вход Вход Регистрация



4.1 Принцип действия и основные соотношения для однофазного полумостового последовательного инвертора

 

Коммутирующий конденсатор в автономных инверторах может включаться не только параллельно сопротивлению нагрузки, но и последовательно с ним. Схемы автономных инверторов, в которых коммутирующий конденсатор включен последовательно с нагрузкой, называются последовательными инверторами. Вообще говоря, последовательный инвертор может быть собран по любой из известных схем выпрямления, но наибольшее распространение на практике получили однофазные мостовой и полумостовой варианты [3,17]. На рис. 4.1 изображена однофазная полумостовая схема последовательного инвертора.

При включении тиристора VS2 коммутирующая емкость С заряжается с полярностью, обозначенной на рисунке. Обычно в последовательном инверторе процесс заряда емкости носит колебательный характер, и емкость С заряжается до напряжения, не меньшего . При включении тиристора VS1 напряжение коммутирующего конденсатора, суммирующееся с напряжением нижней половины источника питания, прикладывается к нижней половине реактора и вызывает соответствующую ЭДС в верхней половине реактора, которая обеспечивает появление обратного напряжения на выходящем из работы тиристоре. Амплитуда обратного напряжения на вышедшем из работы тиристоре, при достаточно сильной связи между полуобмотками реактора, равна (как будет показано ниже) примерно двойному напряжению на емкости С в момент коммутации. Для анализа электромагнитных процессов в схеме можно использовать допущение о линейности цепи на интервале проводимости одного тиристора [3]. Такой интервал, соответствующий интервалу между моментами переключения силовых полупроводниковых приборов, называется межкоммутационным интервалом. На рис. 4.2 показана эквивалентная схема для межкоммутационного интервала, полученная при допущениях об отсутствии потерь в элементах схемы. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для этой схемы


можно записать:

(4.1)

Дифференцируя правую и левую часть (4.1), получим:

(4.2)

Характеристическое уравнение будет иметь вид:

.

Соответственно, корни характеристического уравнения равны:

(4.3)

В зависимости от соотношения параметров схемы, корни характеристического уравнения могут быть вещественными или комплексно-сопряженными. В соответствии с этим характер процессов в схеме может быть апериодическим или колебательным. Обычно в последовательном инверторе используется колебательный режим, хотя в двухтактных схемах инверторов коммутация возможна и в апериодическом режиме. При работе в колебательном режиме частота собственных колебаний в схеме может быть больше или меньше частоты управляющих импульсов . В первом случае, при w0>, ток в тиристоре спадает до нуля раньше, чем включается следующий тиристор. Кривые токов и напряжений в схеме для этого случая показаны на рис. 4.3. Поскольку ток нагрузки в этом случае носит прерывистый характер, такой режим называют режимом прерывистого тока [3]. Соответственно, при w0<, как показано на рис. 4.4, коммутация происходит при конечном значении тока в схеме. Такой режим работы схемы принято называть режимом непрерывного тока. В этом режиме ток, протекающий, допустим, в верхней полуобмотке реактора, при включении тиристора VS1 весьма быстро переходит (трансформируется) в нижнюю полуобмотку. Скорость этого «скачка» тока определяется коэффициентом связи между полуобмотками реактора, т.е. фактически индуктивностью рассеяния автотрансформатора, образованного полуобмотками коммутирующего реактора. Эта скорость при хорошей связи может быть весьма высокой. Однако, как видно из кривых, приведенных на рис. 4.4, величина скачка тока значительно меньше амплитуды тока нагрузки (а при w0 = он снижается до нуля), что является достоинством схемы, так как условия работы тиристоров облегчаются.

Используя уравнения (4.1) и (4.2), можно, рассчитав процессы в схеме методом припасовывания граничных условий, построить зависимости токов и напряжений в инверторе от параметров нагрузки. Такие вычисления выполнены в [3], причем в качестве обобщенных параметров нагрузки используется коэффициент нагрузки, определяемый соотношением:

(4.4)

где T – период выходного напряжения, определяемый частотой управляющих импульсов.

Результаты расчетов показаны на рис. 4.5.

Анализ приведенных кривых показывает, что наиболее приемлемым режимом работы инвертора является резонансный режим при w0 » . Действительно, увеличение отношения ведет к увеличению времени запирания тиристора, но при этом ухудшается форма выходного напряжения и затрудняется получение значительной мощности, поскольку становится трудно обеспечить колебательный характер процессов в схеме (вследствие того, что уменьшается L).

При работе в режиме непрерывного тока, когда >1 резко сокращается диапазон допустимых значений К, с одной стороны, из-за уменьшения времени запирания, а с другой стороны, по причине резкого возрастания обратного напряжения на тиристорах и напряжения на коммутирующем конденсаторе.

Обращает на себя внимание своеобразная "зеркальность" свойств последовательного инвертора по сравнению с параллельным: при уменьшении сопротивления нагрузки (и росте тока нагрузки) время запирания, напряжения на тиристорах и конденсаторе увеличиваются. В пределе, при коротком замыкании в нагрузке, последовательный инвертор полностью идентичен параллельному инвертору в режиме холостого хода.

Таким образом, сопоставляя свойства параллельного и последовательного инверторов, можно отметить, что основными


достоинствами последовательного инвертора являются жесткость внешней характеристики и более благоприятные условия работы тиристоров, а основным недостатком – значительно более узкий диапазон нагрузок. На практике, применение рассматриваемой схемы удобно лишь в тех случаях, когда параметры нагрузки мало меняются в процессе работы преобразователя.

 

Случайные новости

2 РАБОТА ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ЧАСТОТАХ

2.1 Особенности работы трансформаторов и реакторов

 

При изменению частоты рабочие режимы трансформаторов зависят от ряда противоречивых факторов. С одной стороны, как известно мощность трансформатора с ростом частоты растет, поскольку ЭДС самоиндукции пропорциональная частоте и, в частности, напряжение первичной обмотки трансформатора при синусоидальной форме кривой определяется соотношением [13]:

 

, (2.1)

 

где: - действующее значение напряжения первичной обмотки, В;

- частота напряжения питательной сети, Гц;

- число витков первичной обмотки;

- сечение стрежня сердечника, м 2;

- максимальная индукция в сердечнике, Тл.

С другой стороны, с ростом частоты увеличиваются потери, как в магнитопроводе, так и в меди обмоток трансформатора. Увеличение удельных потерь в электротехнической стали можно приблизительно оценить по следующей формуле [14]:

, (2.2)

где: - удельные потери в постоянные в рабочем режиме, Вт/кГ;

- удельные потери в постоянные при Тл и Гц.

Допустимый уровень потерь в сердечнике определяется конструкцией трансформатора и условиями охлаждения. При прочих равных условиях, с увеличением частоты удельные потери в постоянные растут, и этот рост нужно компенсировать соответствующим снижением индукции. Используя (2.2) для нормального режима и для режима работы при повышенной частоте, приравнявши удельные потери в этих двух режимах, будем иметь:

. (2.3)

 

Решивши, (2.3) относительно индукции в рабочем режиме, получим:

. (2.4)

Таким образом, с ростом частоты индукция в сердечнике трансформатора должна быть уменьшена согласно (2.4). Когда величина рабочей индукции падает к уровню 0,3 – 0,4 Тл, целесообразно отказаться от применения электротехнической стали и использовать сердечники на ферритах. Ферритови сердечники способны работать на частотах к сотням кГц при существенным образом меньших, чем в стальных сердечниках, удельных потерях. Следует обратить внимание, что применение ферритових сердечников на низких частотах нецелесообразное потому, что допустимые индукции в ферритах существенным образом менее, чем в электротехнических сталях ( в ферритах 0,35 – 0,4 Тл, а в сталях 1,5 – 1,8 Тл), что, естественно, обозначается на размерах сердечника трансформатора.

В схемах автономных преобразователей довольно часто трансформаторы работают при несинусоидальному напряжению на обмотках. В частности, исходное напряжениеАИН может иметь прямоугольную форму или составляться из пачек прямоугольных импульсов, продолжительность которых может меняться по какому-нибудь закону. Расчеты потерь в сердечнике в этом случае должен выполняться с учетом влияния высших гармоник, что присутствующие в напряжении на обмотках трансформатора. Подобные режимы рассмотрены в [5,15].

Рост потерь в меди при повышении частоты объясняется проявлением эффекта вытеснения тока на поверхность проводника, который приводит к росту плотности тока в поверхностном пласте меди и ее уменьшение в глубинных пластах проводника. Все это, в конечном итоге, вызывает увеличение активного сопротивления обмотки и приводит к росту потерь. Следует различать активное сопротивление обмотки, что должен измериться на рабочей частоте трансформатора, и омическое сопротивление, которое измерится на постоянном току [3]. Степень проявления эффекта вытеснения удобно оценивать с помощью глубины проникновения тока. Глубиной проникновения тока называется расстояние в радиальном направлении проводника, на котором плотность тока уменьшается в раз, то есть в 2, 71 раза. Можно показать, что в пласте проводника с толщиной, равной глубине проникновения тока, выделяется приблизительно 90 % всех потерь, которые выделяются в проводнике на этой частоте. Глубина проникновения зависит от частоты и параметров материала проводника, и рассчитывается по следующей формуле [3]:

м, (2.5)

где: - глубина проникновения тока, м;

- удельное сопротивление проводника, Ом*м;

- относительная магнитная проницаемость;

- частота тока в проводнике, Гц.

Для меди при температуре 75 0С формулу (2.5) можно переписать в более простом виде [3]:

мм. (2.6)

Таким образом, даже на промышленной частоте глубина проникновения тока в проводниках электрических машин не превышает 10 мм. С ростом частоты эта величина быстро падает: например, глубина проникновения тока в проводнике индуктора закалочной установки, которая работает на частоте 2000 Гц, составляет лишь 1, 5 мм.

Эффективным средством, которое позволяет добиться хорошего использования сечения проводника, есть транспозиция [3,12]. Транспозиция состоит в том, что проводник разбивается на несколько, изолированных друг от вторая, элементарных проводников, с размерами не превышающую глубину проникновения тока. При выполнении обмотки, элементарные проводники периодически меняются местами таким образом, чтобы обеспечить их симметричное расположение в магнитном поле возле сердечника. На рис. 2.1 (а) показанное размещение проводников в обмотке, выполненной с четверых, изолированных друг от друга ветвей. Каждому элементарному проводнику для наглядности присвоенный номер. На каждом витку обмотки размещения проводника, относительно поверхности магнитопровода, возможно в одной из четверых позиций. Через влияние эффекта вытеснения напряженность поля в разных позициях разная, соответственно, реактивные сопротивления проводников, размещенных в разных позициях тоже есть резни. При выполнении обмотки на каждом следующему вьющуюся обеспечивается перемещения проводника в следующую позицию. Итак, за четыре витка проводник побывает во всех четверых возможных позициях. Схема, которая представлена на рис. 2.1 (б), показывает, что в этом случае все четыре ветви имеют одинаковые реактивные сопротивления и, итак, при их параллельном включении тока между ними будут распределяться поровну.

 



Рис. 2.1 - Позиции проводников и эквивалентная схема обмотки

 

При этом важно, чтобы вся обмотка составлялась с целого числа периодов транспозиции – в данном примере, число витков обмотки должна быть кратная четверым. Кроме того, проводники обмотки должны быть изолированы друг от друга.

Поскольку эффект вытеснения оказывается и в ошиновке преобразователя, то в мощных установках для уменьшения потерь при конструировании электрических соединений между элементами схемы, приходится принимать специальные меры для уменьшения или компенсации эффекта вытеснения. В частности, соединительные кабели выполняются скрученными с отдельных, изолированных друг от вторая, проводников, диаметр которых не должен быть более глубине проникновения тока на рабочей частоте.

Все сказанное справедливо и для реакторов, которые работают с высокочастотными составными в току обмотки и в потоке сердечника.

 

© 2019
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру