Лабораторная работа №9. Исследование работы автономного однофазного параллельного инвертора тока

Цель работы. Исследовать схему автономного (резонансного) однофазного параллельного инвертора, получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, получить осциллограммы напряжений на нагрузке, определить входную и внешнюю характеристики инвертора.

Основные теоретические положения

В автономных инверторах выходные параметры (форма, частота напряжения) определяются схемой инвертора и его системой управления в отличие от зависимых инверторов, выходные параметры которых соответствуют параметрам сети.

Автономный инвертор представляет собой коммутатор, для работы которого необходимы полностью управляемые переключающие элементы (ключи). Наиболее подходящими для автономных инверторов являются полностью управляемые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы, запираемые тиристоры). В случае использовании обычных тиристоров, т.е. приборов с неполным управлением, схема инверторов дополняется устройствами принудительной, как правило, емкостной коммутации.

Автономный инвертор тока. В цепи постоянного тока АИТ включен реактор с большой индуктивностью. Тогда в интервале между коммутациями ключей ток в реакторе изменяется незначительно. В этом случае ключи изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке, так что последняя питается как бы от источника тока. Нагрузка таких схем носит, как правило, емкостной характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы (см. рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 – Схема и диаграммы тока и напряжения однофазного мостового АИТ

Предположим, что на интервале от нуля до в проводящем состоянии находятся тиристоры и . В момент на тиристоры и поступают управляющие импульсы. При этом напряжение на нагрузке (точка М на рис. 7.1) равно , где – угол сдвига между синусоидами выходного напряжения и выходного тока инвертора. Это напряжение является прямым для тиристоров и , они включаются, и цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через все открытые тиристоры схемы. В результате этого возникает разряд коммутирующего конденсатора . Ток разряда распределяется по двум контурам. В одном контуре он направлен навстречу току, протекающему через тиристор , а в другом – навстречу току, протекающему через тиристор . Когда токи этих тиристоров станут равными нулю, они выключатся, так как завершится процесс коммутации тиристоров. Поскольку в контурах разряда конденсатора отсутствуют индуктивности, этот процесс можно считать мгновенным.

После выключения тиристоров и ток начинает проходить через тиристоры и , вследствие чего направление тока нагрузки скачком изменяется. Напряжение в момент коммутации не изменяется из-за наличия в схеме конденсатора . К тиристорам и скачком прикладывается обратное напряжение , и они имеют возможность восстанавливать запирающие свойства. Для нормальной коммутации необходимо, чтобы , где – частота выходного напряжения, – время выключения тиристора.

В противном случае после прохождения напряжения через нуль произойдет повторное включение и , так как на них будет подано прямое напряжение раньше, чем они успеют восстановить свою запирающую способность. В результате этого возникнет аварийный режим, когда во включенном состоянии будут находиться одновременно все тиристоры («опрокидывание» инвертора). Чтобы этого не случилось, необходимо, чтобы вся нагрузка вместе с конденсатором имела емкостной характер и ток опережал напряжение .

Автономный инвертор напряжения. В этом случае источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается как бы от источника переменного напряжения. Нагрузка в этом случае должна носить активный или активно-индуктивный характер ( см. русунок 9.2 ).

Рис. 9.2. Схема и диаграммы тока и напряжения однофазного АИН на транзисторах

Когда открыты транзисторы и , напряжение на нагрузке имеет полярность (без скобок), а ток нагрузки растет по экспоненте. В момент поступают управляющие импульсы, запирающие , и отпирающие , . Поскольку ток в индуктивности нагрузки не может измениться скачком, то он продолжает протекать в том же направлении, но уже не через транзисторы и , а через диоды и , которые включаются при выключении транзисторов и из-за возникновения противоЭДС индуктивности нагрузки, превышающей напряжение источника питания . Во время протекания тока через обратные диоды происходит возврат энергии из нагрузки в источник постоянного тока.

Включение диодов и приводит к изменению знака напряжения нагрузки на противоположное (полярность в скобках). Под воздействием встречного напряжения ток нагрузки , протекающий через диоды и в источник питания, будет уменьшаться также по экспоненте. При спадании тока до нуля (в момент ) диоды и выключаются, и ток нагрузки начинают проводить транзисторы , , на базах которых с момента присутствует управляющий импульс. Далее аналогичные процессы повторяются.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования работы автономного (резонансного) однофазного параллельного инвертора.

1.1. Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены (т.е. кнопки включения в сеть не должны светиться).

1.2. Собрать требуемую схему вентилей на основе схем соединения отдельных блоков, расположенных согласно рисунок 9.3. Номера необходимых блоков указаны на рисунках в левом нижнем углу каждого блока в схеме.

Рисунок 9.3. Схема инвертора

1.3. Обязательно следует соединить гнезда защитного заземления
" " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1 с помощью специальных проводов.

2. Произвести настройку и включение блоков стенда:

2.1. Установите в блоке дросселей А6 индуктивности L₁ и L₂ равными 3 и 3 Гн.

2.2. Установите в блоке А4 емкости С₁ и С₂ коммутирующих конденсаторов равными, например, 20 мкФ.

2.3. Установите сопротивление нагрузочного резистора А2 равным, например, 60 Ом.

2.4. Установите индуктивность дросселя А3 равным, например, 0, 3 Гн.

2.5. Регулировочные рукоятки источника G2 поверните против часовой стрелки до упора.

2.6. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения однофазного источника питания G1.

2.7. Включите выключатель «СЕТЬ» блока датчиков тока и напряжения А10.

2.8. Включите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

2.9. Кнопкой «ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР» источника питания G2 установите режим измерения предельного значения.

2.10. Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ ТОКА» установите по индикатору ток ограничения источника питания G2 равным, например, 1 А.

2.11. Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ» установите по индикатору желаемое выходное напряжение источника питания G2 равным, например, 25 В.

2.12. Отключите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

2.13. Включите выключатель «СЕТЬ» преобразователя А7.

2.14. Вращая рукоятку установите на индикаторе частоту задающего генератора преобразователя А7 равной, например, 50 Гц.

2.15. Включите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

2.16. На осциллографе наблюдайте напряжения нагрузки инвертора тока.

2.17. На индикаторе преобразователя А7 наблюдайте угол опережения β (тиристоровVS1…VS4) инвертора.

2.18. По завершении эксперимента отключите выключатели «СЕТЬ» источника питания G2, преобразователя А7 и блока датчиков тока и напряжения А10.

3. Снятие входной и внешней характеристик.

3.1. Соберите схему в соответствии с рис. 7.3.

3.2. Установите в блоке дросселей А6 индуктивности L₁ и L₂ равными, например, 3 и 3 Гн.

3.3. Установите в блоке А4 емкости С₁ и С₂ коммутирующих конденсаторов равными, например, 20 мкФ.

3.4. Установите сопротивление r_н нагрузочного резистора А2 равным, например, 50 Ом.

3.5. Установите индуктивность L_н дросселя А3 равным, 0, 1 Гн.

3.6. Регулировочные рукоятки источника G2 поверните против часовой стрелки до упора.

3.7. Включите автоматический выключатель и устройство защитного отключения однофазного источника питания G1.

3.8. Приведите в рабочее состояние осциллограф.

3.9. Включите выключатель «СЕТЬ» блока датчиков тока и напряжения А10.

3.10. Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и активизируйте используемый мультиметр.

3.11. Включите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

3.12. Кнопкой «ИЗМЕРЯЕМЫЙ ПАРАМЕТР» источника питания G2 установите режим измерения предельного значения.

3.13. Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ ТОКА» установите по индикатору ток ограничения источника питания G2 равным, например, 1 А.

3.14. Вращая рукоятку «ЗАДАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ» установите по индикатору желаемое выходное напряжение источника питания G2 равным, например, 25 В.

3.15. Отключите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

3.16. Включите выключатель «СЕТЬ» преобразователя А7.

3.17. Вращая рукоятку установите на индикаторе частоту f задающего генератора преобразователя А7 равной, например, 50 Гц.

3.18. Включите выключатель «СЕТЬ» источника питания G2.

3.19. На осциллографе наблюдайте кривую напряжения на нагрузке инвертора тока, по которой судите о работе инвертора тока.

3.20. Варьируйте сопротивление r_н и индуктивность L_н нагрузки инвертора тока, сохраняя постоянным отношение L_н/r_н равным, например, 0, 002 (соответствует cosφ _н=0, 85). Заносите их значения, а также среднее значение входного тока I_d (считывается с индикатора источника питания G2) и действующее значение напряжения на нагрузке U_н (считывается с мультиметра блока Р1) в таблицу 9.1.

Таблица 9.1 – Сводная таблица снимаемых параметров

3.21. По завершении эксперимента отключите выключатели «СЕТЬ» источника питания G2, преобразователя А7, блока мультиметров Р1 и блока датчиков тока и напряжения А10.

3.22. Используя данные таблицы 7.1, вычислите значения проводимости нагрузки по формуле

Y _н=1/(r _н²+(2π fL _н)²) (9.2)

и занесите их в эту же таблицу.

3.23. Используя данные таблицы 9.1, постройте искомые входную I_d = f(Y _н ) и внешнюю U _н = f (Y _н) характеристики однофазного параллельного инвертора тока.

Содержание отчета

1. Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.

2. Осциллограмма исследованных участков схемы.

3. Сводная таблица данных и диаграмма для каждой части лабораторной работы, где было необходимо построить те или иные характеристики преобразователя.

4. Графики экспериментально полученных характеристик.

Контрольные вопросы

1. Какие основные типы автономных инверторов используются в устройствах силовой электроники?

2. Что является отличительным признаком АИН, АИТ?

3. Какие требования предъявляются к переключающим элементам автономных инверторов?

4. Для чего служат обратные диоды в схемах АИН?

5. При каких условиях и как осуществляется энергообмен между нагрузкой и источником питания?

6. Каким коэффициентом оценивается качество кривой выходного напряжения АИН?

7. Каковы преимущества и недостатки реализации выходного напряжения АИН методом амплитудной модуляции? Какие существуют основные способы получения амплитудно-модулированного напряжения с помощью АИН?

8. Какие преимущества дает широтно-импульсный способ формирования кривой выходного напряжения?

9. Как можно изменять значение и частоту выходного напряжения АИН при ШИМ?

10. С какой целью включается дроссель L _d и конденсатор C _k в схему АИТ?

11. Почему напряжение на нагрузке при использовании АИТ зависит от нагрузки?

12. Как можно регулировать или стабилизировать значение выходного напряжения в АИТ?