4. Содержание отчёта

Отчет по работе должен содержать:

1. Функциональные схемы исследованных резонансных инверторов;

2. Таблицы с результатами измерений;

3. Построенные входные, внешние и регулировочные характеристики;

4. Построенная характеристика влияния ёмкости коммутирующего конденсатора на величину выходного напряжения;

5. Рисунки осциллограмм напряжений на нагрузке Uн(t) и на тиристорах Uvs₂(t), Uvs₄(t);

6. Выводы по сравнительному анализу свойств исследованных однофазных резонансных инверторов.

5. Краткие теоретические сведения

Инвертированием называется процесс преобразования элект­рической энергии постоянного тока в переменный. Инвертором называется преоб­разователь электрической энергии постоянного тока в перемен­ный, выходные параметры которого (форма, амплитуда и ча­стота выходного напряжения) определяются схемой преоб­разователя, системой управления и режимом его работы. Работа инвертора и его технико-экономические показатели в основном определяются схемой инвертирования, под которой, как правило, понимают схему соединения ключевых элементов и элементов для их коммутации. От схемы инвертирования зависят форма кривой выходного напряжения, форма кривой потребляемого тока, внешняя (или нагрузочная) характеристика, КПД инвертора, допустимое изменение коэффициента мощности нагрузки, максимальное (мгновенное) значение тока нагрузки, определяющее для большинства схем порог устойчивой работы инвертора. В настоящее время существует очень большое количество схемных решений структуры инверторов. Рассмотрим их работу на примере наиболее типичной схемы однофазного мостового параллельного инвертора тока на тиристорах, рис. 1.9.

Рис. 1.9. Функциональная схема однофазного параллельного инвертора тока

Для оценки его работы примем следующие допущения:

- индуктивность сглаживающего реактора L_d = ∞;

- тиристоры «идеальные», т. е. время включения и выключе­ния их, обратный ток, а также прямое падение напряжения равны нулю;

- потери энергии в элементах схемы отсутствуют.

Основные электрические процессы, происходящие в схеме, рассмотрим на основе временных диаграмм, представленных на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Диаграммы токов и напряжений на элементах инвертора

Предположим, что на интервале от нуля до π в проводящем состоянии находятся тиристоры VS1 и VS₄. В момент времени, равный π на тиристоры VS₂ и VS3 поступают управляющие импульсы от системы управления инвертором. При этом напряжение на нагрузке (точка М на рис. 1.10) равно Uн_m∙sinβ, где β — угол сдвига между синусоидами выходного напряжения Uн и выходного тока инвертора i_и. Это напряжение является прямым для тиристоров VS2 и VS3, они включаются, и цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через все откры­тые тиристоры схемы. В результате этого возникает раз­ряд коммутирующего конденсатора Ск. Ток разряда рас­пределяется по двум контурам. В одном контуре он направлен навстречу току, протекающему через тиристор VS1, а в дру­гом навстречу току, протекающему через тиристор VS4. Когда токи этих тиристоров станут равными нулю, они выключатся, т. е. завершится процесс коммутации тиристоров. Поскольку в контурах разряда конденсаторов отсутствуют индуктивности, этот процесс можно считать мгновенным (γ=0).

После выключения тиристоров VS1 и VS4 ток начинает проходить через тиристоры VS2 и VS3, вследствие чего направление тока нагрузки скачком изменяется. Напряжение Uн в момент коммутации не изменяется из-за наличия в схеме конденсатора Ск. К тиристорам VS1 и VS4 скачком прикла­дывается обратное напряжение Uvs₁ = Uvs₄ = Uн_m∙sinβ

(рис. 1.10) , и они имеют возможность восстанавливать запирающие свойства. Для нормальной коммутации необходимо, чтобы выполнялось условие: β ≥ ωt_q,

где ω – угловая частота выходного напряжения, t_{q –} время выключения тиристора.

В противном случае после прохождения напряжения Uн через нуль произойдет повторное включение тиристоров VS1 и VS4, так как на них будет подано прямое напряжение раньше, чем они успеют восстановить свою запирающую способность. В резуль­тате этого возникнет аварийный режим, когда во включенном состоянии будут находиться одновременно все тиристоры («опрокидывание» инвертора). Для обеспечения условия нормальной коммутации необходимо, чтобы вся нагрузка вместе с конденсатором Ск имела емкостный характер и ток i_н опережал напряжение Uн.

