Ім'я файлу: Реферат Однофазний інвертор напруги.doc
Розширення: doc
Розмір: 522кб.
Дата: 22.05.2021

ОðŸñ€ñð¼ð¾ñƒð³ð¾ð»ñŒð½ð¸ðº 4 главление


1 Общие сведения об инверторах напряжения

2. Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователя

3. Расчет и выбор элементов в силовой части преобразователя

Заключение

Список использованной литературы



1 Общие сведения об инверторах напряжения



Инвертор является устройством, противоположным выпрямителю, т.к. он преобразует напряжение постоянного тока в разно полярное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы [1].

Для формирования двух полярного напряжения необходимо определенным образом управлять ключевыми элементами. Обеспечить стабилизацию (регулирование) напряжения на выходе инвертора можно изменением длительности импульсов управления ключами в зависимости от дестабилизирующих факторов.


Рисунок 1 - Временные диаграммы работы инверторов (S - коммутирующие элементы)
На рисунке 2 представлена принципиальная схема транзисторного инвертора напряжения с насыщающимся трансформатором, где R1, R2 - создают смещение на базе транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме, конденсатор C - обеспечивает прохождение переменной составляющей напряжения обратной связи, обмотки WOC1, WOC2 - образуют цепь положительной обратной связи (ПОС) по напряжению для этого они включены согласно по отношению к обмоткам силового контура W11, W12.

Запуск схемы обеспечивается за счет асимметрии плеч инвертора (транзисторы VT1, VT2 имеют различные ВАХ). Иногда приходится делать принудительный запуск схемы в момент включения, если асимметрия недостаточна для первоначального пуска.


Рисунок 2 - Схема и временные диаграммы транзисторного инвертора напряжения с насыщающимся трансформатором
При преобладании коллекторного тока в полу обмотке W11 за счет разностного тока формируется ЭДС с полярностью, указанной красным цветом на рисунке. На выходе инвертора напряжения имеет место положительный сигнал прямоугольной формы. За счет обмотки ПОС происходит при открывание VT1 и при закрывание VT2. Нарастание коллекторного тока IК1 имеет лавинообразный характер, которое прекращается при заходе в область насыщения транзистора или трансформатора. Скорость изменения потока (Ф0) снижается и происходит смена полярности ЭДС во всех обмотках трансформатора T, приоткрывается транзистор VT2 и процессы повторяются. Частота преобразования инвертора определяется выражением:
.
С увеличением тока нагрузки происходит уменьшение частоты преобразования за счет увеличения потерь на транзисторных ключах. Если рассматривать реальные процессы, то к концу полупериода работы инвертора напряжения происходит "спад" вершины импульса U2 за счет влияния цепи намагничивания на величину коллекторного тока, что приводит к значительным потерям на силовых ключах. В моменты коммутации ключей возникает переходной процесс, обусловленный индуктивностью рассеяния и емкостью коллекторного перехода транзистора. В начале импульса U2имеет место "дребезг" сигнала [3].

При работе инвертора напряжения на выпрямитель в момент прохождения U2 через ноль появляется коммутационная задержка, обусловленная влиянием выпрямителя. Для ее ослабления источник напряжения U1 шунтируется полупроводниковыми диодами по отношению к нагрузке, т.к. в момент переключения диодов (tвыкл>tвкл) все диоды моста включены.

Транзисторный инвертор с самовозбуждением с коммутирующим трансформатором приведен на рисунке 3.
однофазный инвертор напряжение преобразователь



Рисунок 3 - Схема транзисторного инвертора с самовозбуждением с коммутирующим трансформатором
Силовой трансформатор T2 работает в линейном режиме, за счет этого повышается КПД устройства, трансформатор T1 является коммутирующим и работает с насыщением. Транзисторы VT1, VT2работают в ключевом режиме.

Преобладание тока IK1, за счет ПОС приводит к лавинному нарастанию этого тока и увеличивается падение напряжения на RОС, что влечет уменьшение ЭДС в первичной цепи трансформатора T1. При заходе трансформатора в область насыщения происходит переключение транзисторов. Достоинством данной схемы является высокий КПД, к недостаткам относится сильная зависимость частоты преобразования от тока нагрузки (увеличение Iн приводит к росту частоты из-за возрастания скорости переключения транзисторных ключей).

Мостовая схема инвертора напряжения (рисунок 4) применяется на больших мощностях при повышенном уровне напряжения источника питания. Сигналы управления X1…X4 поступают таким образом, что в каждом полупериоде два транзистора включены, а два других выключены.


Рисунок 4 - Мостовая схема инвертора напряжения
Существует два алгоритма управления ключевыми элементами инвертора напряжения: симметричный и несимметричный. На рисунке приведены временные зависимости токов и напряжений для этих двух алгоритмов. Рассмотрим принцип действия инвертора при симметричном алгоритме управления (рисунок 5).


