Автономный инвертор напряжения

Оглавление

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Радиоэлектронная  аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой энергии, а  в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника.

Преобразователем  электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами.

Первые транзисторные  преобразователи разработаны более 60 лет назад. За прошедший период вопросы построения транзисторных  преобразователей и входящих в них элементов как в теоретическом, так и практическом плане проработаны достаточно глубоко. В настоящее время транзисторные преобразователи электроэнергии занимают в науке и технике раздел, не меньший по объему и значимости, чем тиристорные преобразователи. Это произошло благодаря разработке и освоению промышленностью в последние 25 лет быстродействующих кремниевых транзисторов на токи и напряжения в несколько сотен ампер и вольт соответственно. Преимущества преобразовательных устройств на транзисторах по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации.

Полупроводниковые преобразователи, связывающие системы  переменного и постоянного тока, можно разделить на четыре категории:

- преобразователи  переменного напряжения (преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения и т. п.); преобразователи  переменного напряжения  в  постоянное,  называемые выпрямителями;

- преобразователи  постоянного напряжения в переменное, называемые инверторами;

- преобразователи  постоянного напряжения в постоянное напряжение с другими параметрами, называемые преобразователями постоянного напряжения (или конверторами).

По  числу фаз хотя бы одной из связуемых  систем преобразователи (инверторы, выпрямители) делятся на однофазные и многофазные.

По  способу формирования и регулирования  выходного напряжения (тока) преобразователи делятся на одноячейковые и многоячейковые.

В одноячейковых  преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения (тока) осуществляется путем время-импульсной модуляции на всю глубину (амплитуду) выходного напряжения (тока) путем полного периодического отключения, а затем подключения источника питания.

В многоячейковых преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения осуществляется путем частичной времяимпульсной модуляции в пределах одной зоны, глубина которой в целое число раз меньше полной глубины (амплитуды) выходного напряжения (тока). Многоячейковые преобразователи, разделены на несколько преобразовательных ячеек, несколько входных и (или) выходных трансформаторов, несколько секций первичных и (или) вторичных обмоток этих трансформаторов и (или) имеют несколько входов для подключения к нескольким источникам питания и (или) их ячейкам.

Время-импульсная модуляция проходит либо поочередно в каждой из ячеек, либо одновременно во всех ячейках, работающих с взаимным сдвигом. И в том, и в другом случае выходные и входные параметры (напряжение и ток) изменяются в пределах одной ячейки, равной общему диапазону регулирования, деленному на число ячеек.

Несмотря  на очевидное усложнение схемы, многоячейковые преобразователи имеют уменьшенную массу входных и выходных фильтров, повышенное быстродействие и функциональную избыточность (при отказе одной ячейки ее функции выполняют остальные) /1/.

По заданию  нужно спроектировать преобразователь  напряжения постоянного тока в синусоидальное. Такие вентильные преобразователи, преобразующие постоянный  ток  в  переменный  и  работающие  на  автономную нагрузку, называются автономными инверторами.

Инвертором  напряжения называют преобразователь, который создает в нагрузке форму  напряжения, а форма тока при этом определяется самой нагрузкой. Источник питания в автономном инверторе напряжения (АИН) должен работать в режиме генератора напряжения. Так как АИН не формирует тока нагрузки (т.е. не зависит от него), то он может работать в режиме холостого хода. Сохраняет он работоспособность и в режимах, близких к короткому замыканию, если их выдерживают вентили, то есть АИН работоспособен в широком диапазоне изменения нагрузки. АИН хорошо работает и при изменении частоты в очень широких пределах, при этом он практически не изменяет форму напряжения  на нагрузке и ее амплитуду, что выгодно отличает АИН от инверторов тока. Схемы АИН могут быть однофазными и трехфазными.

В связи с  тем, что транзисторы силового контура  инвертора, как правило, работают в ключевом режиме, естественной формой выходного напряжения является прямоугольная форма. Такая форма удобна для нагрузок постоянного тока, получающих питание с выхода инвертора через выпрямитель и фильтр, так как при этом пульсации основной гармоники напряжения на выходе фильтра невелики. Для ряда нагрузок переменного тока такая форма питающего напряжения или допустима (осветительные и нагревательные устройства), или приемлема (электродвигатели, обмотки электромагнитов, реле и т.п.), поскольку первые безразличны к роду тока, а вторые сами обладают фильтрующими свойствами вследствие индуктивного характера эквивалентного сопротивления

Для  некоторых  нагрузок  переменного  тока   требуется   чисто 

синусоидальная  форма питающего напряжения, так  как при наличии высших гармоник происходит сильное искажение регулировочных характеристик этих устройств в режиме.

В АИН приближение  формы выходного напряжения к  синусоидальной можно осуществить  двумя методами: включением на выходе преобразователя реактивного фильтра или суммированием в выходном каскаде преобразователя нескольких прямоугольных напряжений, которые могут отличаться друг от друга по фазе и амплитуде. Оба метода приводят к снижению содержания высших гармоник в выходном напряжении. 

Синусоидальная  форма выходного напряжения наиболее универсальна, то есть обеспечивает эффективную работу всех видов нагрузок переменного

 

тока, а иногда становится целесообразной и для  нагрузок постоянного тока, так как  обеспечивает коммутацию силовых транзисторов и диодов при токе, близком к нулю, уменьшая тем самым высокочастотные пульсации, радиопомехи и, следовательно, массу и габаритные размеры фильтрующих узлов в инверторе, потребителе и линии связи /1/.

 

1 Расчёт коэффициента  гармоник

 

Чтобы обеспечить коэффициент  гармоник , необходимо получить как минимум трехступенчатую форму выходного напряжения (рисунок 1.1).

 

 

Рисунок 1.1 – Трехступенчатая форма выходного напряжения

 

Для построения ступенчатой  формы период желаемой кривой разбивается  на n интервалов одинаковой длительности (в нашем случае n=5), переменными величинами будут амплитуды ступеней. При формировании выходного напряжения, аппроксимирующего синусоиду, будем считать, что кривая пересекает ступени в середине интервала.

Амплитуды ступеней вычисляются по формуле

                                    (1.1)

где - амплитудное значение напряжения на нагрузке,

     i – номер ступени,

     n – число интервалов.

Учитывая, что действующее  значение = 60 В, получаем

 В,

 

 

 В,

 В.

Рассчитаем действующие  значения первых пятнадцати гармоник для данной кривой аналитическим  способом. Точность данного метода очень высока. Расчёты сделаем при помощи программы Mathcad 2001. Текст программы приведён в приложении Б.

Графические построения к расчетам приведены на рисунке 1.2.

Так как синусоида  симметрична относительно оси ординат, то все чётные гармоники равны нулю.

_{Получаем:}

 

Присутствуют  только 1,9,11 гармоники.

 

Коэффициент гармоник определяется как отношение действующего значения высших гармоник к действующему значению первой (основной) гармоники /2/, то есть

                 ,                                     (1.2)

    где   - действующее значение напряжения гармоники с номером n,

  - действующее значение напряжения первой гармоники.

Получаем:

 

 

 

Полученный  коэффициент удовлетворяет заданию (K_Г<0.15).

      

Рисунок 1.2 – Гармоники синусоидального напряжения

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

 

2.1 Выбор структурной  схемы

 

Поскольку в курсовом проекте стоит задача получить заданный коэффициент гармоник (К_г<15 %), то необходимо улучшить форму выходного напряжения. Этого можно достигнуть двумя методами.

Первый метод предусматривает  включение на выходе преобразователя  реактивного фильтра. При этом можно как угодно снизить содержание высших гармоник в выходном напряжении. К недостаткам этого  способа следует отнести большой вес фильтра, возможность возникновения резонанса при питании от преобразователей, нестабильность формы кривой напряжения в различных режимах.