Так как индуктивность сглаживающего реактора принята L_d = ∞, ток i_d в инверторе идеально сглажен и соответственно выходной ток i_н имеет прямоугольную форму (рис. 1.10). Однако при анализе методом «основной» гармоники учитыва­ется только первая гармоника этого тока i_н1 (показанная на рис. 1.10 штриховой линией). Высшие гармоники этого тока предполагается отфильтруются конденсатором Ск (и возможным фильтром на выходе инвертора), в соответствии с принятым допущением о синусоидальности выходного напряжения. Первая гармоника инвертируемого тока i_н1 распределяется между конденсатором Ск (составляющая i_с) и нагрузкой (составляющая i_н).

На рис. 1.11 а, представлена векторная диаграмма на­пряжений и первых гармоник токов на выходе инвертора при активно-индуктивной нагрузке, из которой видно, что угол β имеет положительное значение при условии пре­обладания емкостного тока i_c над реактивной составляющей тока нагрузки i_{н р}.

а) б)

Рис. 1.11. Векторная диаграмма токов и напряжений в однофазном параллельном инверторе тока – (а); зависимости выходного напряжения Uн и угла β от нагрузки- (б)

Используя известные в электротехнике соотношения и век­торную диаграмму (рис. 1.10), угол β можно выразить следующим образом:

(1.1)

где Yc = ωc – модуль проводимости конденсатора Ск;

Yн = 1/Zн – модуль проводимости нагрузки.

Напряжение на нагрузке и необходимую емкость Ск, удобно представить в виде функций параметров нагрузки, полученных из баланса активных и реактивных мощностей:

Pн = Ud∙Id = Uн∙Iн∙cosβ; (1.2)

Qн = Pн∙tgβ; (1.3)

Qи = Qc – Qн = Uн²ωСк - Рн∙tgφн (1.4)

где Рн – активная мощность нагрузки; Qс – реактивная мощность конденсатора;

Qн – реактивная мощность нагрузки; Qи – реактивная мощность, потребляемая инвертором.

Из соотношения (1.4) видно, что реактивная мощность, потребляемая инвертором, равна разности мощностей конденса­тора Ск, и реактивной (индуктивного характера) мощности нагрузки. Иначе говоря, рассматриваемый тип инвертора работает при условии полной компенсации индуктивной состав­ляющей нагрузки. Поэтому конденсатор Ск в схемах подобного типа инверторов называют иногда компенсирующим.

Так как в рассматриваемом случае учитывается только первая (основная) гармоника выходного напряжения, то дей­ствующее значение можно выразить соотношением:

(1.5)

Учитывая (1.1), соотношение (1.5) можно записать в виде:

(1.6)

Зависимость (1.6) является внешней характеристикой ин­вертора, только в качестве переменного параметра в ней фигурирует не ток нагрузки, а проводимость нагрузки Yн.

Необходимая емкость Cк как функция параметров нагрузки в соответствии с (1.4) и (1.1) может быть вычислена по формуле:

(1.7)

Согласно (1.1) и (1.6) угол β и выходное напряжение являются функциями параметров нагрузки и емкости конден­сатора Ск. На рис. 1.11 б, представлена графическая интер­претация этих зависимостей, из которых видно, что внешняя характеристика параллельного инвертора имеет круто пада­ющий характер. С ростом нагрузки (т. е. с увеличением проводимости Yн) уменьшается также значение угла β.

Контрольные вопросы и задания

1. Объяснить принцип действия однофазного параллельного инвертора тока (резонансного инвертора).

2. Объяснить назначение элементов схемы однофазного параллельного инвертора тока (резонансного инвертора).

3. От чего зависит угол сдвига β между выходным напряжением Uн и выходным током Iн?

4. В чем эксплуатационная разница между исследованными инверторами.

5. Что такое «опрокидывание инвертора»?

6. Чем объяснить влияние коммутирующего конденсатора Ск на величину выходного напряжения?

7. Какой из исследованных инверторов имеет более «жесткую» внешнюю характеристику и почему?

8. Какой из инверторов имеет лучшие характеристики при «малых» нагрузках, а какой при «больших»?

9. Как влияет коэффициент мощности нагрузки «соsφ» на вид «внешней» характеристики инвертора?

10. Какие эксплуатационные параметры используемых тиристоров влияют на качественные показатели исследованных инверторов?