

- действующее значение напряжения нагрузки U _н;

- действующее значение тока нагрузки I _н;

- активную мощность, потребляемую нагрузкой Р _н.

- угол опережения зажигания (с помощью осциллографа) β_э. Рассчитать:

- мощность, потребляемую инвертором P _d;

- коэффициент полезного действия h;

- коэффициент мощности нагрузки cos j_нг;

- проводимость нагрузки Y_н;

- реактивная проводимость конденсатора Y _c=ωC;

 

- угол опережения зажигания (теоретический) β_т.

Результаты измерений и расчетов свести в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Внешняя и энергетические характеристики

Изме- рено								Примечание
U d, B							f у1= Гц С к1= мкФ
I d, А
U н, Вт
I н, А
P н, Вт
βэ, град
Вычи-слено	P d, Вт
η
βт, град
cosφ
	Y н^*

 

Расчетные соотношения:

Мощность, потребляемая инвертором P _d= U _d I _d;

Коэффициент мощности нагрузки cosφ_н= Р _н/ S _н;

Полная мощность нагрузки S _н= U _н I _н;

Cопротивление нагрузки Z _н= U _н/ I _н;

Проводимость нагрузки Y _н= 1 / Z _н;

Реактивная проводимость конденсатора Y _c=ωC;

Относительная проводимость нагрузки Y _н*= Y _н/ Y _с; Коэффициент полезного действия η= Р _н/ Р _d; Угол опережения зажигания (теоретический)

Повторить измерения при другом значении частоты f _у= f _у2, заданном преподавателем.

По данным табл.3.2 построить:

- на графике №1 внешние характеристики U _н= f (I _н) для двух заданных значениях частоты f _у= f _у1 и f _у= f _у2 при активной нагрузке;

- на графике №2 построить энергетические характеристики Р _н = f (Y_н^*), P _d = f (Y_н^*), η = f (Y_н*), β_т= f (Y_н*) и β_э= f (Y_н^*) для заданного значения частоты управления f _у= f _у1 при активной нагрузке;

- на графике №3 построить энергетические характеристики Р _н = f (Y_н^*), P _d = f (Y_н^*), η = f (Y_н^*), β_т= f (Y_н^*) и β_э= f (Y_н^*) для значения частоты управления f _у= f _у2 при активной нагрузке.

Внешние характеристики для разных значений частоты f необходимо строить в одних осях.

Определить при каких условиях происходит опрокидывание инвертора.

Б. Снять регулировочную и энергетические характеристики инвертора тока параллельного типа при постоянном значении сопротивления нагрузки R _н и заданном напряжении источника питания U _d.

Регулировочная характеристика инвертора тока представляет собой зависимость действующего значения напряжения нагрузки от частоты управления, т.е. U _н = f (f _у).

Энергетические характеристики – это зависимости мощности нагрузки, мощности, потребляемой преобразователем от источника питания, коэффициента полезного действия и угла опережения зажигания от частоты управления, т.е. Р _н = f (f _у), P _d = f (f _у), η= f (f _у), β= f (f _у).

Изменяя частоту f ручкой «Частота» в диапазоне от заданного до 300 Гц,

Сопротивление R _н определить, установив заданный ток нагрузки I _н (базовый режим), по формуле

R _н = U _н / I _н.

Поддерживать постоянным:

- входное напряжение постоянного тока U _d;

Изменять ручкой «Частота»

- частоту управления f _у от 1000 Гц до 300 Гц.

Измерять:

- среднее значение входного напряжения U _d;

- среднее значение входного тока I _d;

- действующее значение напряжения нагрузки U _н;

- действующее значение тока нагрузки I _н;

- активную мощность, потребляемую нагрузкой Р _н.

- угол опережения зажигания (с помощью осциллографа) β_э. Рассчитать:

- мощность, потребляемую инвертором P _d;

- коэффициент полезного действия h;

- коэффициент мощности нагрузки cos j_нг;

- относительная проводимость нагрузки Y _н^*;

-угол опережения зажигания (теоретический) β_т.

Результаты измерений и расчетов свести в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Регулировочная и энергетические характеристики

Изме- рено								Примечание
f у, Гц							С = мкФ R н= Ом
U d, B
I d, А
U н, Вт
I н, А
P н, Вт
βэ, град
Вычи-слено	P d, Вт
η
βт, град
сosφн
	Y н^*

 

Расчетные соотношения приведены выше в п. А.

 

Повторить опыт для другого значения сопротивления нагрузки R _н.

По данным табл.3.3 построить:

- на графике №4 регулировочные характеристики U _н = f (f _у) для двух заданных значений сопротивления нагрузки R _н1и R _н2;

- на графике №5 энергетические характеристики P _d = f (f _у),

Р _н = f (f _у), η= f (f _у), β= f (f _у) и Y _н^*= f (f _у) для заданного значения сопротивления нагрузки R _н1;

- на графике №6 энергетические характеристики P _d = f (f _у), Р _н = f (f _у), η= f (f _у), β_э= f (f _у), β_т= f (f _у) и Y _н^*= f (f _у) для заданного значения сопротивления нагрузки R _н2.

Регулировочные характеристики для разных значений сопротивления нагрузки R _н1 и R _н2 строить в одних осях.

Определить при каких условиях происходит опрокидывание инвертора.