Автономні інвертори резонансного типу

Практична робота № 5.

Автономні інвертори резонансного типу

(тиристорний та транзисторний варіанти)

Резонансні автономні інвертори (АІР) призначені для перетворення постійної напруги у змінну напругу підвищеної частоти (від 500 – 1000 Гц до 5 – 10 кГц та вище). Одною з основних галузей використання таких перетворювачів є електротермія (індукційна плавка металу, індукційний нагрів та загартовування виробів). АІР використовуються і у якості джерел змінної напруги підвищеної частоти, а також використовуються для перетворення постійної напруги однієї величини у постійну напругу іншої величини. У останньому випадку вихідною напругою перетворювача є випрямлена та згладжена напруга інвертору.

АІР звичайно роблять однофазними (переважно за мостовою схемою) з використанням одноопераційних тиристорів. Конденсатор у АІР може включатися паралельно навантаженню або послідовно з ним. У залежності від цього вирізняють паралельні та послідовні АІР. Процеси, які протікають у АІР, характеризуються коливальною (резонансною) перезарядкою конденсатору у колі з індуктивністю, до якої може входити індуктивність навантаження.

На практиці у АІР часто використовують послідовне або послідовно – паралельне включення конденсаторів.

На рис. 5.1 приведена схема резонансного інвертору, яка складається з інверторного мосту на тиристорах Т₁ – Т₄ і послідовно включеного у його діагональ конденсатору С та навантаження Z_Н.

Рис. 5.1. Схема резонансного инвертора

Крива струму вихідного кола інвертору формується шляхом парного відпирання тиристорів інверторного мосту, що розміщені навхрест. Характер залежності струму навантаження зумовлюється коливальним процесом перезарядки конденсатору С з частотою

(5.1)

послідовного коливального контуру, створеного реактивними елементами вихідного кола, при його підключенні за допомогою тиристорів до джерела живлення Е.

У розглянутій схемі частота власних коливань контуру f₀ пов’язана з частотою проходження імпульсів відпирання на тиристори інверторного мосту співвідношенням f₀ > f. Завдяки цьому коливальні процеси перезарядки конденсатору (з близьким до синусоїдального закону зміни струму навантаження) закінчуються до відпирання чергової пари тиристорів інвертору, а у кривих струму i_н(t) створюються паузи. Струмова пауза необхідна для проведення операції запирання пари тиристорів, яка вже відпрацювала, перед відпиранням чергової пари.

Присутність у кривій струму навантаження i_н(t) паузи характеризує роботу АІР з природним режимом запирання тиристорів.

На рис. 5.2 зображена підсистема інверторного мосту, яка зібрана на тиристорах Т₁ – Т₄. Керування мостом здійснюється векторним сигналом, що надходить по лінії Pulses. Розділення вектору на компоненти виконує блок Demux.

Рис. 5.2. Підсистема інверторного мосту

Рис. 5.3 ілюструє систему керування. Робота основної частини блоку керування розглянута у попередніх роботах. У параметрах блоку Signal Generator (Simulink→Sources) необхідно встановити синусоїдальну форму вихідного сигналу (sine). Зі списку параметрів блоку Hit Crossing слід обрати пункт rising.

Для усунення перехідних процесів, які мають місце при ініціалізації схеми керування, введені два блоки: Logical Operator [AND] та одиничний стрибок Step (Simulink→Sources). Логічний елемент AND виконує функцію ключа, що керується сигналом з виходу блоку Step. Встановимо у полі Step time блоку Step значення t₀ > T, де Т – період проходження імпульсів генератору Signal

Generator.

Рис. 5.3. Схема керування

Значення константи Сonstant1 задає тривалість імпульсу керування. При необхідності переводу тривалості імпульсів керування у градусну міру після блоку constant слід включити блок Gain з коефіцієнтом підсилення .

Значення константи Сonstant дорівнює значенню частоти тактового генератору.

Роботу схеми ілюструють часові діаграми (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Часові діаграми блоку керування

На рис. 5.5 представлена модель інвертору резонансного типу, де Subsystem1 – підсистема інверторного мосту (рис. 5.2), Subsystem2 – підсистема керування (рис. 5.6).

Значення R, L задаються, а ємність С розраховується з формули (5.1), з урахуванням того, що f₀ > f, де f – частота тактового генератору підсистеми керування.

Рис. 5.5. Модель АІН

Рис. 5.6. Підсистема керування

Результати моделювання приведені на рис. 5.7.

АІР зі зворотними діодами

У розглянутій вище схемі АІР умови для запирання тиристорів, які відпрацювали, створюються на етапах струмових пауз у кривій струму навантаження i_н(t). Зі збільшенням частоти відносна тривалість струмових пауз збільшується і вони займають значну частину періоду i_н(t). Зі збільшенням частоти потужність, яка віддається у навантаження, зменшується, а форма кривої струму i_н(t) суттєво відрізняється від синусоїди.

Для покращення показників інвертору при переході до області підвищених частот (від 2 – 3 до 5 – 10 кГц) початкову схему інверторного мосту доповнюють зворотними діодами (рис. 5.8).

Рис. 5.7. Результати моделювання

Схема інвертору зображена на рис. 5.5. Subsystem1 – підсистема інверторного мосту зі зворотними діодами (рис. 5.8.), Subsystem2 – підсистема керування (рис.5.6.).

Рис. 5.8. Підсистема інверторногомосту зі зворотними діодами

Особливість процесів, які протікають у схеми, у тому, що кожний такт відпирання тиристорів, що розташовані навхрест, супроводжується формуванням двох півхвиль кривої струму навантаження. Перша півхвиля зумовлена коливальним характером процесу перезарядки конденсатору від джерела живлення через відкриті тиристори, а друга – процесом зворотної перезарядки конденсатору, через шунтовані зворотні діоди. За час формування другої півхвилі струму навантаження створюються умови для відновлення властивостей запирання тиристорів, які проводили струм: до тиристорів прикладається зворотна напруга, яка дорівнює падінню напруги на зворотних діодах від струму, який протікає по них від перезарядки конденсатору (струму навантаження).

У інверторі можливі два режими роботи: переривчастого струму навантаження та безперервного струму. Режиму переривчастого струму відповідає співвідношення частот f₀ > 2f, де f₀ – власна резонансна частота вихідного кола, а f – вихідна частота інвертору. Часові діаграми, які характеризують процеси у інверторі в режимі переривчастого струму навантаження, приведена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Режим переривчастого струму

Часові діаграми, що характеризують процеси у інверторі в режимі безперервного струму навантаження, приведені на рис. 5.10. Режиму безперервного струму відповідає співвідношення власної резонансної частоти вихідного кола та частоти проходження керуючих імпульсів, при якому f₀ < 2f.

Рис. 5.10. Режим безперервного струму

Автономний інверторний міст можна реалізувати на силових ключах IGBT (рис. 5.11) та MOSFET, шунтованих діодами (рис. 5.12).

Рис. 5.11. Автономний інверторний міст на IGBT транзисторах

Відповідно зміниться і схема керування (рис. 5.13). Блок Pulse Generator є тактовим генератором (шпаруватість імпульсної послідовності дорівнює 2). На блоках Data Type Convertion 1,2 та Logical Operator [not] зібраний інвертор. Роботу блоку керування характеризують осцилограми рис. 5.14.

Рис. 5.12. Автономний інверторний міст на транзисторах MOSFET

Слід відмітити, що з використанням силових елементів (IGBT та MOSFET) автоматично відпадає необхідність створення спеціальних засобів для запирання цих напівпровідникових приладів. При цьому у випадку використання IGBT резонансна частота f₀ дорівнює f₁ – частоті тактового генератору. У випадку використання MOSFET, шунтованих діодами, режим безперервного струму забезпечується при f₀ = 2f.

Рис. 5.13. Схема керування транзисторними інверторами

Приклади моделювання АІР з використанням IGBT та MOSFET представлені на рис. 5.14, рис. 5.15. відповідно.

Рис. 5.14.

Рис. 5.15.

Виконання лабораторної роботи.

1. Дослідити модель тиристорного АІР.

2. Дослідити модель тиристорного АІР зі зворотним діодами. Привести осцилограми струму та напруги навантаження для режимів переривчастого та безперервного струму навантаження.

3. Дослідити АІР з використанням IGBT транзисторів.

4. Дослідити АІР з використанням польових транзисторів MOSFET.

Для всіх моделей побудувати зовнішні характеристики.

Дата добавления: 2015-09-29