Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению icon

Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению



НазваниеУчебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению
страница1/5
Дата конвертации06.10.2013
Размер0.76 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5

*

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


пробел

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

пробел

Е.Е.ЧАПЛЫГИН


пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

И ИХ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ

пробел


пробел

Учебное пособие

по курсам

«Автономные преобразователи»

и «Моделирование электронных устройств и систем»

для студентов, обучающихся по направлению

«Электроника и микроэлектроника»пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

пробел

Москва Издательство МЭИ 2003

УДК 621.314

Ч-194

УДК: 621.314.572. (175.8)


пробел

Утверждено учебным управлением МЭИ в качестве учебного пособия для студентов

Подготовлено на кафедре промышленной электроники

Рецензенты: д-р техн. наук доц. Долбилин Е.В.,

д-р техн. наук проф. Малышков Г.М.

пробел

^ ЧАПЛЫГИН Е.Е. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ: учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и «Моделирование электронных устройств и систем». – М.:Издательство МЭИ, 2003. – 64 с.

пробел

Содержит изложение принципов построения инверторов напряжения в сочетании со спектральными методами анализа ключевых схем и фильтров, что позволяет использовать пособие при подготовке к практическим занятиям, реализации курсовых и дипломных работ.

Предназначено для студентов специальности «Промышленная электроника».

пробел


Учебное издание

Чаплыгин Евгений Евгеньевич

^ ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ

Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи»

и «Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и микроэлектроника»

пробел

Редактор издательства Н.Л.Черныш

ЛР № 020528 от 05.02.02

_____________________________________________________________________

Темплан издания МЭИ 2002(II) г..

Подписано к печати 20.03.03. Формат 60х84/16. Печ. л. 4,0.

Тираж 150 экз. Изд. N 146.
Заказ

______________________________________________________________________

Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14

Отпечатано в типографии ЦНИИ «Электроника», 117415, Москва,

просп. Вернадского, д. 39

©Московский энергетический институт 2003


ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ…………………………..………………………………………….4


1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ АИН. ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ФУНКЦИИ …..……5

    1. Структура инвертора напряжения …………………………………5

    2. Полумостовой АИН…………………………………………………6

    3. Однофазный мостовой АИН………………………………………..9

    4. Трехфазный мостовой АИН……………………………………….12

2. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ (ШИР)………....…….16

    1. ШИР в однофазном мостовом АИН .…………………………….16

    2. ШИР в трехфазном мостовом АИН………………………………23

    3. Работа трехфазного АИН на несимметричную нагрузку……….25

3. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ШИМ)……………………28

3,1. Разновидности ШИМ…………………..…………………………..28

    1. Математическое моделирование модуляторов при ШИМ-2…...30

    2. Спектральное моделирование однофазных АИН с ШИМ-2……32

    3. Моделирование ШИМ-1. Сравнение разновидностей ШИМ

по синусоидальному закону……………………………………….……..35

    1. ШИМ в трехфазных АИН…………………………………………38

    2. Выбор формы управляющего сигнала…………………..……….40

4. ВЫБОР И РАСЧЕТ ФИЛЬТРОВ АИН……………………………………43

    1. Требования к выходным фильтрам. Классификация

выходных фильтров………………………………………………………43

4.2. Базовые структуры Г-образных LC-фильтров………..…………..45

4.3. Основные соотношения параметров фильтров…….………….….47

4.4. Алгоритм синтеза однозвенного выходного фильтра АИН…..…50

    1. Динамика инверторов напряжения с выходными

LC–фильтрами………………………………………………………….…55

    1. Расчет входных фильтров АИН……………….…………………..58

Контрольные вопросы и задачи………………………………………….……61

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………….…………………………………..……63

БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК…………………………………………..64




ВВЕДЕНИЕ

ПРОБЕЛПРОПРНЕППРОБЕЛ

Согласно терминологии, утвержденной МЭК, инвертором называется преобразователь постоянного тока в переменный. Инвертором напряжения называется инвертор, питаемый от источника постоянного тока с преобладающими свойствами источника напряжения.

Автономные инверторы напряжения (АИН) в настоящее время принадлежат к числу наиболее распространенных классов устройств силовой электроники, и по мере совершенствования силовых полупроводниковых приборов область их применения расширяется.