Рисунок 5 - Временные диаграммы при различных алгоритмах управления
При подаче управляющих импульсов X1, X4 на транзисторы VT1, VT4 на интервале времени [t3; t4] ток протекает по контуру:

"+" U1; коллектор - эмиттер VT1; обмотка трансформатора (T) в первичной цепи; коллектор - эмиттер VT4;

"-" U1. На этом же интервале накапливается реактивная энергия в цепи намагничивания трансформатора T, происходит плавное нарастание тока в первичной цепи по экспоненциальному закону.

На интервале [t4; t5] осуществляется рекуперация энергии в источник U1 через обратные диоды по контуру:

"+" ЭДС (E1); VD3; противоположное направление по отношению к U1; VD2;

"-" E1. Тока источника спадает до нуля.

В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для осуществления стабилизации напряжения на выходе инвертора (U2), другой ключ можно удерживать в открытом состоянии, что исключает воздействие инвертора на входной источник. Рассмотрим принцип действия инвертора при несимметричном алгоритме управления [2].

На интервале времени [t0; t2] за период работы второго и третьего ключей в цепи намагничивания трансформатора T накопилась реактивная энергия. На интервале [t2; t3] происходит рекуперация энергии в нагрузку по контуру:

"+" ЭДС (E1); VD1; коллектор - эммитер VT3;

"-" E1.

Если на данном интервале ток I1 не снизился до нуля (т.е. ток не поменял свой знак), то на интервале [t3; t4] энергия передается в источник по контуру:

"+" ЭДС (E1); VD1; противоположное направление по отношению к U1; VD4;

"-" E1, при этом образуется "полочка" в форме напряжения U2.

Транзисторный инвертор с емкостным делителем напряжения (полумостовой инвертор) приведен на рисунке 6.


Рисунок 6 - Полумостовой инвертор
Принцип работы схемы заключается в поочередном подключении транзисторами VT1, VT2 первичной обмотки трансформатора к конденсаторам С1, С2. На интервале времени [t2; t3] происходит заряд конденсатора С1 по цепи: "+"; U1; С1; обмотка трансформатора первичной цепи W1; коллектор - эмиттер VT2; "-" U1. На этом же интервале происходит разряд конденсатора С2 по цепи: "+" С2; обмотка трансформатора первичной цепи W1; коллектор - эмиттер VT2; "-" U1.

К достоинствам схемы инвертора можно отнести: малые потери в силовой цепи за счет коммутации одного ключа на каждом такте работы схемы. За счет конденсаторов поддерживается баланс токов в схеме за период работы, что исключает возникновение асимметричного режима намагничивания трансформатора. Кроме того, в этой схеме малый уровень обратного напряжения на ключах, поэтому схема может использоваться при высоких входных напряжениях.

Однотактный транзисторный инвертор напряжения с передачей энергии на прямом ходе показан на рисунке 7.


Рисунок 7 - Транзисторный инвертор с передачей энергии на прямом ходе
При подаче управляющего сигнала (UУПР) на базу транзистора VT1 в первичной цепи трансформатора появляется ток. Контур его протекания:

"+" Uвх; обмотка трансформатора в первичной цепи; коллектор - эмиттер VT1;

"-" U1. На интервале импульса происходит передача энергии в нагрузку через выпрямительный диод VD1 и накопление реактивной энергии в дросселе сглаживающего фильтра L.

На интервале паузы (1-KЗ) T осуществляется рекуперация энергии дросселя L через обратный диод VD2 в нагрузку, конденсатор С дополнительно сглаживает пульсации.

К достоинствам схемы относятся: простота силовой цепи и системы управления, дешевизна конструкции. отсутствие режима сквозных токов.

Недостатки: ограничения на максимальное значение коэффициента заполнения импульсов KЗ, большие габариты сглаживающего фильтра, одностороннее намагничивание сердечника трансформатора.

Транзисторный инвертор с передачей энергии на обратном ходе показан на рисунке 8.


Рисунок 8 - Транзисторный инвертор с передачей энергии на обратном ходе
При подаче управляющего сигнала на базу транзистора VT1 происходит накопление реактивной энергии E в цепи намагничивания трансформатора T1. Ток в цепи намагничивания трасформатора протекает по контуру: "+" Uвх; обмотка трансформатора первичной цепи; коллектор-эмиттер VT1; "-" U1. При этом выпрямительный диод VD1 закрыт, конденсатор фильтра разряжается в нагрузку. На интервале паузы происходит передача энергии намагничивания в нагрузку через выпрямительный диод VD1.

К достоинствам схемы относятся: простота силовой цепи и системы управления, дешевизна конструкции, отсутствие режима сквозных токов.

Недостатки: ограничения на максимальное значение коэффициента заполнения импульсов KЗ, большие габариты сглаживающего фильтра, одностороннее намагничивание сердечника трансформатора.

2. Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователя



Исходя из проведенного анализа и сделанных выводов, схема электрическая принципиальная однофазного инвертора напряжения приведена на рисунке 11.


Рисунок 11 - Принципиальная схема АИН
Исходным материалом для разработки СЭП являются общая структура инвертора и схематические решения отдельных ее звеньев, полученных в результате проведенного анализа вариантов технических решений.

Для обеспечения работоспособности проектируемого преобразователя выбираем элементы, с помощью которых осуществляется защита схем от короткого замыкания и перегрузки: датчик тока (схема защиты будет разработана далее).

Поясним принцип работы системы. На рисунке 12 представлены временные диаграммы работы инвертора. Здесь на участке θ1-θ2, открыты транзисторы T1 - T3 и ток протекает от источника питания в нагрузку. В точке θ2 транзисторы T1 - T3 выключаются, а включаются транзисторы T2 - T4, и реактивная энергия, накопленная в магнитном поле Lн, сбрасывается в источник питания через диоды B2 - B4 на интервале θ2 - θ3. И только в точке θ3 потечет ток от источника питания в нагрузку в противоположном направлении [10].



Рисунок 12 - Временные диаграммы работы

3. Расчет и выбор элементов в силовой части преобразователя



В качестве силовой схемы однофазного инвертора напряжения примем мостовой однофазный транзисторный инвертор напряжения, выполненный на IGBT-транзисторах. Его схема представлена на рисунке 16.


Рисунок 16 - Мостовой однофазный инвертор напряжения
В разрабатываемой схеме противофазно переключаются VT1 и VT2. Вследствие того, что при закрывании ранее открытого транзистора (например, VT1) имеется интервал времени рассасывания и спада, VT1 закрывается дольше, в сравнении с открывающимся VT2, следовательно, есть небольшой интервал времени (доли мкс), когда VT2 уже открылся, а VT1 еще открыт, протекает сквозной ток. Подобные обстоятельства можно отнести к любым ключам, в том числе и к MOSFET, IJBT. Для исключения этого сквозного тока необходимо в электронной схеме управления ключами применять элементы задержки, которые задерживают открывание ранее закрытых ключей (для данного случая VT2, но также и VT1, когда он открывается), следовательно, образуется интервал времени (десятые доли мкс), когда VT1 закрылся, а VT2 еще не открылся, т.е. оба они закрыты, что недопустимо, так как действует закон сохранения тока в цепях с индуктивностью и ЭДС самоиндукции может выжечь закрывающийся ключ. Для предотвращения этого включают диоды VD1, VD2, VD3, VD4.

Второй сквозной ток протекает по цепи E VT1-VD2-земля (против направления VD2). Объяснение причин этого тока в следующем. Если диод не быстродействующий, то пара VT1 - VD2 может выгореть. Для предотвращения этого последовательно с VD2, VD4 ставят дроссели. Эти дроссели с малой индуктивностью практически не влияют на импульсные процессы усиления, но замедляют фронт нарастания сквозного тока, предотвращают выжигание.

Произведем расчёт силовой части. Расчет ведем по методике [10]. Исходные данные:

  1. Uпит = 24 В;

  2. Sн = 500 Вт;

  3. Uн = 115 В;

  4. fн=400 Гц.

Мощность на нагрузке должна составлять 500 Вт. Т.к. трансформатор не идеален в нем происходят потери (перемагничивание сердечника и т.п.). Примем КПД трансформатора η = 90%, тогда подаваемая мощность и соответственно мощность трансформатора:
Pт = Pн / η = 500/0,9 = 550 ВА.
Полный ток:
Iн = Pт / Uн;

Iн = 550/115 = 4,78 А.
Полное сопротивление:
Zн = Uн / Iн;

Zн = 115/4,78 = 24,06 Ом.
Активное сопротивление (cosφ принимаем равным 0,8):
Rн = Zн · cosφ = 24,06 · 0,8 = 19,25 Oм.
Реактивное сопротивление:
sin² φ = 1 - cos² φ.

sin² φ = 0,36;

sinφ = 0,6;

Хн = Zн · sinφ = 24,06 · 0,6 = 14,44 Ом.
Максимальное значение тока силовых вентилей



В соответствии с полученными данными выбираем IGBT - Транзистор IRGB4061DPBАF [11]:

Корпус ТО-220 АВ;

U = 600 В;
Ic (25°C / 100°C) = 36 A / 18 А;
Pd = 206 Вт;

Выбираем диод КД202Д [6]:

I пр. cр. max = 5 A;

Uобр. и. п. max = 200 В;

f max = 5 кГц.

Произведем расчёт трансформатора:

Исходные данные:

  1. Рн=500 Вт

  2. Uпит = 24 В

  3. Uн = 115 В

  4. Iн = 27,9 А

  5. fн = 400 Гц

Определим действующие значения токов и амплитуды напряжений первичной и вторичной обмотки трансформатора:

U1 =24 В; U2 = 105 В;
Ктр = 115/24 = 4,8.

I1 = Ктр · IНmax · √γmax = 4,8 · 4,78 · = 21,76 A;

I2 = IНmax · √γmax = 4,78 · = 4,53 A
Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:

Выбор типоразмера магнитопровода. Так как режим работы трансформатора двухтактный положим индукцию В равную 0.2 Тл, а плотность тока на частоте 15 кГц - 3.5 А/ мм2.

Рассчитаем произведение площади окна на площадь сечения для выбора магнитопровода из стандартного ряда.
Sок·Sс= 100·Рг/4·Кф·j·B·F·Кс·Ко

Sок·Sс= 100·694/4·1·3.5·0.2·400·1·0.3 = 206 см4.
Где Soк - площадь окна сердечника магнитопровода (см2);

Sc - поперечное сечение сердечника (см2);

Рг - габаритная мощность трехобмоточного трансформатора;

Кф - коэффициент формы напряжения (для прямоугольного сигнала - 1);

Кс - коэффициент заполнения сердечника сталью к=1;

j - Плотность тока в обмотках трансформатора (примем j = 3.5А/мм2)

Ко - коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем Ко = 0,3

В - индукция в магнитопроводе, примем В = 0,2Тл

Выбираем сердечник EC56 [11], параметры которого:

= 22,1 см2,  = 12,3 см2, = 271,8 см4

Электрический расчет.
Wo = 104/4·Кф·В·F·Sc·Кс = 104/4·1·0,2·400·22,1·1= 1,41 вит/В.
Принимаем падение напряжения на обмотках 2%, рассчитаем количество витков обмоток.
W1 = W0·0,98·U1 = 1,41·0,98·24 = 33 витка.

W2 = W0·0,98·U2 = 1,41·0,98·115 = 159 витков.
Определяем диаметр проводов обмоток трансформатора (без учёта толщины изоляции):
;

;

;
Для первичной обмотки выбираем два проводника в жгуте ПЭВ1 с параметрами: номинальный размер диаметра провода без изоляции - 1,44 мм, расчетное сечение 1,63, с изоляцией - 1,61 мм.

Для вторичной обмотки выбираем ПЭВ1 с параметрами: номинальный размер диаметра провода без изоляции - 1,31 мм, расчетное сечение 1,3, с изоляцией - 1,36 мм.

Приближенно проверим на вместимость обмоток в окно сердечника.

Площадь первичной обмотки:

Площадь вторичной обмотки:

Коэффициент укладки:

Обмотки трансформатора входят в окно магнитопровода.

Заключение



В курсовом проекте разработана схема электрическая принципиальная однофазного автономного инвертора напряжения. В основу был взят однофазный мостовой инвертор.

В проекте приведены обоснования и расчёты силовой части, а так же применилась замкнутая система управления для обеспечения стабилизации выходного напряжения. Подобрана система защиты на основе потенциометра для регулирования большего или меньшего напряжения.

По результатам анализа полученных результатов можно сделать вывод о том, что разработанная схема полностью удовлетворяет ТЗ.

Список использованной литературы



1. Петрович В.П. Силовая электроника: учеб. пособие / В.П. Петрович, А.В. Глазачев. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 207 с.

2. Кобзев А.В., Коновалов Б.И., Семенов В.Д. Энергетическая электроника: учеб. пособие. - Томск: Изд-во ТУСУРа, 2003. - 172 с.

3. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М: Техносфера, 2015. - 632 с.

4. Мишуров В.С., Семенов В.Д. Энергетическая электроника: учеб. - метод. пособие. - Томск: ТМЦДО, 2007. - 174 с.

5. Справочник: Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутирующие устройства РЭА. Под ред. Акимова Н.Н., Ващукова Е.П. Мн: Беларусь, 1994. - 591 с.: ил.

6. Справочник: Диоды. Под ред. Григорьева О.П., Замятина В.Я. М.: Радио и связь, 1990.

7. Конденсаторы: Справочник/ Четвертков И.И. и д. р. - М.: Радио и связь, 1993. - 392с.: ил.

8. Резисторы: Справочник/ Дубровский В.В. и д. р. - М.: Радио и связь, 1991. - 528с.: ил.

9. Герман-Галкин С.Г., Широтно-импульсные преобразователи. - Л.: Энергия, 1979. - 096 с.: ил.

10. Петрович В.П. Силовые преобразователи электрической энергии / В.П. Петрович, Н.А. Воронина, А.В. Глазачев. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - 239 с.

11. chipdip.ru.


скачати

© Усі права захищені
написати до нас