Материал: Лекции_АИ_АИН_28
Автономные инверторы напряжения
Автономный инвертор напряжения (АИН) – это устройство,
преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока (AC/DCпреобразователь), работающий на автономную нагрузку, не содержащую источников энергии той же частоты, что и выходная частота автономного инвертора. Форма выходного напряжения АИН определяется порядком работы вентилей (IGBT – транзисторов или тиристоров), а форма тока зависит от характера нагрузки. Автономный инвертор напряжения должен питаться от источника напряжения. Силовая схема содержит силовые вентили, периодически подключающие в соответствии с выбранным законом управления нагрузку к источнику питания, входной конденсатор, блокирующий переменную составляющую тока, тока нагрузки. потребляемого АИН, и обратные диоды, образующие контур для индуктивной составляющей тока нагрузки.
1. Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения
На рисунке 1 приведена принципиальная электрическая схема однофазного мостового автономного инвертора напряжения (ОМАИН),
выполненного на полностью управляемых тиристорах (рис.1.а) и на транзисторах (рис.1.б)
а) б)
Рис.1 Принципиальные схемы однофазного мостового автономного инвертора напряжения
Принцип действия обеих схем одинаков, поэтому дальнейшее рассмотрение ведется с использованием схемы, изображенной на рис.1.а.
В первом полупериоде импульсы управления подают на накрест лежащие тиристоры VS1 и VS2. Они открываются, и нагрузка подключается к источнику питания Ud, ток нагрузки iн возрастает. Временные диаграммы,
характеризующие работу схемы, представлены на рисунке 2.
Рис.2 Временные диаграммы процессов в ОМАИТ
В момент времени = на тиристоры подаются управляющие импульсы, тиристоры VS1 и VS2 закрываются, а VS3 и VS4 открываются. При активно-индуктивной нагрузке ток iн мгновенно изменится не может из-за ЭДС самоиндукции, наводимой в индуктивности. До момента 1 ток iн сохраняет прежнее направление, замыкаясь через обратные диоды VD3 и VD4, убывая по
величине. При этом напряжение на нагрузке Uинв и ток в цепи питания меняют знаки, а энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания. В момент времени 1 ток меняет полярность и начинает протекать через готовые к работе тиристоры VS3 и VS4. Далее при = 2
сформированные управляющие импульсы открывают тиристоры VS1 и VS2 и
закрывают тиристоры VS3 и VS4. Ток нагрузки начинает уменьшаться, протекая через обратные диоды VD1 и VD2 до момента времени 3.
Электромагнитные процессы в инверторе описываются уравнением:
Lн diинв t Rнiинв t U d 0 , dt
при этом мгновенные значения выходного напряжения АИН и напряжения на нагрузке равны: инв = н.
Решение данного уравнения позволяет определить мгновенное
значение тока нагрузки:
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
2− |
|
|||
|
= |
н |
(1 − |
|
|
|
|
), |
|
|
|
|
|
||||
н |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
1+ |
2 |
|
|||
|
|
н |
|
|
|
|||
где постоянная времени цепи нагрузки = н; T-период выходного
н
напряжения АИН.
Выходное напряжение инвертора носит прямоугольный характер и является периодической, прямоугольной, знакопеременной, нечетной функцией. Разложение функции напряжения инвертора в ряд Фурье, можно записать:
u |
t u |
t |
4Ud |
sin t |
1 |
sin3 t ... |
. |
|
|
||||||
н |
инв |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Жесткая зависимость выходного напряжения не всегда удобна для практической работы, так как основным способом изменения выходного напряжения является изменение Ud источника, что недопустимо.
Возможным способом регулирования выходного напряжения, без изменения входного Ud, является организация определенного алгоритма подачи управляющих импульсов.
Наиболее простым способом регулирования является изменение момента подачи управляющих импульсов. Такой способ организации управляющего алгоритма схож с методом широтно-импульсной модуляции.
Однако, при работе ОАИН отсутствует модуляция повышенной частоты.
Поэтому, используется широтно-импульсное регулирование (ШИР), при
котором управляющие импульсы подаются на основной частоте.
Кривая выходного напряжения при использовании ШИР состоит в течение периода из k импульсов (2,4,6…), длительностью имп , причем в
каждый полупериод имеется ⁄2 импульсов. Изменение выходного напряжения осуществляется регулированием длительности импульса.
Простейшим способом регулирования для однофазного мостового АИН является случай, когда = 2. При этом возможны два режима работы:
-выходное напряжения зависит от параметров нагрузки;
-выходное напряжения не зависит от параметров нагрузки.
1.1.Работа ОМАИН с выходным напряжением зависящем от
параметров нагрузки.
Алгоритм управления однофазного мостового АИН, представленного на рис.1.а, реализуется следующим образом.
Подача управляющих импульсов на накрест лежащие тиристоры VS1 и
VS2 осуществляется в момент времени 1 =, а закрываются они в момент времени = . Ток нагрузки iн после закрытия тиристоров VS1 и VS2
продолжает протекать по обратным диодам VD1 и VD2 в прежнем направлении до момента времени 2 = + , то есть до тех пор, пока не будет израсходован запас энергии, накопленный в индуктивности, а ток не спадет до нуля. Именно наличие диодов обуславливает возникновение дополнительных импульсов в эпюре выпрямленного напряжения. Во время работы диодов все четыре тиристора закрыты. Длительность дополнительных импульсов
(угол ) полностью зависит от параметров нагрузки, то есть от соотношения активной и реактивной составляющих, при этом:
= 2 − .
В момент времени 3 = + подаются управляющие сигналы на тиристоры VS3 и VS4. и по нагрузке начинает протекать ток. Тиристоры открыты до момента времени = 2. Далее ток протекает по обратным диодам VD1 и VD2 с уменьшением до нуля.
На рисунке 3 представлены иллюстративные временные диаграммы,
характеризующие процессы, протекающие в ОМАИН.
Рис.3 Временные диаграммы, характеризующие процессы в ОМАИН.
Таким образом, uн каждые полпериода определяется двумя широкими импульсами, соответствующими по длительности интервалу пропускания тиристоров. Картина напряжения искажается появлением дополнительных узких импульсов, появляющихся за счет наличия индуктивной нагрузки и обратных диодов, работающих в интервалы одновременно закрытых четырех тиристоров. Дополнительные узкие импульсы снижают действующее значение выходного напряжения, что является отрицательным фактором.