Основные области применения АИН:

  1. Асинхронный электропривод. Для работы АИН на асин-хронный двигатель характерны изменение выходной частоты и выходного напряжения в широких пределах (до нескольких десятков раз). В ряде установок электропривода предъявляются повышенные требования к гармоническому составу выходного напряжения АИН.

  2. Электроснабжение разветвленной одно- либо трехфазной сети потребителей переменным током стабильной частоты (50 или 60 Гц, в авиации нередко 400 Гц) при стабилизации выходного напряжения (чаще всего на уровне 220/380 В). Такого рода установки необходимы для обеспечения бесперебойного питания ответственных потребителей, при использовании нетрадиционных источников энергии, а также для электроснабжения автономных (в том числе подвижных) объектов. Во многих случаях требования к показателям качества выходного напряжения АИН соответствуют требованиям к сетям общего назначения и нормируются ГОСТ 13109-97.

АИН могут входить в состав силовых преобразователей с многократным преобразованием энергии, например преобразователей постоянного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты.

АИН обладают жесткой внешней характеристикой и их выходное напряжение может принимать ограниченное число значений (например, E, 0, - E, где E –напряжение источника питания). Для получения выходного сигнала с требуемым гармоническим составом в АИН используются различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в широком смысле слова, которую МЭК определяет как импульсное управление, при котором ширина или частота импульсов или и та, и другая модулируются в пределах каждого периода основной частоты для того, чтобы создать определенную форму кривой выходного параметра. Для получения высокого качества спектра выходного напряжения АИН на периоде выходной частоты должно быть осуществлено несколько десятков и даже сотен коммутаций силовых транзисторов. Поэтому период повторения кривой выходного напряжения разбивается на множество тактов - межкоммутационных интервалов, что делает традиционные методы анализа, описывающие работу инвертора на каждом из тактов на основе интегро-дифференциальных уравнений, малопроизводительными даже при применении пакетов программ, ориентированных на анализ электромагнитных процессов в ключевых электрических схемах. Для АИН применяются иные – спектральные – методы анализа, которые позволяют рассматривать преобразователи в установившемся режиме без затрат времени на расчет переходных процессов. Однако, как будет показано ниже, возможности спектральных методов ограничены, поэтому целесообразно их применение в сочетании с другими методами анализа.


^ 1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ АИН. ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ФУНКЦИИ


1.1.Структура инвертора напряжения


Обобщенная структурная схема АИН представлена на рис. 1.1.





Основной часть инвертора является ключевой блок – совокупность полупроводниковых ключей. Управление ключами вентильного блока осуществляется системой управления. Поскольку напряжение на выходе ключевого блока формируется методами широтно-импульсной модуляции и содержит высшие гармонические составляющие, для их подавления используется выходной фильтр. В ряде случаев (например, при работе на асинхронный двигатель) нагрузка обладает фильтрующими свойствами и выходной фильтр может отсутствовать. Нагрузка может подключаться к инвертору непосредственно либо через трансформатор.
В качестве источника питания АИН могут использоваться аккумуляторная либо солнечная батареи, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения и т. п. Как правило, источники питания не обладают в полной мере свойствами источника ЭДС, и постоянство напряжения на входе ключевого блока обеспечивается включением входного фильтра. Входной ток ключевого блока имеет значительные пульсации и может быть знакопеременным. Благодаря входному фильтру ток источника питания сглаживается, исключается смена знака тока источника питания. При использовании в качестве источника питания силового преобразователя (выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения) входной фильтр АИН является одновременно выходным фильтром упомянутого входного преобразователя.

При создании инверторов необходимо в первую очередь учитывать требования к качеству выходного напряжения АИН, которые предъявляет потребитель энергии. Наиболее полное представление о качественных показателях напряжения дает его спектр, точнее совокупность спектров в различных режимах работы преобразователя. Наличие фильтров на входе и выходе вентильного блока также обуславливает необходимость расчета спектров выходного напряжения и входного тока инвертора, поскольку и расчет фильтров основывается на спектральных методах.

Рассмотрим типовые структуры ключевых блоков, как однофазных АИН, так и трехфазных.


1.2. Полумостовой АИН


Полумостовая схема однофазного инвертора напряжения приведена на рис. 1.2. Схема содержит два ключа V1 и V2.




Введем понятие ключевой переключающей функции: Fi равна 1, если i-й ключ проводит ток, и Fi =0, если i-й ключ заперт. В схеме возможны четыре комбинации состояний ключей:

  • Вар.1. F1 = 1, F2 = 0, при этом uвых= E/2, токи источника i01=iвых, i02=0.

  • Вар 2. F1 = 0, F2 = 1, при этом uвых = = –E/2, i01=0, i02= - iвых.

  • Вар.3. F1=1, F2=1такое включение недопустимо, так как приводит к короткому замыканию источника питания.















  • Вар. 4. F1=0, F2=0. При этом нагрузка обесточена, токи источника равны нулю. Поскольку в силовых схемах нагрузка всегда имеет комплексный характер, состояние ключей, приводящее к обрыву тока нагрузки, недопустимо. Однако в АИН на реальных полупроводниковых приборах процесс развивается иначе. Поэтому продолжим анализ, обратившись к схеме на рис. 1.3, где ключи представлены в виде полупроводниковых приборов.

Рассмотрим возможные состояния ключей, исключив 3-й вариант, приводящий к возникновению аварийного режима.

  • Вар.1. F1 = 1, F2 = 0, при этом потенциал точки А относительно точки 0 A = E при любой полярности тока нагрузки. При iвых>0 (направление тока iвых совпадает с направлением стрелки на рисунке) ток нагрузки замыкается через транзистор VT1, при iвых<0 ток нагрузки протекает через диод VD1.

  • Вар. 2. F1 = 0, F2 = 1, при этом A = 0 при любой полярности тока нагрузки. При iвых<0 (направление тока iвых противоположно направлению стрелки на рисунке) ток нагрузки замыкается через транзистор VT2, при iвых>0 ток нагрузки протекает через диод VD2.




Таким образом, в рассмотренных двух вариантах состояния ключей потенциал A не зависит от направления тока и определяется только сигналами на управляющих электродах транзисторов.

  • Вновь рассмотрим вариант 4. При отсутствии импульсов на управляющих электродах обоих транзисторов возможны два случая:

а) при iвых>0 выходной ток замыкается через диод VD2 и потенциал A=0;

б) при iвых<0 выходной ток протекает через диод VD1 и A=E.

Таким образом, потенциал точки А зависит от полярности выходного тока и не зависит от управляющих сигналов, формируемых системой управления инвертора. Однако рассматриваемый режим является необходимым для обеспечения нормальной работы силовых ключей схемы. При снятии управляющего импульса с силового ключа его ток спадает в течение некоторого времени и включение второго ключа до завершения процесса спада тока приведет к возникновению короткого замыкания источника питания через два последовательно включенных ключа. Поэтому вступление в работу второго ключа должно быть задержано на временной интервал, называемый «мертвой» паузой, достаточный для спада тока первого ключа. Если длительность интервала «мертвой» паузы не превышает 0,01÷0,02 интервала между коммутациями силовых ключей, воздействие процессов в течение «мертвой» паузы на формирование выходного напряжения инвертора незначительно. При использовании спектральных методов анализа интервал «мертвой» паузы не учитывается. Его влияние на работу преобразователя может быть учтено дополнительно, при использовании других методов анализа, как и влияние защитных цепочек (снабберов), которые нередко включаются в силовую схему АИН.

Будем полагать ключи идеальными, пренебрежем интервалом «мертвой» паузы. Источник питания также полагаем идеальным, при этом схеме может отсутствовать входной фильтр. Пользуясь понятием переключающих функций, запишем систему алгебраических выражений, описывающих процессы в полумостовом АИН (рис.1.2).

Во-первых, алгоритмы переключения должны соответствовать следующему выражению:

F1 + F2 = 1, (1.1)

т. е. используются только 1-й и 2-й варианты, которые поочередно сменяют друг друга. Отсюда следует

F2 = 1 – F1.

Учтем, что при F1 = 1 uвых = E/2, а при F1 = 0 uвых= – E/2, и получим выражение, связывающее выходное напряжение с законом переключения ключей и питающим напряжением

uвых = F1E/2 – F2E/2= Fвых, (1.2)

где величина Fвых = 2F1 1 – схемная переключающая функция, которая принимает два значения: 1 либо –1.

Токи, потребляемые от источника питания, также определяются через ключевые переключающие функции:

i01 = F1 iвых, (1.3)

i02 = – F2 iвых =(F1 1) iвых. (1.4)

Таким образом, задавая закон переключения вентилей, т.е. временные зависимости F1(t) и F2(t), c помощью выражений (1.2) – (1.4) можно найти временные зависимости токов и напряжений в силовой схеме АИН. Аппарат переключающих функций позволяет аналитически связать алгоритмы работы системы управления и электромагнитные процессы в силовой части АИН.


1.3. Однофазный мостовой АИН


Схема однофазного мостового инвертора напряжения приведена на рис. 1.4. К одной из диагоналей моста подключен источник питания, к другой – нагрузка. Приведенная схема состоит из двух полумостовых схем, и изложенный материал может быть применен к рассмотрению и мостовой схемы. По-прежнему, считаем ключи и источник питания идеальными, пренебрегаем интервалом «мертвой» паузы.

Алгоритмы переключения ключей должны соответствовать выражениям, аналогичным (1.1):

F1 + F4=1, (1.5)

F2 + F3=1. (1.6)

Тогда

F4 = 1 – F1,

F2 = 1 – F3.

Потенциалы точек A и B относительно отрицательного полюса источника питания

A = E F1,

B = E F3.

Отсюда может быть найдено выходное напряжение инвертора:

uвых = A - B =

=E(F1 – F3)= EFвых, (1.7)

где Fвых – схемная переключающая функция, которая в отличие от полумостовой схемы может принимать не два, а три значения: 1, 0, –1.

Выражение (1.7) вскрывает два важных отличия мостового АИН от полумостовой схемы:


  1. Амплитуда выходного напряжения в мостовой схеме равна E, что вдвое больше амплитуды uвых в нулевой схеме.

  2. Появление дополнительного значения ^ Fвых означает возможность формирования нулевого уровня выходного напряжения АИН, что обусловлено тем, что при F1=F3=1 нагрузка закорочена ключами V1 и V3, а при F1 = F3 = 0 закоротка нагрузки осуществляется через V2 и V4.

Найдем связь выходного тока и тока от источника питания i0. Ток i0 складывается из токов ключей V1 и V3. Через ключ V1 протекает ток iвыхF1, а через ключ V3 ток – iвыхF3. Таким образом,

i0 = iвых(F1 - F3) = iвых Fвх, (1.8)

где Fвх – схемная переключающая функция.

Рассмотрим простейший алгоритм формирования выходного напряжения АИН, когда F1 = 1 на первой половине периода выходной частоты вых, а F3 = 1 на второй половине указанного периода. Временные диаграммы приведены на рис. 1.5.


Нагрузка представляет собой последовательную цепь Zн = R+jL. Переключающие функции можно представить в виде разложения в ряд Фурье:

F1 =+(sin+sin3+sin5+…),

F3 = F1() = - (sin+sin3+sin5+…),

где θ=ωвых t. Подставим эти выражения в (1.7), получим

uвых=(sin+sin3+sin5 +…)= uвых.k,

где uвых.k – составляющие выходного напряжения АИН с частотами k fвых.

Таким образом, использование аппарата переключающих функций позволяет непосредственно определить спектр выходного напряжения АИН. Спектр uвых представлен на рис. 1.6.




Рис. 1.6


Выходной ток АИН можно найти, использовав для каждой гармоники закон Ома. В комплексной форме k-я гармоника выходного тока определяется как Ik = Uk / Zk . Отсюда

iвых=sin(k - k),

где Zk = и k =arctg(kL/R) – модуль сопротивления и фазовый угол нагрузки на частоте kвых.

На временных диаграммах (рис.1.5в) можно выделить интервалы, на которых полярности напряжения uвых и тока iвых совпадают и энергия передается от источника питания Е в нагрузку. В те моменты времени, когда полярности напряжения и тока противоположны, энергия возвращается из нагрузочной цепи в источник питания, ток i0 отрицателен, а выходной ток протекает через диоды.

