7. 

8. Однополупериодный инвертор

10. 

11. Выпрямительный режим

12. 

14. Инверторный режим

Если вывод «плюс» ба­тареи АБ соединен с ка­тодом вентиля В (как по­казано на рисунке пунк­тиром), то схема может работать в выпрямитель­ном режиме на нагрузку в виде противо- э. д. с. В этом режи­ме включение вентиля VS возможно при условии превышения э. д. с. сети над противо-э. д. с, со­здаваемой аккумулятор­ной батареей. При до­пущении равенства нулю внутренних сопротивле­ний источников перемен­ного и постоянного токов можно считать, что их на­пряжения равны э. д. с, т. е. е_аь=U_аь и Ed = Ud.

При подаче на вен­тиль отпирающего им­пульса в момент = 1, определяемый углом управления , вентиль включается и из сети в батарею начинает поступать ток id. Благодаря сглаживающему реактору Ld ток id будет плавно изменяться во времени: увеличиваясь, пока uab>Ud, и уменьшаясь при Ud>uab. В момент 1 (соот­ветствующий равенству заштрихованных площадей на рисунке) ток id становится равным нулю, а вентиль VS выключается. Протекание через вентиль тока id на ин­тервале от ₂ до з, когда Ud>uab, обусловлено накоп­лением электромагнитной энергии в реакторе Ld. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрям­ленным током id (ток id направлен навстречу э. д. с. Ed). Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить вентиль VS или батарею АВ так, чтобы катод вентиля был соединен с выводом «минус» бата­реи. Рассмотрим инверторный режим более подробно.

Передача энергии от одного источника к другому про­исходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу э. д. с. источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда э. д. с. сети е_аь направлена навстречу току id, про­текающему в схеме. Если в момент 1 на вентиль подать отпирающий импульс, то вентиль включится, поскольку вплоть до момента 2 напряжение иаь по абсолютному значению меньше напряжения Ud. Под воздействием разности напряжений Ud—и_аь в цепи начнет протекать ток id, противоположный по знаку напряжению сети и_аь. Наличие в схеме сглаживающего реактора Ld ограничи­вает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать через вентиль после того, как иab по абсолютному значению станет больше Ud и станет равным нулю в момент 3, соответствующий равенству заштрихованных областей на рисyнке. Схемы зависимых инверторов по существу не отличаются от схем управляемых выпрямителей. Поэтому они могут рассматриваться как схемы реверсивных преоб­разователей, способных передавать электрическую энер­гию из сети в источник постоянного тока (выпрямитель­ный режим) и наоборот (инверторный режим). (Термин происходит от латинского слова «reversus» — обращен­ный назад, возвращенный).Схема однополупериодного инвертора из-за плохих технико-экономических показателей не на­шла распространения.

7. Укажите назначение инвертора ведомого сетью. Изобразите электрическую принципиальную схему однофазного мостового инвертора. Укажите условия, необходимые для осуществления инверторного режима работы схемы.

Инвертор - устройство для преобразования постоянного тока в переменный

Применение инверторов ведомых сетью: на приемном конце линии передачи постоянного тока, работа попеременно в выпрямительном и инверторном режимах (перевод прообразователя для привода двигателя постоянного тока в инверторный режим позволяет осуществить ускоренное торможение этого двигателя).

Условия, при которых управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим, следующие:

1) наличие в качестве нагрузки выпрямителя эдс (аккумулятор или двигатель постоянного тока, работающий в генераторном режиме);

2) направление тока и противоэдс электрической машины должны совпадать;

3) ток и эдс вентильной обмотки трансформатора должны быть направлены встречно;

4) угол управления тиристоров должен превышать 90° эл.;

5) режим непрерывного тока нагрузки обеспечивается, если в цепь нагрузки включается большая индуктивность.

Для работы схемы в инверторном режиме необходимо, чтобы двигатель с противоэдс Ed исполнял роль источника, а трансформатор – приемника энергии. Как известно, в источнике направление эдс и тока совпадают, а в приемнике они направлены в противоположные стороны. Чтобы обеспечить подобный режим, необходимо включать тиристоры в те моменты времени, когда при положительном направлении противоэдс Ed напряжение вторичной обмотки трансформатора отрицательно. Положительное по отношению к вентилям направление эдс электрической машины на электровозе обычно обеспечивается изменением полярности питания обмотки возбуждения. Выбор противоположного направления эдс вторичной обмотки обеспечивается с помощью системы управления при угле управления p/2 ≤ a ≤ p.

На рисунке представлена схема силовой части однофазного мостового зависимого инвертора, которая применяется на электроподвижном составе переменного тока. Рассмотрим работу схемы при следующих условиях: трансформатор и вентили идеальны (хт = 0, Rд.пр. = 0) и индуктивное сопротивление реактора, включенного последовательно с электрической машиной, имеет достаточно большое значение по отношению к активному сопротивлению всей цепи (хd → ∞).

Во время открытого состояния тиристоров VS1 и VS4 (рис. 6.1) ток от положительного полюса генератора (генератора с эдс Ed) протекает по цепи: +Ed, VS4, вывод обмотки трансформатора х, начало обмотки а, тиристор VS1, индуктивность xd, минус источника Ed. Направление тока id совпадает с направлением эдс (это источник), а в обмотке трансформатора направление тока и напряжения противоположно (приемник энергии).

В следующий момент времени системой управления (СУ) открываются тиристоры VS2 и VS3 и закрываются VS1 и VS4. Ток по источнику Ed будет протекать в прежнем направлении, а по обмотке трансформатора изменится на противоположный. Направление эдс вторичной обмотки трансформатора е2 соответственно изменится на обратное.

Схема однофазного мостового зависимого инвертора

7. Автономные инверторы.

   1. Дать определение автономного инвертора.

   2. Изобразить блок-схему автономного инвертора.

   3. Дать классификацию автономных инверторов.

Ответ

Автономным (независимым) 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.

Автономный инвертор представляет собой электриче­ский агрегат, силовая часть которого состоит в самом общем случае из следующих основных узлов входного фильтра Ф1, собственно инвертора И, содер жащего тиристоры, диоды и коммутирующие элементы, трансформатора Тр и выходного фильтра Ф2.

Блок-схема инвертора.

Инверторы различаются по мощности, напряжению, числу фаз вторичной обмотки

трансформатора, способу регулирования выходного напряжения, по схеме инвертирования.

Инверторы классифицируют по следующим признакам:

а) по характеру электромагнитных процессов, про­текающих в схеме;

б) по способу коммутации тиристоров или схеме включения коммутирующих элементов;

в) по схеме преобразования (конфигурации соединений элементов силовой части).

По характеру электромагнитных процессов, про­текающих в схеме, автономные инверторы делятся на инверторы тока, инверторы напряжения и резонансные инверторы. За определяющий признак принимается проводимость цепи постоянного тока со стороны непосредственно преобразующей части относительно переменой составляющей напряжения.

При классификации инверторов (осо­бенно многофазных) используют принцип связи комму­тирующего устройства с основными тиристорами инвер­тора. При этом обычно различают инверторы:

а) с повентильной коммутацией -к каждому основ­ному тиристору схемы подключено отдельное коммути­рующее устройство;

б) с пофазной или групповой коммутацией -в схеме для коммутации тиристоров одной фазы или группы тиристоров используется отдельное коммутирующее устройство;

в) с включением коммутирующего устройства между фазами; |

г) с одним общим коммутирующим устройством на все основные тиристоры схемы.

По схеме преобразования различают однофазные, трехфазные и многофазные инверторы. Эти схемы могут быть выполнены без нулевого вывода и с нулевым выводом в цепи нагрузки или цепи постоянного тока (схемы со средней точкой).Трехфазные, многофазные и однофазные схемы без нулевого вывода называют мостовыми.

10. Автономный инвертор тока.

    1. Указать назначение инвертора тока.

    2. Описать принцип работы автономного инвертора тока по предложенной схеме.

    3. Указать, почему данный инвертор называется параллельным инвертором тока?

Ответ

Автономный инвертор тока предназначен для преобразователь электрической энергии постоянного то­ка в переменный, его выходные параметры определя­ются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы.

Рассмотрим работу схемы однофазного мостового параллельного инвертора тока (коммутирующая емкость на выходе инвертора подключена параллельно нагрузке).

Предположим, что в проводящем состоянии находятся тиристоры VS1 и VS4. В момент времени, определяемой системой управления, подаются отпирающие импульсы на тиристоры VS2 и VS3, они включаются, и цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через все открытые тиристоры схемы. В результате этого возпикает разряд коммутирующего конденсатора С_к. 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. После выключения тиристоров VS1 и VS4 ток начинает проходить через тиристоры VS2 и VS3 , вследствие чего направление тока нагрузки скачком изменяется. Напряжение в момент коммутации не изменяется из-за наличияв схеме конденсатора С_к. К тиристорам VS1 и VS4 скачком прикладывается обратное напряжение и они имеют возможность восстанавливать запирающие свойства. Для нормальной коммутации необходимо, чтобы выполнялось условие:

где — угловая частота выходного напряжения; — время выключения тиристора.

В противном случае после прохождения напряжения черен 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 возникает аварийный режим, когда во включенном состоянии будут находиться одновременно все тиристоры («опрокидывание» инвертора). Для обеспечения условия необходимо, чтобы вся нагрузка вместе с конден­сатором имела емкостный характер и ток опережал напряжение.

Так как индуктивность сглаживающего реактора при­нята , ток в инверторе идеально сглажен и со­ответственно выходной ток инвертора имеет прямоугольную форму.

10. Автономный инвертор напряжения.

    1. Указать назначение инвертора напряжения.

    2. Описать принцип работы автономного инвертора напряжения по предложенной схеме.

    3. Указать, какие допущения принимаются при рассмотрении данной схемы?

Ответ

Автономный инвертор напряжения предназначен для преобразователь электрической энергии постоянного то­ка в переменный, его выходные параметры определя­ются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы.

Рассмотрим схему инвертора, на тран­зисторах, зашунтированных в обратном направ­лении диодами VD1-VD4, которые служат для возврата реактивной мощности нагрузки в источник постоянного тока.. Примем следующие допущения:

1. транзисторы и диоды являются «идеальными»,т. е. их сопротивления в открытом состоянии, время включения и выключения равны нулю;

2. в элементах схемы нет потерь энергии;

3. внутреннее сопротивление источника постоянного тока равно нулю.

Когда открыты транзисторы VT1 и VT4, напряжение на нагрузке имеет полярность, указан­ную на схеме, а ток нагрузки нара­стает по экспоненциальному закону. В момент времени, определяемой системой управления по­ступают сигналы управления, запирающие транзисторы VT1 и VT4, и отпирающие VT2 и VT3. Поскольку ток 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 VD3 и VD2, которые включаются при запирании транзисторов VT1 и VT4 из-за возникновения противо-э.д.с в индуктивности нагрузки, превышающей напряжение источника пита­ния.

Включение диодов VD3 и VD2 приводит к изменению знака напряжения нагрузки на противоположное Под воздействием встречного на­пряжения ток нагрузки, протекающий через диоды VD3 и VD2 в источник питания, начинает умень­шаться также по экспо­ненциальному закону. При спадании тока до нуля диоды выключа­ются и ток нагрузки на­чинают проводить транзи­сторы VT2 и VT3 , на базах которых присутствует отпирающий сигнал уп­равления. Далее анало­гичные процессы перио­дически повторяются.

Таким образом, на на­грузке будет напряжение прямоугольной формы. Ток нагрузки будет иметь экспоненциальную форму, а значение его определит­ся параметрами нагрузки. Ток через обратновключенные диоды VD1-VD4, будет протекать на интервалах, начала которых совпадают е моментами поступлении управляющих сигналов, а длительность зависит от индуктивности нагрузки. Во время протекании тока через диоды происходит возврат энергии из нагрузки в источник постоянного тока. Отсутствие дио­дов в схеме приводило бы к появлению недопустимых перенапряжений на транзисторах.

10. Преобразователи частоты.

    1. Дать определение преобразователей частоты.

    2. Указать, какие параметры зависят от схемы преобразования.

    3. Дать классификацию преобразователей частоты.

    4. Изобразить структурную схему преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

    5. Указать назначение блоков.

Ответ

Полупроводниковый преобразователь, осуществляю­щий преобразование электрической энергии переменного тока одной чистоты в переменный ток другой частоты, называется преобразователем частоты.

Преобразователи частоты классифицируются по мощ­ности, напряжению, числу фаз входного и выходного напряжений, схеме преобразования и т. д. Работа пре­образователя и его технико-экономические характеристи­ки в основном определяются схемой преобразования. От схемы преобразования непосредственно зависят:

а) параметры выходного напряжения;

б) коэффициент мощности преобразователя по входу и выходу;

в) форма кривой переменного тока, потребляемого из питающей сети;

г) внешняя (нагрузочная) характеристика преобра­ зователя;

д) к. п. д.

Преобразователи частоты выполняются с фиксирован­ным соотношением частот входного и выходного напря­жений и с переменным их соотношением или с регули­руемой частотой. Преобразователи с регулируемой частотой нашли широкое применение в области электро­привода для регулирования скорости асинхронных двига­телей.

При классификации преобразователей частоты выде­ляют два основных класса:

1. преобразователи с промежуточным звеном посто­янного тока;

2. преобразователи с непосредственной связью пита­ющей сети и цепей нагрузки, которые называются преобразователями с неявно выражен­ным звеном постоянного тока.

Преобразователи с непосредственной связью подраз­деляются на преобразователи с естественной коммута­цией тиристоров (под воздействием напряжения питаю­щей сети), называемые также циклоконверторами, и преобразователи с искусственной (принудительной) ком­мутацией тиристоров.

Структурная схема преобразователя частоты с про­межуточным звеном. Переменное напряжение с частотой , поступает на вход выпря­мителя В, Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на вход автономного инверто­ра АИ, имеющего выходное напряжение с частотой f₂. В преобразователях данного класса частота выходного напряжения не зависит от частоты питающей сети и мо­жет быть как больше, так и меньше этой частоты.

10. Преобразователь частоты с непосредственной связью.

    1. Указать назначение преобразователя.

    2. Описать принцип работы преобразователя по предложенной схеме.

    3. Указать основное отличие этих преобразователей от преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока.

Ответ

Полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование электрической энергии переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, называется преобразователем частоты.

Ocновой силовой части преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристоров, каждая из которых мо­жет работать в выпрямительном или инверторном режи­ме. Чаще всего такие преобразователи выполняются с естественной коммутацией тиристоров и поэтому име­ют частоту выходного напряжения, меньшую, чем часто­та питающей сети в отличие от преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока.. Это обстоятельство обусловило их широкое применение в области электропривода для час­тотного регулирования скорости двигателей путем изме­нения частоты выходного напряжения в диапазоне низ­ких частот (ниже частоты промышленной сети f=50 Гц).

Рассмотрим принцип работы преобразователя с не­посредственной связью и естественной коммутацией на примере трехфазно-однофазной схемы В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: группу: катодную (VS1,VS2,VS3) и анод­ную (VS4, VS5,VS6). Допустим, что нагрузка Z_n активная. Отпирающие импульсы в процессе работы покупают па тиристоры анодной и катодной групп поочередно. Когда отпирающие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сели, подаются последователь­но па тиристоры катодном группы VS1,VS2,VS3, он работа­ет в режиме выпрямления (по трехфазной схеме со сред­ней точкой), формируя на нагрузке положительную полуволну напряжения относительно нулевого вывода трансформатора. Отпирающие импульсы поступают на тиристоры со сдвигом относительно линей­ных напряжений питающей сети на угол . При работа тиристоров анодной группы VS4, VS5,VS6 на нагрузке отно­сительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения. В результате цикличной работы групп I и II на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники f₂, более низкой, чем частота питающей сети f\.

Частота f₂ определяется временем, в течение которо­го проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла а можно регулировать выходное напряжение. Для исключения постоянной составляющей в напряжении на нагрузке времена работы анодной и катодной групп должны быть равны между собой. Тиристоры катодной группы вступают в работу только после спада­ния до нуля полуволны напряжения, формируемой анод­ной группой, и наоборот. Это объясняется тем, что ти­ристор находится во включенном состоянии до тех нор, пока ток, протекающий через него (в рассматриваемом случае ток совпадает по фазе с напряжением), не спадет до нуля.

В трехфазно-однофазной схеме тиристоры каждой группы коммутируют между собой (внутригрупповая коммутация) через интервал времени, равный /3.

10. Задатчик углов отпирающих импульсов системы управления.

    1. Указать назначение задатчика углов отпирающих импульсов.

    2. Описать принцип действия задатчика углов формирования отпирающих импульсов по предложенной схеме.

    3. Изобразить диаграммы напряжений на элементах схемы.

Ответ

Задатчики углов преимущественно используются в системах управления инверторов тока с формой выход­ного напряжения, близкой к синусоидальной. Функции его заключаются и вырабатывании сигнала для форми­рования отпирающего импульса в определенной фазе относительно выходного напряжения инвертора.

На рисунке представлен вариант схемы задатчика угла одного канала системы управления однофаз­ного инвертора тока. Принцип действия схемы следующий. Переменное напряжение с выхода инвертора подается на трехобмоточный трансформатор Тр, а со вторичных обмоток трансформатора — на резисторы R1 и R2. Необходимые напряжения и_х и и₂ (от которых зависит угол инвер­тора) устанавливаются резисторами R1 и R2. Конденсатор С является элементом памяти амплитуды напряже­ния , а диод VD является разделительным не позво­ляет разряжаться конденсатору на резистор R2.

В основу такого задатчика заложен принцип верти­кального управления, согласно которому формирование отпирающих импульсов происходит при наступлении ра­венства по амплитуде двух или более сигналов.

В данной схеме момент формирования отпирающего импульса определяется равенством напряжений:

Коэффициенты k₁ и k₂ определяются коэффициентом трансформации трансформатора и положением ползун­ков резисторов R1 и R2.

Угол опережения инвертора (в данном случае угол между отпирающим импульсом и моментом спадания выходного напряжения до нуля) может быть определен из соотношения

=arcsin k₂/ k₁.

Такая схема задатчнка достаточно проста и обеспе­чивает постоянство угла в большинстве режимов работы инвертора. Кроме того, данная схема позволяет автома­тически регулировать величину угла введением сигна­ла от системы автоматического регулирования ин­вертора.

Диаграмма напряжений на элементах схемы.