Второй состоит в  том, что в выходном каскаде преобразователя  суммируются несколько прямоугольных  напряжений, которые могут отличаться друг от друга по фазе и амплитуде. При этом кривая выходного напряжения имеет форму многоступенчатой волны, близкой к синусоидальной, с весьма малым содержанием высших гармоник. Число составляющих линейного напряжения выбирается в зависимости от заданной величины коэффициента искажений. Естественно, что чем больше составляющих в линейном напряжении, тем ближе это напряжение  к синусоидальному. Форма кривой напряжения преобразователя практически не будет зависеть от нагрузки и частоты переменного тока. При этом в преобразователе имеет место  одинаковая загрузка всех коммутирующих элементов и достаточно высокое использование трансформаторов. 

АИН с улучшенным гармоническим  спектром выходных напряжений разделяется  на два подкласса: АИН, в которых  улучшение гармонического спектра  достигается широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), и АИН в которых аналогичная задача решается формированием многоступенчатых кривых выходного напряжения амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) /1/.

Недостаток АИН с  ШИМ заключается в необходимости  использовать высокочастотные ключи, а также в том, что при изменении  частоты работы

 

схемы или величины нагрузки возникает сложность получения  коэффициента

гармоник заданной величины.

Поэтому для получения  заданной формы кривой выходного  напряжения воспользуемся вторым способом.

Для получения коэффициента гармоник К_г<15 % нам необходимо как минимум три ступени. Следовательно, нужно использовать три инверторных ячейки. Таким образом, получаем общую структурную схему нашего проектируемого преобразователя (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 - Общая  структурная схема АИН

2.2 Выбор принципиальной  схемы

 

Так как на выходе мы имеем трёхступенчатую форму  напряжения, то нам потребуется три  инверторных ячейки с трансформаторным выходом. Рассмотрим основные схемы  инверторных ячеек.

На рисунке 2.2 изображены схемы инверторных ячеек, с  помощью  которых

 

можно получить ступенчатое  напряжение. На рисунке 2.2 показаны как  мостовая схема инвертора (рисунок 2.2, а), так и другие схемы двухтактных  инверторов.

Полумостовая  схема с выводом от средней  точки источника питания (рисунок 2.2, б) содержит только два транзистора. Напряжение каждой половины источника питания U_п/2 прикладывается попеременно с чередующейся полярностью к нагрузке Z_н с помощью транзисторов VТ1 и VТ2.

В полумостовой схеме с емкостным делителем  напряжения (рисунок 2.2, в) точка соединения входных конденсаторов С1 и С2 образует искусственный вывод среднего потенциала источника питания. В один полупериод, например, когда открыт транзистор VТ1, происходит заряд конденсатора С2 и разряд С1, а в другой полупериод, когда открыт транзистор VТ2, наоборот – заряд С1 и разряд С2.

В полумостовой схеме с разделительным конденсатором (рисунок 2.2, г) используется только один конденсатор С_р, заряженный в течение одного

полупериода, когда  открыт транзистор VТ1, и разряжаемый в течении другого полупериода, когда открыт транзистор VТ2.

Так как конденсатор  пропускает только переменную составляющую тока, то к нагрузке Z_н будет приложено переменное напряжение, а на конденсаторе выделится постоянная составляющая напряжения, равная U_п/2. Следовательно, амплитуда переменного напряжения на Z_н  так же, как и в других схемах на рисунке 2.2, б, в, будет равна U_п/2, а форма кривой близка к прямоугольной при выборе конденсаторов С1, С2 и С_р достаточно большой емкости, так чтобы во время заряда и разряда изменение приложенного к ним напряжения составляло единицы или доли процента.  Двухтактная схема с нулевым выводом (рисунок 2.2, д), содержит два