вход Вход Регистрация



Автономными преобразователями принято называть полупроводниковые преобразователи, работа которых (в отличие от преобразователей, ведомых сетью) базируется на искусственной коммутации. В настоящее время, как правило, используется два вида искусственной коммутации: емкостная и принудительная. Для реализации емкостной коммутации необходимо иметь соответствующий коммутирующий конденсатор, заряд которого выступает в качестве источника коммутирующей эдс. Принудительная коммутация осуществляется с помощью полностью управляемых приборов, при этом переход тока с одного силового прибора на другой происходит в результате выключения прибора, проводившего ток до начала коммутации. Основными видами автономных преобразователей являются следующие:

- Автономные инверторы тока (АИТ)

- Автономные инверторы напряжения (АИН)

- Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН).

Каждый из перечисленных видов можно разделить на подвиды, например, инверторы тока делятся на параллельные, последовательные, последовательно-параллельные, резонансные и т.д. Инверторы напряжения можно разделить на однофазные и трёхфазные, с амплитудным или широтно-импульсным регулированием. Подробная классификация известных схем автономных инверторов является достаточно сложной задачей, которая выходит за рамки данной работы. Следует отметить то обстоятельство, что любой из известных вариантов автономных инверторов может быть выполнен по любой из известных схем выпрямления. Например, параллельный инвертор может быть однофазным (мостовым или нулевым) или трёхфазным и т.д. То же справедливо и по отношению к схемам АИН.

Строго говоря, третий вид автономных преобразователей (ИППН) не является вполне самостоятельным, так как ИППН можно рассматривать как подвид инверторов напряжения (однотактные АИН), но в настоящее время ИППН фактически выделились в отдельное направление силовой электроники, имеющее своеобразные схемные решения и специфические методы расчёта.

В курсе «Автономные преобразователи» рассматриваются принципы построения схем полупроводниковых преобразователей частоты с искусственной коммутацией, электромагнитные процессы в этих схемах, а также методы расчёта и проектирования устройств указанного типа. Наиболее общие принципы построения схем автономных инверторов известны, в масштабах истории электроники, достаточно давно [1,2]. Интересно отметить, что первые промышленные образцы автономных инверторов были созданы на базе ионных приборов.

В основе современной схемотехники силовой электроники лежат силовые полупроводниковые приборы. С точки зрения управляемости, все известные типы силовых полупроводниковых приборов могут быть подразделены на три класса:

- приборы неуправляемые – приборы, момент включения и выключения которых определяется полярностью напряжения между анодом и катодом (направлением тока в анодной цепи), например, диоды;

- приборы с неполным управлением – приборы, момент включения которых определяется не только полярностью напряжения между анодом и катодом, но и наличием сигнала в цепи управления, а момент выключения определяется лишь направлением анодного тока, например, обычные тиристоры;

- приборы с полным управлением – приборы, в которых и момент включения, и момент выключения определяются не только полярностью напряжения между анодом и катодом, но и соответствующими сигналами в цепи управления. Примерами их могут служить силовые транзисторы и запираемые тиристоры.

Характерная особенность приборов с неполным управлением, а именно невозможность их выключения без изменения направления анодного тока, создает известные трудности для обеспечения коммутации в схемах автономных инверторов. Вот почему описание методов преодоления этих трудностей является одной из существенных задач данного курса. В то же время достоинства, которыми обладают современные схемы автономных инверторов, обеспечивают успешное применение их в различных областях техники, основными среди которых могут быть названы следующие:

- электротермические установки повышенной частоты для индукционного нагрева (500-10000 Гц);

- высокочастотные источники питания люминесцентных ламп;

- преобразователи для блоков питания бортовой аппаратуры;

- агрегаты бесперебойного питания;

- электропривод постоянного тока с широтно-импульсным управлением;

- электропривод переменного тока с частотным управлением.

Следует отметить, что совершенствование элементной базы силовой электроники, в частности, появление доступных, быстродействующих силовых транзисторов (MOSFET, IGBT), привело к тому, что в настоящее время наблюдается распространение методов, характерных для автономных преобразователей, на системы с преобразователями ведомыми сетью, в которых традиционно использовалась естественная коммутация. Как известно, принципиальными недостатками тиристорных управляемых выпрямителей с фазовым регулированием является несинусоидальная форма входного тока и быстрое снижение входного коэффициента мощности при увеличении глубины регулирования выходного напряжения. Переход от фазового метода регулирования к широтно-импульсному, с соответствующей заменой тиристоров на приборы с полным управлением, позволяет успешно решать эти проблемы. В результате, появились относительно новые области применения "автономных преобразователей" - высокочастотные корректоры коэффициент мощности, выпрямители с формированием кривой входного тока (активные выпрямители), источники реактивной мощности и т.п.

Современные силовые полупроводниковые приборы позволяют создавать автономные инверторы с установленной мощностью до единиц мегаватт, работающими в диапазоне выходных частот от единиц герц до сотен килогерц.

 

В.1 Методы анализа схем автономных преобразователей

 

Схемы автономных преобразователей, с точки зрения теории цепей, являются схемами с переменной структурой, содержащими, как правило, несколько реактивных элементов, периодически переключаемых. Эти обстоятельства весьма затрудняют анализ электромагнитных процессов, происходящих в схемах. Одним из методов, применяемых при анализе схем инверторов, является метод мгновенных значений (метод припасовывания), базирующийся на том, что между моментами коммутации схема может рассматриваться как линейная (неизменная) [3,4]. В этом случае для схемы составляется система дифференциальных уравнений, описывающая процессы в схеме на интервале между моментами коммутации, которая затем решается обычными способами. Граничные условия находятся или последовательным расчетом, начиная с нулевых начальных условий, или для установившегося режима, исходя из равенства граничных условий в начале и в конце интервала. В первом случае можно рассчитать как переходный, так и установившийся режим; во втором случае – лишь установившийся. Для отыскания закона изменения граничных условий в ряде случаев удается использовать аппарат разностных уравнений. Наиболее типичным затруднением при таком методе анализа является громоздкость результатов, имеющая место даже при анализе схем, описываемых дифференциальным уравнением 2-го порядка. При наличии же уравнения более высокого порядка результат или вообще не может быть получен в общем виде, или же он настолько громоздок, что не имеет практического смысла. В подобных случаях стремятся использовать более простые и наглядные приближенные методы, наиболее распространенным из которых является метод гармонических составляющих.

Известно, что метод гармонических составляющих базируется на принципе наложения, который применим лишь для линейных цепей. Поэтому при использовании этого метода необходимо предварительно составить линейную схему замещения, в которой процессы переключения учитываются с помощью эквивалентного генератора несинусоидальной ЭДС или несинусоидального тока с известным гармоническим составом [4,5]. В большинстве случаев для решения инженерных задач высшими гармониками при расчете можно пренебречь.

В последние годы для расчета инверторных схем все шире применяются компьютеры. Наличие разнообразных стандартных пакетов (Pspice, MicroCap, WorkBench и т.п.), предназначенных для моделирования электромагнитных процессов в электрических цепях, позволяет весьма эффективно решать проблемы расчёта рабочих режимов автономных преобразователей. При этом весьма полезными становятся приближённые методы расчёта, позволяющие быстро произвести предварительную оценку требуемых параметров схемы, что, в свою очередь, позволяет сократить время моделирования и поиска оптимальных режимов. Необходимо подчеркнуть, что компьютер является лишь мощным вычислительным средством, которое правильно работает в руках квалифицированного специалиста, отчётливо понимающего суть процессов, происходящих в моделируемом устройстве. В противном случае, желаемые результаты труднодостижимы или, что ещё хуже, могут быть получены неправильные результаты, которые в дальнейшем приводят к неправильным техническим решениям и неоправданным затратам.

 

В.2 Идеальные инверторы тока и напряжения

 

Все многообразие схем автономных инверторов принято в настоящее время делить на две группы: инверторы напряжения и инверторы тока [4,6,7]. Инвертором напряжения принято называть преобразователь (обычно полупроводниковый), преобразующий энергию постоянного тока в энергию переменного тока и формирующий в нагрузке кривую напряжения (обычно прямоугольной формы). При этом кривая тока в нагрузке зависит от характера нагрузки. Инвертор напряжения должен питаться от источника напряжения и имеет достаточно жёсткую внешнюю характеристику.

Соответственно, инвертором тока называется преобразователь, преобразующий энергию постоянного тока в энергию переменного тока и формирующий в нагрузке кривую тока (обычно прямоугольной формы). При этом кривая напряжения в нагрузке зависит от характера нагрузки. Инвертор тока должен питаться от источника тока и имеет весьма мягкую внешнюю характеристику.

