Выбор и расчет схемы силового инвертора

 

Центральным узлом, определяющим выбор схемных решений других блоков силовой цепи СГЭП, является регулируемый инвертор [2, 3, 4, 6, 10, 13, 15, 16, 21, 25, 28, 29, 32]. В качестве ключей в автономных инверторах могут служить транзисторы, одно или двухоперационные тиристоры. При использовании однооперационных тиристоров схему дополняют элементами, обеспечивающими искусственную коммутацию тиристоров. Одним из главных элементов узла искусственной коммутации является конденсатор. Кроме задачи запирания тиристоров, конденсаторы могут формировать кривую выходного напряжения инвертора. В связи с этим различают три группы инверторов: инверторы напряжения, инверторы тока, резонансные инверторы.

Основные отличия автономных инверторов.

1. Для инвертора напряжения рис. 2.6 в качестве источника питания необходим источник напряжения (выпрямитель с конденсаторным выходом для шунтирования источника питания по переменному току либо аккумуляторная батарея). Для возврата реактивной энергии нагрузки в источник питания параллельно ключам устанавливаются обратные диоды. Выходное напряжение инвертора имеет прямоугольную форму.

 

Рисунок 2.6 — Инвертор напряжения

 

2. В автономном инверторе тока (рис. 2.7) источник питания работает в режиме источника тока, что достигается путем включения в цепь источника питания последовательно большой индуктивности, а параллельно нагрузке подключают конденсатор, формирующий кривую выходного напряжения, которая состоит из участков экспонент заряда и разряда конденсатора и имеет форму более близкую к синусоиде. В транзисторных вариантах инверторов тока для защиты транзисторов от обратного напряжения последовательно с транзисторами включают диоды.

Рисунок 2.7 — Инвертор тока

При использовании двухоперационных тиристоров или транзисторов в качестве ключей инвертора отсутствует необходимость в установке узлов принудительной коммутации.

3. В автономный резонансный инвертор (рис. 2.8) конденсатор можно включать последовательно с нагрузкой либо параллельно ей. Характер процесса в силовых цепях обуславливается колебательным процессом перезаряда конденсатора в цепи с источником питания и индуктивностью, специально введенной или имеющейся в цепи нагрузки, в связи, с чем ток в последней приближается по форме к синусоиде.

 

 

Рисунок 2.8 — Резонансный инвертор

 

Область применения преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, ограничивается диапазоном частот, не превышающим сотен герц. Запираемые тиристоры расширяют его до единиц килогерц. Использование в качестве ключей современных транзисторов поднимает рабочую частоту инверторов до сотен килогерц. Частотные свойства транзисторов с повышенными предельными токами и напряжениями до сотен ампер и вольт соответственно расширяют их использование в тех областях, где традиционно использовались тиристоры, повышая при этом технико-экономические показатели преобразователей.

Синусоидальная форма выходного напряжения в инверторе тока и резонансном инверторе дает некоторое преимущество им перед инверторами напряжения. Однако целый ряд существенных недостатков сводит это преимущество к минимуму. К основным недостаткам первых двух относится чувствительность к типу и уровню нагрузки. Инвертор тока не может работать без нагрузки (в режиме холостого хода). Оба требуют установки элементов с повышенной установленной мощностью, имеют повышенные статические потери, используют частотное управление, а это в свою очередь увеличивает габаритную мощность электромагнитных элементов. Существенным недостатком их является сложность в анализе при проектировании.

Из известных конфигураций автономных инверторов напряжения остановимся на мостовой, реализующей однополярную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) [16, 26] по синусоидальному закону, которая имеет лучший спектральный состав, чем двуполярная, с многократной модуляцией на полупериоде частоты выходного напряжения. При реализации однополярной ШИМ другими схемами инверторов (нулевая, полумостовая, инвертор с накопительным конденсатором) в последних необходимо добавлять ключи для закорачивания нагрузки при выключении основных ключей для создания нулевых пауз в выходном напряжении инвертора в процессе регулирования напряжения нагрузки. В системе управления ключами инвертора используется эталонное синусоидальное или апроксимирующее синусоиду ступенчатое напряжение. Это напряжение сравнивается с пилообразным развертывающим напряжением, при этом формируется импульсная последовательность сигналов для переключения ключей. Благодаря этому длительность импульса выходного напряжения пропорциональна амплитуде эталонного напряжения на этом интервале. Иллюстрирующие такой способ регулирования диаграммы приведены на рис. 2.9.

К наиболее важным моментам расчета следует отнести определение параметров и выбор типа силового транзистора. Необходимыми параметрами для выбора транзистора являются ток транзистора в открытом состоянии и напряжение, прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии.

 

 

Рисунок 2.9 — Временные диаграммы работы инвертора

 

 

В схеме инвертора, приведенной на рис. 2.10, напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, определяется напряжением источника питания.

 

Рисунок 2.10 — Мостовой инвертор с защитой ключей

от перенапряжения и сверхтоков

 

Это сеть переменного тока с выпрямленным напряжением U_dmax = 341 В или разрядное устройство (РУ), выполненное на базе непосредственного преобразователя напряжения повышающего типа с питанием от аккумуляторной батареи с максимальным напряжением U_АБ = 130 В. (Выбор и расчет параметров АБ и РУ приведен ниже в разделах 2.3.5, 2.3.6). Максимальное напряжение на выходе РУ равно 300 В. Следовательно, максимальное напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, равно 341 В. Максимальный ток, протекающий в через транзистор, определяется выражением:

где = 2 В — падение напряжения на транзисторах инвертора.

Током намагничивания трансформатора можно пренебречь, т.к. он составляет единицы процентов от тока нагрузки, приведенного к первичной обмотке. С учетом коэффициента загрузки, не превышающего 70 % по каждому параметру, выбираем транзистор 2Т847Б с параметрами [Приложение П]: U_кэ = 650 В; I_к = 15 А; β_min = 8; U_БЭ = 1,5 В; U_кэ = 1,5 В; t_вкл = 1 мкс; t_выкл = 1,5 мкс; Iк0 = 1,5 mА.

В инверторе, работающем на активно-индуктивную нагрузку, возникает необходимость возврата реактивной энергии нагрузки. Обратные диоды обеспечивают возврат ее в конденсатор входного фильтра и формирование нулевых пауз в выходном напряжении инвертора. Максимальное напряжение, прикладываемое к диодам, определяется напряжением источника питания , а максимальное значение тока, протекающего по ним, не превышает тока транзистора.

Выбираем диод 2Д2990А, имеющий следующие характеристики [Приложение C]:

U_обр = 600 B; I_п = 20 А; f _max = 200 кГц; t _восст = 0,15 мкс.

 Инвертор, выполненный на биполярных транзисторах без RCD-цепей при работе на активно-индуктивную нагрузку имеет большие динамические потери как при включении, так и при выключении, вследствие того, что по ключам протекает максимальный ток при напряжении на них равном напряжению источника питания (рис. 2.11).

Для обеспечения нормального теплового режима работы ключей необходимо определить мощность потерь в ключах (транзисторах и обратных диодах). Суммарные потери в транзисторах инвертора при синусоидальной модуляции выходного напряжения складываются из статических и динамических в коллекторной цепи транзистора и потерь в цепи его управления.

 

Рисунок 2.11 — Временные зависимости тока и напряжения транзисторов инвертора, работающего на индуктивную нагрузку

 

Статические потери на ключах инвертора, выполненного на биполярных транзисторах, складываются из мощности потерь при открытом и закрытом состояниях транзистора и определяются по выражению [29]:

где = 0,5 В — прямое падение напряжения на транзисторе 2Т847Б по вольтамперной характеристике;

в = 0,46 — коэффициент, зависящий от глубины модуляции и угла сдвига между напряжением и током;

= 1 — глубина модуляции;

= 30° — угол сдвига между напряжением и током;

= 0,4 Ом — дифференциальное сопротивление транзистора 2Т847Б по вольтамперной характеристике.

 Потери в транзисторе, находящемся в закрытом состоянии, много меньше и ими можно пренебречь.

Мощность динамических потерь в транзисторе без учета формирования пауз на переключение достигает значительных величин, и при линейной аппроксимации траектории переключения (рис. 2.11а) определяется выражением [29]:

где  — наибольшее рабочее напряжение на входе инвертора;

= 10 ^–4 c — период частоты преобразования.

Статические потери в обратных диодах инвертора, работающего на активно-индуктивную нагрузку, определяются аналогично потерям в транзисторах [29]:

где = 1В — прямое падение напряжения на диоде (с учетом вольтамперной характеристики);

а = 0,19 — коэффициент, зависящий от глубины модуляции и угла сдвига между напряжением и током;

= 1 — глубина модуляции;

= 30° — угол сдвига между напряжением и током;

= 0,3Ом — дифференциальное сопротивление диода (с учетом вольтамперной характеристики).

Динамические потери в диоде [29]:

где  — заряд восстановления диода, примем равным 10^–6 Кл (ТУ диодов 2Д2990А).

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: