Лабораторная работа № 13 Исследование резонансного автономного инвертора

Цели работы:

учебные:

- ознакомиться с классификацией и принципом действия основных типов автономных инверторов;

- изу­чить свойства и особенности автономных инверторов;

- экспериментально исследовать схему резонансного автономного инвертора;

воспитательные:

- формирование умения четко организовывать самостоятельную работу;

- формирование осознанных мотивов учения;

- развивать познавательный интерес к электронной технике;

Время выполнения – 2 часа.

Место выполнения работы – компьютерный класс на 11 компьютеров.

Оснащение работы:

- ПК с минимальным набором технического оснащения;

- Windows XP, MS Office;

- программный комплекс Electronics Workbench для разработки радиоэлектрон-ных устройств;

- Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989.

1. Пояснение к работе

Для питания радиоэлектронной аппаратуры вне промышленной сети пе­ременного тока широко используют различные схемы инверторов, преобра­зующих постоянное напряжение первичного источника электроэнергии (акку­мулятора, дизель –генератора, солнечной батареи и т. п.) в синусоидальное с требуемыми параметрами. Одним из перспективных видов преобразователей, реализующих указанную задачу, являются резонансные инверторы (РИ), прин­цип действия которых основан на импульсном возбуждении последовательного колебательного контура на частоте резонанса. Синусоидальный характер тока обеспечивает таким устройствам ряд преимуществ по сравнению с другими классами преобразователей: минимальные потери энергии на коммутацию си­ловых ключей; высокая надежность работы; малый уровень высокочастотных помех и перенапряжений на элементах; уменьшении несимметрии рабочих кон­туров в смежных полупериодах; возможность применения в инверторе ключей с неполной управляемостью, например, тиристоров и т. д. Кроме того, работа в

режиме резонанса напряжений последовательного колебательного контура по­зволяет получить повышенное выходное напряжение относительно входного без применения трансформатора.

Резонансный инвертор – обобщенное название высокочастотных импульс­ных устройств, применяемых во многих источниках питания

АИР обычно выполняют однофазными (преимущественно по мостовой схеме) с использованием однооперационных тиристоров. Конденсатор в АИР может включаться параллельно нагрузке или последовательно с ней. В зависи­мости от этого различают параллельные и последовательные АИР. Процессы, протекающие в АИР, характеризуются колебательным (резонансным) переза­рядом конденсатора в цепи с индуктивностью, в которую может входить ин­дуктивность нагрузки.

1.1 Схема полумостового последовательного резонансного инвертора на тиристорах с диодами обратного тока приведена на рисунке 13.1 для случая доступности средней точки источника входного напряжения 13.1а и вариант с расщепленным фильтровым конденсатором, когда средняя точка источника недоступна 13.1б.

а) б)

Рисунок 13.1 - Схема полумостового последовательного

резонансного инвертора

а) со средней точкой источника входного напряжения

б) с недоступной средней точкой источника питания

Работают схемы аналогично. Сначала рассмотрим случай установившегося режима, когда частота импульсов управления тиристорами ниже частоты резонанса контура LкCк и он работает в режиме прерывистого тока (Рисунок 13.2).

Рисунок 13.2 – Временные диаграммы при режиме прерывистого тока

В момент времени t1 включается тиристор Т1 и конденсатор Ск заряжает

ся в колебательном режиме до напряжения, близкого к двойному напряжению источника входного напряжения Uвх/2. В момент времени t2 зарядная полуволна тока через тиристор спадает до нуля и он закрывается. Конденсатор на интервале t2 - t3 разряжается в колебательном режиме через диод обратного тока VD1 на источник входного напряжения Uвх. Величина остаточного напряжения на конденсаторе в момент времени t3 зависит от соотношения волнового сопротивления колебательного контура ρк и сопротивления нагрузки. В установившемся режиме оно равно взятому с обратным знаком начальному напряжению на конденсаторе в момент времени t1.

В момент времени t4 включается тиристор Т2 и происходят аналогичные процессы перезаряда конденсатора в отрицательную полярность через тиристор Т2 и диод VD2.

В рассмотренном режиме прерывистого тока нагрузки включение и выключение тиристоров и диодов происходит при нулевых токах через них, что

снижает потери на коммутацию. Время, предоставляемое на восстановление управляющих свойств тиристоров, равно времени протекания тока через дио-

ды обратного тока (интервал t2 - t3). Действующее или среднее по модулю выходное напряжение регулируют длительностью “бестоковых” пауз, что достигается изменением частоты импульсов управления тиристорами. Такое регулирование связано с ухудшением качества выходного напряжения и обычно приемлемо, только если выходное напряжение инвертора подвергается дальнейшему преобразованию, обычно выпрямлению и фильтрации на стороне постоянного тока.

Качество выходного напряжения можно улучшить при режиме работы

с непрерывным током нагрузки, временные диаграммы для этого случая показаны на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 - Временные диаграммы при режиме работы с непрерывным током нагрузки

Здесь включение тиристора Т2 в момент t3 происходит раньше спада тока до нуля в диоде D1, что возможно, так как к тиристору Т2 при проводящем диоде D1 приложено прямое напряжение Uвх. Уменьшение временного интервала t2t3 приводит к увеличению остаточного напряжения на конденсаторе в момент его перезаряда в обратную полярность, что, естественно, вызовет рост амплитуды напряжения на конденсаторе. Значит, и в режиме непрерывного тока нагрузки регулирование частоты выходного напряжения инвертора будет регулировать величину выходного напряжения без того искажения формы, которое присуще режиму прерывистого тока.