На рис. В.1 показана схема идеального инвертора напряжения при активно-индуктивной нагрузке. Схема содержит источник эдс , нагрузку и идеальный коммутатор , способный переключать зажимы источника питания и нагрузки бесконечно быстро и без разрыва тока. Если такая коммутация осуществляется периодически с интервалом времени , то кривые токов и напряжений в схеме будут иметь вид, показанный на рис. В.2. Очевидно, что в этой схеме форма и амплитуда выходного напряжения не зависит от параметров нагрузки. Характерной особенностью инвертора напряжения является разрывный характер кривой входного тока . Поэтому в реальных схемах на входе АИН приходится устанавливать емкостной фильтр, предназначенный для подавления перенапряжений, возникающих при коммутации тока нагрузки. Следует иметь в виду, что прямоугольная форма выходного напряжения АИН делает невозможной работу схемы на нагрузку, содержащую ёмкость, подключённую параллель-

но выходным зажимам инвертора, так как напряжение на ёмкости не может изменяться мгновенно.

Активная мощность, потребляемая нагрузкой, отбирается от источника и определяется средним значением входного тока . Интересно отметить, что баланс по реактивной мощности в этой схеме не может быть рассчитан обычными методами. Например, если разложить в ряд Фурье кривые выходного напряжения и тока в нагрузке, то нетрудно вычислить реактивную мощность, потребляемую нагрузкой по любой гармонике:

(В1.1)

где , - амплитуды k-той гармоники напряжения и тока нагрузки;

- угол сдвига между k-тыми гармониками тока и напряжения.

С другой стороны, реактивная мощность источника питания равна нулю для любой гармоники тока , поскольку напряжение источника постоянно и не содержит ни одной гармонической составляющей. Причиной возникновения указанной коллизии является нелинейность рассматриваемой схемы, в то время как понятие реактивной мощности хорошо работает лишь в линейных цепях. В то же время, нетрудно видеть, что в данной схеме потребность нагрузки в реактивной мощности обеспечивается за счет источника питания, так как коммутатор не является ни источником, ни накопителем энергии. Проблемы расчета составляющих мощности в схемах, используемых в силовой электронике, детально рассмотрены в [8].

На рис. В.3 показана схема идеального инвертора тока. Схема содержит источник тока , нагрузку и идеальный коммутатор , свойства которого аналогичны свойствам коммутатора в схеме АИН. В этой схеме в нагрузке формируется кривая тока прямоугольной формы, а кривые напряжения зависят от параметров нагрузки. Как видно из развёрток процессов, показанных на рис. В.4, кривые выходного и входного напряжения АИТ похожи на соответствующие кривые токов в АИН и наоборот. Как известно, в теории цепей подобные схемы называются дуальными. Эта дуальность наблюдается и в свойствах инверторов тока и инверторов напряжения. Так, например, реактивная мощность, генерируемая ёмкостью нагрузки теперь должна потребляться источником тока. На входе АИТ устанавливается не емкостной, а индуктивный фильтр, внешняя характеристика инвертора тока не жёсткая, а круто падающая, и для нормальной работы схемы необходим не индуктивный, а емкостной характер нагрузки.

Особенности электромагнитных процессов, протекающих в рассмотренных двух типах схем автономных инверторов, необходимо учитывать при практической их реализации. В частности, в инверторах напряжения кривая входного тока обычно имеет двуполярный характер, поэтому источник и коммутатор должны быть реверсивными (обратимыми), т.е. должны обладать способностью пропускать ток, как в прямом, так и в обратном направлениях. В инверторах тока кривая входного тока обычно однополярна. В этом случае источник и коммутатор могут быть нереверсивными, что приводит к упрощению схемы преобразователя и к снижению установленной мощности силовых полупроводниковых приборов.

Дуальность инверторов напряжения и инверторов тока проявляется и в их поведении при изменении нагрузки: инверторы напряжения спокойно работают в режиме холостого хода, но плохо переносят перегрузки по току. В частности, определенные проблемы возникают в организации защиты инверторов напряжения от коротких замыканий в нагрузке. Соответственно, инверторы тока плохо работают в режиме холостого хода, но значительно легче переносят короткие замыкания в нагрузке. Это свойство особенно ярко проявляется в транзисторных инверторах тока, в которых нет проблемы устойчивости коммутации.

Независимо от вида автономного инвертора, при повышенных частотах режимы работы, как силовых полупроводниковых приборов, так и других элементов силовой схемы, существенным образом отличаются от соответствующих режимов при промышленной частоте. Ниже изложены основы теории и расчета электромагнитных процессов в автономных инверторах, и особенности работы элементов схемы в устройствах такого типа.


© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру