2.1. Расчет инвертора напряжения

Исходные данные для расчета всем вариантам заданий содержатся в табл. 2.1. Ниже приведен пример расчета инвертора напряжения по данным:

1. Полная мощность нагрузки по первой гармонике S_(1)н = 2500 В·А.

2. Действующее значение напряжения первой гармоники на нагрузке U_(1)н = 50 В (инвертор используется для электродуговой сварки листового же­леза).

3. Коэффициент мощности нагрузки по первой гармонике cos φ₁ = 0,75.

4. Частота первой гармоники выходного напряжения инвертора f₁ = 400 Гц.

5. Источником питания служит сетевой выпрямитель, выполненный по мо­стовой схеме с накопительным конденсатором на выходе. С учётом паде­ния напряжения на элементах выпрямителя U_d = 300 В.

Расчёт инвертора необходимо выполнять после изучения принципи­альной схемы (рис. 2.1) в следующем порядке:

1. Полное сопротивление нагрузки на частоте основной гармоники

(2.4)

2. Активная составляющая сопротивления нагрузки

R_н = Z_н · cos φ_(l) =1,0 · 0,75 = 0,75 Ом. (2.5)

3. Индуктивное сопротивление нагрузки на основной частоте

Таблица 2.1.

Параметры инвертора.

Номер варианта	S(1)н, В·А	U(1), В	cos φ(1)	f1, Гц	Ud, В
1	250	80	0,7	200	300
2	240	60	0,7	400	300
3	480	50	0,75	100	500
4	600	90	0,75	50	500
5	1000	110	0,8	100	600
6	1200	100	0,8	200	600
7	200	110	0,75	100	300
8	300	80	0,75	200	300
9	500	90	0,8	400	500
10	700	60	0,7	200	600

Окончание таблицы 2.1.

11	850	100	0,75	100	600
12	100	80	0,8	100	300
13	240	110	0,8	200	300
14	480	100	0,75	200	500
15	600	80	0,7	100	600
16	300	90	0,7	100	300
17	500	100	0,8	400	600
18	300	90	0,75	400	500
19	200	80	0,75	200	300
20	500	90	0,7	400	600
21	700	100	0,75	200	500
22	850	110	0,8	100	600
23	480	90	0,7	200	500
24	240	80	0,7	400	300
25	200	110	0,7	200	300
26	400	100	07	100	300
27	500	80	0,75	200	400
28	700	90	0,75	200	400
29	850	100	0,8	100	600
30	1000	110	0,8	100	600
31	1200	110	0,8	100	600
32	1100	100	0,8	100	600
33	1000	90	0,75	200	400
34	800	80	0,75	200	400
35	500	80	0,7	400	300
36	400	90	0,7	400	300
37	300	90	0,7	400	300
38	240	80	0,75	200	400
39	250	90	0,7	400	400
40	320	100	0,75	200	600
41	400	110	0,8	100	200
42	500	110	0,8	200	200
43	700	100	0,75	200	400
44	1000	90	0,8	100	600
45	1200	80	0,8	100	600
46	800	100	0,75	200	400
47	240	100	0,75	200	400
48	320	80	0,8	200	200
49	400	90	0,8	100	200
50	500	110	0,7	110	100

X_н=2 - π - f - L_н = Z_н · sin φ₍₁₎ = 1,0 · 0,562 = 0,562 Ом. (2.6)

4. Действующее значение напряжения, приложенного к первичной об­мотке выходного трансформатора,

(2.7)

5. Коэффициент трансформации выходного трансформатора

(2.8)

6. Активное сопротивление нагрузки, приведённое к первичной об­мотке трансформатора,

(2.9)

7. Индуктивное сопротивление нагрузки, приведённое к первичной об­мотке трансформатора,

(2.10)

8. Параметр нагрузки

. (2.11)

9. Базисный ток

(2.12)

10. Максимальное значение тока нагрузки, приведённое к первичной обмотке трансформатора,

(2.13)

11. Среднее значение тока, потребляемое от источника питания,

(2.14)

Полученное значение I_d, а также величина U_d используются при расчёте выпрямителя, питающего инвертор.

12. Угол и время проводимости обратного диода

(2.15)

(2.16)

13. Среднее значение тока через тиристор

(2.17)

14. Среднее значение тока через обратный диод

(2.18)

15. Эффективное значение тока через тиристор

(2.19)

16. Эффективное значение тока через обратный диод

(2.20)

17. Максимальное обратное напряжение на тиристорах и диодах

На основании данных расчёта из справочника [8, 11] выбираем:

а) тиристор типа ТН-10-10 со следующими параметрами:

допустимый средний ток I_{а доп} = 10 А,

допустимое обратное напряжение U_{обр.доп} = 1000 В,

отпирающий ток управления I_у = 0,8 А,

отпирающее напряжение управления U_у = 2 В,

критическая скорость нарастания прямого тока ,

критическая скорость нарастания прямого напряжения: ,

время выключения t_e = 20 мкс;

допустимая частота выпрямителя f_max = 1,2 кГц.

б) диоды обратного выпрямителя типа КД 202 Л со следующими параметрами:

I_{а доп} = 10 А,

U_{обр.доп} = 1000 В,

допустимая частота выпрямителя f_max = 1,2 кГц.

18. Коэффициент формы тока через тиристор

(2.21)

19. Мощность статических потерь

(2.22)

где U₀ – пороговое напряжение, U₀ = 2,33 В; R_д – динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии, определяемое по его статической вольтам­перной характеристике.

Для выбранного тиристора по характеристике находим U₀ = 2,33 В, R_д = 0,0157 Ом.

20. Коэффициент формы тока через обратный диод

(2.23)

21. Мощность статических потерь в диоде

(2.24)

Для выбранного диода U₀ = 0,78 В, динамическое сопротивление диода R_д = 0,043 Ом. Значение мощности потерь в тиристоре и диоде используются для расчёта площади теплоотводящего радиатора.

22. Действующее значение напряжения на первичной обмотке выход­ного трансформатора

U₁ = U_d = 270 В.

23. Действующее значение напряжения на нагрузке

U_н = U₁n = 270·0,18 = 48,65 В. (2.25)

24. Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора

(2.26)

25. Действующее значение тока в нагрузке

(2.27)

26. Расчётная мощность первичной обмотки трансформатора

S₁=U₁·I₁= 270·8,86 = 2594 В·А. (2.28)

27. Расчётная мощность вторичной обмотки трансформатора

S₂=·I₂= 50·49,2 = 2460 В·А. (2.29)

28. Типовая мощность трансформатора

29. Определяем параметры коммутирующих элементов исходя из ус­ло­вия минимума энергии, накопленной в контуре коммутации [11]:

(2.30)

(2.31)

где t_c = (1,2...2)·t_в. Принимаем t_c = 25 мкс.

30. Максимальное напряжение на коммутирующем конденсаторе в ин­тер­вале возврата энергии из контура коммутации

(2.32)

где К_вз – возвратный коэффициент.

В соответствии с рекомендациями, приведёнными в [1], К_вз выбирают в пределах 0,1 ... 0,2. Примем К_вз = 0,1.

31. Амплитуда первой гармоники напряжения на конденсаторе

(2.33)

В качестве коммутирующего конденсатора используем конденсаторы типа МБГИ, для которых в соответствии с ТУ [8] допустимая амплитуда пе­ременной составляющей на частоте 1000 Гц составляет 20 % от рабочего на­пряжения. Следовательно, рабочее напряжение кон­денсатора должно быть

(2.34)

Для получения нужной емкости и рабочего напряжения конденсаторы выбранного типа можно включить параллельно и последовательно. Вклю­чаем последовательно 3 конденсатора по 10 мкФ на рабочее напряжение U_раб = 750 В.

32. Постоянная составляющая токов в дросселях L₁ и L₂

33. Скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре

(2.35)

34. Скорость нарастания прямого тока при отпирании тиристора

(2.36)

Полученные значения не должны превышать величины, приводимые в паспорте на выбранный тиристор.

35. Постоянная времени цепи нагрузки

(2.37)

36. Напряжение на конденсаторе

37. Частота основной гармоники пульсаций на конденсаторе, обусловленных работой инвертора

В качестве накопительного конденсатора выбираем конденсатор типа К5О-ЗБ с рабочим напряжением 450 В. В соответствии с ТУ на данный конденсатор допустимая амплитуда переменной составляющей на частоте 800 Гц составляет 1,5 % от рабочего напряжения [11]

U_п.доп = 0,015 · 450 = 6,75 В.

38. Емкость накопительного конденсатора

(2.38)

Принимаем емкость конденсатора С₁ = 120 мкФ.

Рассмотренная методика расчета схемы мостового инвертора напряжения на тиристорах пригодна и для расчета схемы на транзисторах. Параметры отечественных биполярных и полевых транзисторов большой мощности приведены в справочниках [8, 11], а параметры импортных полевых и IGBT транзисторов в таблицах П.1, П.2, П.3 приложения.