Спектры выходного напряжения и тока содержат только нечетные гармоники выходной частоты. Метод переключающих функций позволяет определить перечень гармоник в спектре сигнала без его вычисления. Определим перечень гармоник в токе i0. Как следует из выражения (1.8), для нахождения тока i0 необходимо умножить iвых на переключающую функцию Fвх=Fвых. Поскольку Fвых=uвых/E, то из рис. 1.6 можно заключить, что спектр переключающей функции содержит только нечетные гармоники. Как известно из тригонометрии, при перемножении гармонических колебаний двух частот f1 и f2 получаем две гармоники: разностную с частотой (f1 – f2) и суммарную с частотой (f1+f2). И разностная, и суммарная частоты от нечетных гармоник дают четные гармоники, а при равенстве f1 и f2 разностная частота равна нулю, поэтому спектр тока i0 содержит постоянную составляющую и четные гармоники выходной частоты .


1.4. Трехфазный мостовой АИН


Схема трехфазного мостового инвертора напряжения представлена на рис. 1.7. Трехфазный мостовой инвертор состоит из трех полумостовых схем. Рассмотрим работу на симметричную нагрузку, соединенную звездой без вывода нейтрали (точка 0). При анализе полагаем источник питания и ключи идеальными, пренебрегаем интервалом «мертвой» паузы. Тогда любой алгоритм переключения по аналогии с (1.1) должен соответствовать выражениям:


F1 + F4 = 1;

F3 + F6 = 1; (1.9)

F5 +F2 =1.





Следовательно, F2 = 1 – F5; F4 = 1 – F1; F6 = 1 – F3.

Найдем потенциалы точек A, B и С относительно точки 0*:

A = E F1;

B = E F3; (1.10)

C = E F5.

При симметрии нагрузки потенциал нейтрали 0 относительно точки 0* определяется выражением

0 = ABC)= (F1 + F3 + F5). (1.11)

Тогда фазовые выходные напряжения АИН равны


uA = A0 = E = E Fвых A;

uB = B0 = E = E Fвых B; (1.12)

uC = C0 = E = E Fвых C,


здесь Fвых A , Fвых B и Fвых C - схемные переключающие функции.

Линейные выходные напряжения инвертора равны:


uAB = A - B = E (F1 – F3);

uBC = B - C = E (F3 – F5); (1.13)

uCA = C - A = E (F5 – F1).


Найдем связь тока i0, потребляемого инвертором от источника питания, с выходными токами фаз инвертора iA , iB и iC, учитывая, что ток i0 складывается из токов ключей V1, V3 и V5:


i0 =iA F1 + iB F3 + iC F5. (1.14)


Выражения (1.11) – (1.14) позволяют определить напряжения и токи АИН при любых законах переключения, задаваемых ключевыми переключающими функциями.


Рассмотрим простейший алгоритм переключения, называемый режимом 180-градусной проводимости. Временные диаграммы переключающих функций ключей


F1 = + (sin +sin3 +sin5+…);

F2 = F1( – /3);

F3 = F1( – 2/3);

F4 = F1( – );

F5 = F1( – 4/3);

F6 = F1( – 5/3),


а также потенциалы A ,B , С и 0, фазовое выходное напряжение uA и линейное напряжение uAB приведены на рис. 1.8.





Проанализируем составляющие спектра фазных выходных напряжений, определяемых по (1.12). Ключевые переключающие функции F1, F3 и F5 содержат постоянную составляющую и полный спектр нечетных гармоник. Вычисления можно производить для каждой из гармоник. Постоянные составляющие при вычислении дают нулевой результат. Первые гармоники переключающих функций сдвинуты друг относительно друга на угол 2π/3 и 4π/3, а k-е гармоники на углы 2kπ/3 и 4kπ/3. Нетрудно видеть, что в результате вычислений по (1.12), гармоники фазных выходных напряжений, кратные трем, равны нулю. Аналогично можно проанализировать спектр выходного линейного напряжения, вычисляемого по (1.13). В нем также отсутствуют гармоники, кратные трем. Путем тригонометрических преобразований нетрудно доказать, что все остальные гармоники при вычислении увеличиваются в по сравнению с гармониками фазных напряжений.

В таблице 1.1 приведены обобщенные сведения о спектрах выходных напряжений рассмотренных выше однофазных инверторов и трехфазного мостового инвертора. Амплитуды гармоник Uвых km отнесены к напряжению питания. Относительное содержание высших гармоник в спектре для всех инверторов, упомянутых в таблице, т.е. отношение Uвых km/ Uвых 1m = const для всех гармоник, кроме гармоник, кратных трем, в трехфазном инверторе.

Обобщенным параметром, характеризующим гармонический состав напряжения или тока, является коэффициент гармоник. Коэффициент гармоник несинусоидального напряжения u вычисляется по формуле

kг =.

В однофазных АИН kг = 0,47, в трехфазных инверторах kг =0,28 как для фазных, так и линейных напряжений (их спектры различаются только фазами гармоник).

Надо отметить, что коэффициент гармоник не дает полного представления о гармоническом составе выходного напряжения. На большинство потребителей электрической энергии наиболее неблагоприятное воздействие оказывают низшие, ближайшие к основной, гармоники. Для их подавления необходимо применять фильтры с повышенными массогабаритными показателями. Наиболее полное представление о гармоническом составе выходного напряжения дает его спектр.


Таблица 1.1


Схема инвертора

Uвых km/E%

k=1

k=3

k=5

k=7

k=9

k=11

k=13

Однофазная полумостовая

63,7

21,2

12,7

9,1

7,1

5,7

4,8

Однофазная мостовая

127

42,5

25,5

18,2

14,2

11,6

9,8


Трехфазная мостовая

Фазное напряжение

63,7

-

12,7

9,1

-

5,7

4,8

Линейное напряжение

110

-

22

15,8

-

9,9

8,3



Выходной ток iA находим аналогично § 1.3 по спектру напряжения uA как сумму гармоник тока. Временные диаграммы фазного напряжения uA и тока iA при работе на активно-индуктивную нагрузку приведены на рис. 1.9а, а на рис. 1.9б приведена временная диаграмма тока i0 ,потребляемого от источника питания E, определенного по (1.14).

Как видно из диаграммы ток содержит постоянную составляющую и гармоники, кратные частоте 6ωвых.

Подведем некоторые итоги.

  1. Метод переключающих функций позволяет определить связи между алгоритмом переключения, который формирует система управления, и токами и напряжениями в силовой схеме АИН. Метод применим при любых алгоритмах управления.

  2. Спектральные методы позволяют проводить анализ инверторов непосредственно в установившемся режиме без затрат времени на анализ процессов включения инвертора.

Рассмотренные три схемы инверторов напряжения обладают существенной особенностью: величина выходного напряжения и его первой гармоники в них однозначно связана с величиной питающего напряжения. Ниже рассмотрены основные способы регулирования выходного сигнала АИН.






^ 2. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ (ШИР)


2.1. ШИР в однофазном мостовом АИН


Перейдем к рассмотрению способов регулирования (или стабилизации) выходного напряжения АИН. Выходное напряжение инвертора может регулироваться внешними и внутренними средствами. К внешним относится в первую очередь регулирование напряжения питания инвертора. Если на входе инвертора включен другой вентильный преобразователь (управляемый выпрямитель либо регулируемый преобразователь постоянного напряжения), то процесс регулирования или стабилизации выходного напряжения инвертора сводится к процессу регулирования упомянутого входного преобразователя.

Однако регулирование внешними средствами приводит к усложнению силовой схемы установки и увеличению потерь, поэтому широкое применение находит регулирование (или стабилизация) величины выходного напряжения внутренними средствами инвертора, т.е. за счет изменения алгоритма переключения полупроводниковых приборов. Простейшим способом такого регулирования является широтно-импульсное регулирование, при реализации которого выходное напряжение АИН формируется из равноотстоящих друг от друга импульсов одинаковой длительности.

Анализ построим следующим образом: на основании заданной формы выходного напряжения АИН найдем алгоритм переключения. В мостовом однофазном АИН (рис. 1.4) uвых может принимать три уровня: E, 0, – E и его временная диаграмма имеет вид, представленный на рис. 2.1а. Воспользуемся аппаратом переключающих функций и представим напряжение в виде произведения двух сигналов:


uвых=uвых 0 Fр,


где uвых 0 – выходное напряжение нерегулируемого инвертора (см. § 1.3), Fр - переключающая функция регулирования: Fр=1, когда выходное напряжение отлично от нуля (т.е. в течение импульса) и Fр=0 при нулевом выходном напряжении. Сигналы uвых 0 и Fр представлены на рис.2.1б и в.

Несмотря на то, что аппарат переключающих функций дает возможность аналитического решения, вычисления при анализе достаточно громоздки, поэтому воспользуемся базисом MathСad, модифицировав метод переключающих функций, а именно зададим переключающие функции не в виде их разложения в ряд Фурье, а в виде условных выражений с помощью функции ifесли»). Выражение f = if (X>Y, f1, f2) означает: f=f1, если X>Y, в остальных случаях f=f2.

Вычисления в системе MathСad осуществляются при дискретных отсчетах времени (или углового параметра θ=ωвых t), поэтому в начале анализа надо задать интервал дискретизации d и диапазон его изменения:

θ: = 0, d . . 2π. (2.1)

Уменьшение d повышает точность расчетов, но увеличивает время, затрачиваемое на вычисления, и требования к емкости оперативной памяти компьютера.

Определим приведенные на рис. 1.1а–в величины. Выходное напряжение нерегулируемого инвертора

uвых 0(θ):=if [sin(θ)>0,E,–E]. (2.2)


Зададим число импульсов на периоде повторения A (четное число), например, на рис. 2.1 A=6.

Назовем коэффициентом модуляции Км отношение длительности импульса выходного напряжения АИН к ее максимально возможному значению: Км=tи/(tи max), где tи max = Тк ; Тк – период коммутации полупроводниковых приборов АИН. При Kм=1 выходное напряжение регулируемого инвертора тождественно напряжению uвых 0. Переключа-ющую функцию регулирования можно задать в виде (это лишь один из примеров возможных вариантов задания Fр (θ) ):

Fр (θ) : = if {cos(A θ) < cos[π (1 - Kм)], 1 ,0}. (2.3)

Итак, выходное напряжение регулируемого инвертора равно:

uвых(θ) := uвых .0) Fр (θ). (2.4)

а)

б)

в)

г)

д)


е)

ж)

з)

и)

к)


  1   2   3   4   5




Похожие:

Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению
Чаплыгин е. Е. Инверторы напряжения и их спектральные модели: учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и «Моделирование...
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие по курсу «Моделирование электронных устройств и систем» для студентов специальности «Промышленная электроника»
В связи с этим на таких моделях затруднен просмотр множества режимов работы и подбор параметров элементов при поиске оптимальных...
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие по курсу «Моделирование электронных устройств и систем» для студентов специальности «Промышленная электроника»
В связи с этим на таких моделях затруднен просмотр множества режимов работы и подбор параметров элементов при поиске оптимальных...
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие по дисциплине «Технический учет и инвентаризация объектов капитального строительства» для студентов всех форм обучения специальности
Учебное пособие предназначено для обучения студентов по специальности 120303 Городской кадастр, а также бакалавров и магистров по...
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconГородской кадастр
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению "Землеустройство и земельный кадастр"
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки и специальности "Социальная работа"/ Е. И. Зритнева, Н. П. Клушина. М.: Владос, 2006. 246 с
Охватывает хозяйственно-бытовая функция?
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие для студентов, бакалавров, магистров и аспирантов, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело»
С. Б. Бекетов, доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового промысла
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие по изучению дисциплины для студентов всех форм обучения специальности 120303 Городской кадастр Краснодар
Учебное пособие предназначено для обучения студентов по специальности 120303 Городской кадастр, а также бакалавров и магистров по...
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие для студентов (специалистов) всех форм обучения специальностей
«Теплоэнергетика» и студентов (бакалавров и магистров), обучающихся по направлению 140100 – «Теплоэнергетика» / Е. П. Запорожец,...
Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и«Моделирование электронных устройств и систем» для студентов, обучающихся по направлению iconУчебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный сервис и туризм»
Отчизноведение. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности социально-культурный сервис и туризщм – Воронеж: вгпу,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©lib.podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов