Электронные преобразовательные устройства лабораторный практикум3

3.Объясните растущий характер входной характеристики зависимого инвертора.

4.От чего зависит мощность, передаваемая инвертором в сеть, и как ее можно регулировать?

5.Чем определяется время восстановления управляющих свойств тиристоров в зависимых инверторах?

6.Чем ограничено минимальное значение угла инвертирования β в зависимом инверторе?

7.Поясните причину повышения входного напряжения Ud инвертора при увеличении тока Id.

61

Лабораторная работа № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ АВТОНОМНОГО ОДНОФАЗНОГО ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ИНВЕРТОРА ТОКА

Продолжительность работы – 4 часа

Цели работы: исследовать схему автономного (резонансного) однофазного параллельного инвертора, получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, получить осциллограммы напряжений на нагрузке, определить входную и внешнюю характеристики инвертора.

Основные теоретические положения

В автономных инверторах выходные параметры (форма, частота напряжения) определяются схемой инвертора и его системой управления в отличие от зависимых инверторов, выходные параметры которых соответствуют параметрам сети.

Автономный инвертор представляет собой коммутатор, для работы которого необходимы полностью управляемые переключающие элементы (ключи). Наиболее подходящими для автономных инверторов являются полностью управляемые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы, запираемые тиристоры). В случае использования обычных тиристоров, т.е. приборов с неполным управлением, схема инверторов дополняется устройствами принудительной, какправило, емкостнойкоммутации.

Автономный инвертор тока. В цепи постоянного тока АИТ включен реактор с большой индуктивностью. Тогда в интервале между коммутациями ключей ток в реакторе изменяется незначительно. В этом случае ключи изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке, так что последняя питается как бы от источника тока. Нагрузка таких схем носит, как правило, емкостный характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы.

62

Рис. 7.1. Схема (а) и диаграммы (б) тока и напряжения однофазного мостового АИТ

Предположим, что в интервале от 0 до π в проводящем состоянии находятся тиристоры VS1 и VS4 . В момент ϑ = π на тиристоры VS2 и VS3 поступают управляющие импульсы. При этом напряжение на нагрузке (точкаМна рис. 7.1) равно UHM sinβ , где β – угол сдвига между синусоидами выходного напряжения и

выходного тока инвертора. 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 Ck . 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 0, они выключатся, так как завершится процесс коммутации тиристоров. Поскольку в контурах разряда конденсатора отсутствуют индуктивности, этот процесс можно считатьмгновенным.

После выключения тиристоров VS1 и VS4 ток начинает проходить через тиристоры VS2 и VS3 , вследствие чего направление тока нагрузки скачком изменяется. Напряжение uH в момент

коммутации не изменяется из-за наличия в схеме конденсатора Ck .

63

К тиристорам VS1 и VS4 скачком прикладывается обратное напряжение UHM sinβ , и они имеют возможность восстанавливать

запирающие свойства. Для нормальной коммутации необходимо, чтобы β ≥ wtq , где w – частота выходного напряжения, tq – время

выключениятиристора.

В противном случае после прохождения напряжения uH

через 0 произойдет повторное включение 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). Чтобы этого не случилось, необходимо, чтобы вся нагрузка вместе с конденсатором Ck имела емкостной ха-

рактер и ток опережал напряжение uH .

Автономный инвертор напряжения. В этом случае источ-

ник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается как бы от источника переменного напряжения. Нагрузка в этом случае должна носить активный или ак- тивно-индуктивный характер (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема (а) и диаграммы (б) тока и напряжения однофазного АИН на транзисторах

64

Когда открыты транзисторы VT1 и VT4 , напряжение на нагрузке имеет полярность (без скобок), а ток нагрузки растет по экспоненте. В момент ϑ = π поступают управляющие импульсы, запирающие VT1, VT4 и отпирающие VT2 , VT3 . Поскольку ток iH в индуктивности нагрузки не может измениться скачком,

то он продолжает протекать в том же направлении, но уже не через транзисторы VT1 и VT4 , а через диоды VD2 и VD3 , которые включаются при выключении транзисторов VT1 и VT4 из-за возникновения противоЭДС индуктивности нагрузки, превышающей напряжение источника питания Ud . Во время проте-

кания тока через обратные диоды происходит возврат энергии из нагрузки в источник постоянного тока.

Включение диодов VD2 и VD3 приводит к изменению знака напряжения нагрузки на противоположное (полярность в скобках). Под воздействием встречного напряжения ток нагрузки iH , протекающий через диоды VD2 и VD3 в источник пита-

ния, будет уменьшаться также по экспоненте. При спадании тока до 0 (в момент ϑ = ϑ1 ) диоды VD2 и VD3 выключаются,

и ток нагрузки начинают проводить транзисторы VT2 , VT3 , на базах которых с момента ϑ = π присутствует управляющий импульс. Далее аналогичные процессы повторяются.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования работы автономного (резонансного) однофазного параллельного инвертора.

1.1.Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены(т.е. кнопки включения всеть не должны светиться).

1.2.Собрать требуемую схему вентилей на основе схем соединения отдельных блоков, расположенных согласно рис. 7.3. Номера необходимых блоков указаны на рисунке в правом нижнем углу каждого блока в схеме.

1.3.Обязательно следует соединить гнезда защитного за-

земления устройств, используемых в эксперименте, с гнездом РЕ источника G1 с помощью специальных проводов.

65

Рис. 7.3. Схема инвертора

2. Произвести настройку и включение блоков стенда.

2.1.Установить в блоке дросселей А6 индуктивности L1 и L2 равными 3 Гн.

2.2.Установить в блоке А4 емкости С1 и С2 коммутирующих конденсаторов равными, например, 20 мкФ.

2.3.Установить сопротивление нагрузочного резистора А2 равным, например, 60 Ом.

2.4.Установить индуктивность дросселя А3 равным, например, 0,3 Гн.

2.5.Регулировочные рукоятки источника G2 повернуть против часовой стрелки до упора.

2.6.Включить автоматический выключатель и устройство защитного отключения однофазного источника питания G1.

2.7.Привести в рабочее состояние осциллограф ОСУ-20.

2.8.Включить выключатель «СЕТЬ» блока датчиков тока и напряжения А10.

2.9.Включить выключатель «СЕТЬ» источника питанияG2.

2.10.Кнопкой «ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР» источника питания G2 установить режим измерения предельного значения.

2.11.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ ТОКА», установить по индикатору ток ограничения источника питания G2 равным, например, 1 А.

2.12.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ», установить по индикатору желаемое выходное напряжение источника питания G2 равным, например, 25 В.

66

2.13.Отключить выключатель «СЕТЬ» источника пита-

ния G2.

2.14.Включить выключатель «СЕТЬ» преобразователя А7.

2.15.Вращая рукоятку, установить на индикаторе частоту задающего генераторапреобразователяА7 равной, например, 50 Гц.

2.16.Включить выключатель «СЕТЬ» источника питанияG2.

2.17.На осциллографе наблюдать напряжения нагрузки инвертора тока.

2.18.На индикаторе преобразователя А7 наблюдать угол опережения β (тиристоровVS1–VS4) инвертора.

2.19.По завершении эксперимента отключить выключатели «СЕТЬ» источника питания G2, преобразователя А7 и блока датчиков тока и напряжения А10.

3. Снять входную и внешнюю характеристики.

3.1.Собрать схему в соответствии с рис. 7.3.

3.2.Установить в блоке дросселей А6 индуктивности L1 и L2 равными, например, 3 Гн.

3.3.Установить в блоке А4 емкости С1 и С2 коммутирующих конденсаторов равными, например, 20 мкФ.

3.4.Установить сопротивление rн нагрузочного резистора А2 равным, например, 50 Ом.

3.5.Установить индуктивность Lн дросселяА3 равным0,1 Гн.

3.6.Регулировочные рукоятки источника G2 повернуть против часовой стрелки до упора.

3.7.Включить автоматический выключатель и устройство защитного отключения однофазного источника питания G1.

3.8.Привести в рабочее состояние осциллограф.

3.9.Включить выключатель «СЕТЬ» блока датчиков тока и напряжения А10.

3.10.Включить выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р.1 и активизировать используемый мультиметр.

3.11.Включить выключатель «СЕТЬ» источника питанияG2.

3.12.Кнопкой «ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР» источника питания G2 установить режим измерения предельного значения.

67

3.13.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ ТОКА», установить по индикатору ток ограничения источника питания G2 равным, например, 1 А.

3.14.Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ», установить по индикатору желаемое выходное напряжение источника питания G2 равным, например, 25 В.

3.15.Отключить выключатель «СЕТЬ» источника пита-

ния G2.

3.16.Включить выключатель «СЕТЬ» преобразователя А7.

3.17.Вращая рукоятку, установить на индикаторе частоту f задающего генератора преобразователя А7 равной, например, 50 Гц.

3.18.Включить выключатель «СЕТЬ» источника пита-

ния G2.

3.19.На осциллографе наблюдать кривую напряжения на нагрузке инвертора тока, по которой судить о работе инвертора тока.

3.20.Варьировать сопротивление rн и индуктивность Lн нагрузки инвертора тока, сохраняя постоянным отношение Lн/rн равным, например, 0,002 (соответствует cosφн = 0,85). Заносить их значения, а также среднее значение входного тока Id (считывается с индикатора источника питания G2) и действующее зна-

чение напряжения на нагрузке Uн (считывается с мультиметра блока Р.1) в сводную таблицу:

rн, Ом Lн, Гн

Id, А

Uн, В

Yн, Ом–1

3.21.По завершении эксперимента отключить выключатели «СЕТЬ» источника питания G2, преобразователя А7, блока мультиметров Р1 и блока датчиков тока и напряжения А10.

3.22.Используя данные сводной таблицы, вычислить значения проводимости нагрузки по формуле

68

Yн = 1/(rн2 + (2π fLн)2)

изанести их в эту же таблицу.

3.23.Используя данные сводной таблицы, построить иско-

мые входную Id = f(Yн) и внешнюю Uн = f(Yн) характеристики однофазного параллельного инвертора тока.

Содержание отчета

1.Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.

2.Осциллограмма исследованных участков схемы.

3.Сводная таблица данных и диаграмма для каждой части лабораторной работы, где было необходимо построить те или иные характеристики преобразователя.

4.Графики экспериментально полученных характеристик.

Контрольные вопросы

1.Какие основные типы автономных инверторов используются в устройствах силовой электроники?

2.Что является отличительным признаком АИН, АИТ?

3.Какие требования предъявляются к переключающим элементам автономных инверторов?

4.Для чего служат обратные диоды в схемах АИН?

5.При каких условиях и как осуществляется энергообмен между нагрузкой и источником питания?

6.Каким коэффициентом оценивается качество кривой выходного напряжения АИН?

7.Каковы преимущества и недостатки реализации выходного напряжения АИН методом амплитудной модуляции? Какие существуют основные способы получения амплитудно-модули- рованного напряжения с помощью АИН?

8.Какие преимущества дает широтно-импульсный способ формирования кривой выходного напряжения?

69

9.Как можно изменять значение и частоту выходного напряжения АИН при ШИМ?

10.С какой целью включается дроссель Ld и конденсатор Ck

всхему АИТ?

11.Почему напряжение на нагрузке при использовании АИТ зависит от нагрузки?

12.Как можно регулировать или стабилизировать значение выходного напряжения в АИТ?

70