Проведено аналіз автономного однофазного паралельного резонансного інвертора. Отримано аналітичні вирази, що описують закони зміни напруг і струмів інвертора. Виявлено залежності параметрів інвертора від добротності коливального контуру. Визначено регулювальні характеристики для схеми зі стабілізацією вихідної напруги при впливі дестабілізуючих факторів. Отримані вирази дозволяють зробити інженерний розрахунок елементів силової частини резонансного інвертора, оцінити їх масу і габарити.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Огородніков Дмитро Миколайович, Ярославцев Євген Віталійович


The independent single-phase parallel resonance inverter has been analyzed. The analytic expressions describing the laws of changing inverter voltages and currents were obtained. The inverter parameter dependences on oscillating circuit Q-factor were ascertained. Regulating characteristics for the circuit with output voltage stabilization at destabilizer action were determined. The obtained expressions allow carrying out engineering design of the elements of resonance inverter strength part, evaluating their mass and sizes.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Аналіз однофазного паралельного резонансного інвертора з стабілізованою квазісінусоідальние вихідним напругою'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз однофазного паралельного резонансного інвертора з стабілізованою квазісінусоідальние вихідним напругою»

    ?УДК 621.314.57

    АНАЛІЗ однофазних ПАРАЛЕЛЬНОГО РЕЗОНАНСНОГО інвертор зі стабілізованою квазісінусоідальние ВИХІДНІ напругою

    Д.Н. Огородніков, Е.В. Ярославцев

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Проведено аналіз автономного однофазного паралельного резонансного інвертора. Отримано аналітичні вирази, що описують закони зміни напруг і струмів інвертора. Виявлено залежності параметрів інвертора від добротності коливального контуру. Визначено регулювальні характеристики для схеми зі стабілізацією вихідної напруги при впливі дестабілізуючих факторів. Отримані вирази дозволяють зробити інженерний розрахунок елементів силової частини резонансного інвертора, оцінити їх масу і габарити.

    Ключові слова:

    Резонансний інвертор, коливальний контур, тиристор, регулювання вихідної напруги, добротність, встановлена ​​потужність.

    Key words:

    Resonance inverter, oscillating circuit, thyristor, control of output voltage, Q-factor, rated capacity.

    Вступ

    Для харчування радіоелектронної апаратури поза промислової мережі змінного струму широко використовують різні схеми інверторів, що перетворюють постійну напругу первинного джерела електроенергії (акумулятора, дизель-генератора, сонячної батареї і т. П.) В синусоидальное з необхідними параметрами. Одним з перспективних видів перетворювачів, які реалізують зазначене завдання, є резонансні інвертори (РІ), принцип дії яких заснований на імпульсному збудженні послідовного коливального контуру на частоті резонансу. Синусоїдальний характер струму забезпечує таких пристроїв ряд переваг в порівнянні з іншими класами перетворювачів: мінімальні втрати енергії на комутацію силових ключів; висока надійність роботи; малий рівень високочастотних перешкод і перенапруг на елементах; зменшення несиметрії робочих контурів в суміжних напівперіодах; можливість застосування в инверторе ключів з неповною керованістю, наприклад, тиристорів і т. д. Крім того, робота в режимі резонансу напруг послідовного коливального контуру дозволяє отримати підвищену вихідну напругу щодо вхідного без застосування трансформатора.

    Незважаючи на очевидні переваги резонансних інверторів, в доступній літературі розглянуті тільки їх найпростіші схеми, що не знайшли широкого застосування на практиці в якості формувачів синусоїдальної напруги через сильну залежність величини вихідної напруги від добротності контуру. Тим часом, відомі схемні рішення, що дозволяють досить просто стабілізувати вихідну напругу РІ при впливі на будову різних дестабілізуючих факторів [1-5].

    У пропонованій статті зроблена спроба узагальнити результати багаторічної роботи авторів з

    дослідженню резонансних інверторів зі стабілізацією вихідного синусоїдального напруги [5-8]. На основі результатів аналізу пропонується інженерна методика розрахунку РІ, що дозволяє проектувати реальні пристрої з необхідними параметрами.

    РІ зі стабілізацією вихідної напруги

    Схема резонансного інвертора, що забезпечує регулювання споживаної від вхідного джерела енергії і, як наслідок, можливість стабілізації вихідної напруги, наведена на рис. 1. Основою пристрою є вентильний міст з тиристорів До ^ -К ^ і К $ 2-К $ 3, в діагональ змінного струму якого включений контурний конденсатор С з паралельно приєднаної до нього навантаженням Лн. Міст через контурний дросель Ь підключений до джерела постійної напруги Е. Дроссель і конденсатор утворюють послідовний коливальний контур з резонансною частотою о0 = 1 / еЬС і характеристичним опором р = л? С. Відмінність даної схеми від класичного нерегульованого РІ полягає в наявності тиристора введення енергії У8 і зворотного вентиля КД, завдяки яким з'являється можливість регулювати кількість енергії, що вводиться в контур від джерела Е на кожному циклі роботи схеми, а, отже, і величину напруги на конденсаторі (навантаженні ). Принцип дії пристрою пояснюється діаграмами і полягає в наступному.

    У першому циклі роботи одночасно включаються тиристор введення енергії і будь-яка з пар тиристорів, наприклад, К ^ -К ^, підключаючи коливальний контур ЬС до джерела живлення. У ланцюзі дроселя з'являється струм / Ь (/), що заряджає конденсатор і частково відгалужується в навантаження. Якщо добротність коливального контуру досить велика, то струм / Ь (0 і напруга на конденсаторі ІС (0 = івих (0 змінюються за синусоїдальним законом з

    загасанням, зумовленим наявністю навантаження Лн і втратами в елементах схеми. Через полперіода згасаючих коливань струм контуру знижується до нуля, і вентилі УБ, У ^ -У ^, що володіють односторонньою провідністю, замикаються. Напруга на конденсаторі С до цього моменту часу досягло деякого значення іСшх1>Е. Різниця напруг Е-іСпш1 з замикаючої для вентилів полярністю рівномірно розподіляється між тиристорами УБ, УБ1 і УБ4, підтримуючи їх у замкненому стані.

    регулювати енергію, спожиту від вхідного джерела, тим самим стабілізуючи вихідна напруга інвертора при зміні як вхідної напруги, так і опору навантаження.

    У розглянутій схемі в якості ключа УБ доцільно використовувати одноопераційних тиристор, оскільки в кінці кожного напівперіоду формованого напруги здійснюється його природна комутація. У загальному випадку ключ може бути повністю керований. Система управління таким ключем складніша, але дозволяє більш динамічно реагувати на процеси, що протікають в инвертор, особливо в перехідних режимах.

    Використовуючи класичний метод розрахунку перехідних процесів, визначимо закони зміни напруги на конденсаторі і струму в дроселі в сталому режимі роботи, коли в схемі присутні тільки локальні перехідні процеси.

    При наявності кута регулювання в тиристор введення енергії УБ підключає джерело живлення Е к контуру з деякою затримкою, тому схема заміщення інвертора на етапі 0<а «в матиме вигляд, показаний на рис. 2, а.

    Конденсатор З заряджений в попередньому напівпр-періоді до значення - і0 (полярність протилежна зазначеній на рис. 2, а), струм дроселя Ь дорівнює нулю.

    Мал. 1. Резонансний паралельний інвертор з одноопераційних тиристором введення енергії: а) схема силової частини; б) діаграми роботи

    Через деякий час, достатній для відновлення тиристором введення енергії УБ замикаючих властивостей, система управління включає протилежну пару тиристорів УБ2-УБ3, що знаходяться під прямим зміщенням, забезпечуваним напругою конденсатора С. Конденсатор починає заряджатися по контуру З ^ УБ2 ^ УД ^ Ь ^ УБ3 ^ З , причому струм дроселя і напруга конденсатора, як і в першому циклі, змінюються за синусоїдальним законом з загасанням. Включення тиристора УБ призводить до замикання діода УД, і конденсатор буде продовжувати перезаряджатимуться, але вже по ланцюгу З ^ УБ2 ^ Е ^ УБ ^ Ь ^ УБ3 ^ С. Процес перезарядження в другому циклі також триває полперіода згасаючих коливань і закінчується при спаданні струму до нуля . Очевидно, що змінюючи фазу включення тиристора УБ, можна

    Мал. 2. Схеми заміщення паралельного резонансного інвертора на різних етапах роботи

    Система диференціальних рівнянь, що визначають напругу на конденсаторі і струм в дроселі контуру, описується на даному етапі виразами:

    іь (/) = Ь

    Я,

    Сис (/) ІС (/) Ж сІЬ (/)

    Ж

    (1)

    Вирішуючи систему щодо ІС, отримуємо диференціальне рівняння другого порядку:

    З 2ИС (/) 1 Сис (/) 1

    Л

    Я С Л

    + ----------- ис (/) - 0.

    ЬС З

    (2)

    Вирішуючи дане рівняння відомими методами, після перетворень знаходимо закон зміни напруги на конденсаторі:

    ІС (/) - і0 | е

    -БШ 0 ^ - 008 (01

    (3)

    де а = 1 / (2ЛнС) - декремент загасання; о = ^ о} -а2 - частота затухаючих коливань.

    Аналогічно отримуємо закон зміни струму дроселя:

    * Ь (г) = - ^ т • в "аЬ

    (4)

    В деякий момент часу відбувається включення тиристора введення енергії УБ. Значення мс (/ 1) = Ц1 і? 1 (11) = 11 будуть незалежними початковими умовами при аналізі подальших процесів в схемі на етапі р<ТКП (рис. 2, б).

    Система диференціальних рівнянь, що описують ис і? 1 у схемі по рис. 2, б, виглядає наступним чином:

    й 2ИС (г) 1 йіс (г) 1

    Е

    йг

    й 21ь Ц)

    Янс йг

    1 й1ь (г)

    йг

    я, з йг

    + ------- * і з (г) = -;

    ЬС з ЬС

    1 Е

    + -------- * ь (г) = --------- •

    ЬС ь ься,.

    (5)

    Рішення даної системи класичними методами дозволяє отримати закони зміни напруги на конденсаторі і струму в дроселі на другому етапі:

    ис (г). = 1 + (Ч ± +1 | х

    хв

    і + 1

    Е

    1рО.

    л / 402 -1

    -8т аг _ оо8 аг

    (

    хв

    202 | - | +1

    ЬрО.

    Е

    +1

    -1

    л / 402 _ 1

    -8т аг + 008 аг

    (7)

    Тут 2 = Лн / л? / С - добротність коливального контуру.

    Вирази (6) і (7) досить складні і незручні для практичного використання. Дослідження показали, що при добротності 2>3 з похибкою не більше 5% можна приймати форми струму дроселя і напруги на конденсаторі синусоїдальними, що дозволяє використовувати для розрахунку амплітуди струму дроселя наближену формулу:

    и- (8)

    Р

    =-

    де р - характеристичний опір контуру.

    З виразу (6) з урахуванням прийнятих припущень отримаємо коефіцієнт передачі схеми по напрузі. Під коефіцієнтом передачі будемо розуміти відношення:

    ^ (9)

    до "= |

    Е

    Прирівнюючи потужність, споживану від джерела живлення, і активну потужність навантаження, а також використовуючи наближену формулу (8) для розрахунку амплітуди струму дроселя, отримаємо залежність коефіцієнта передачі інвертора від кута регулювання (кута включення) тиристора введення енергії УБ:

    Ки = - * (008 в + 1). п

    (10)

    Видно, що залежність коефіцієнта передачі від в підкоряється косинусоидальной закону (рис. 3), а максимальний коефіцієнт передачі спостерігається при нульовому вугіллі включення тиристора введення енергії і дорівнює Кітю = 40 / п.

    Мал. 3. Залежність коефіцієнта передачі по напрузі від кута включення тиристора введення енергії при постійних вхідній напрузі і потужності в навантаженні

    Закон управління тиристором введення енергії відображає регулювальна характеристика інвертора при постійному необхідному коефіцієнті передачі по напрузі і дії зовнішніх дестабілізуючих факторів. В даному випадку такими факторами є зміна рівня вхідного напруги і зміна навантаження перетворювача. Вираз, що описує необхідну регулювальну характеристику, легко виходить з формули (10):

    в = агооо8

    ітПР

    2ЕЯ

    Л

    _1

    (11)

    Сімейства залежностей кута включення тиристора введення енергії при впливі дестабілізуючих факторів приведені на рис. 4 і 5. У даному прикладі вхідна напруга інвертора постійне 50 В, вихідна - 220 В, 50 Гц.

    Видно, що з ростом напруги вхідного джерела живлення, як і з ростом добротності контуру (через зменшення навантаження інвертора), ді-

    апазоне зміни кута включення в тиристора введення енергії зменшується, а значення цього кута наближається до п.

    Дослідження показали, що існує критичне значення добротності контуру (0кр = 2,6), при якому струм дроселя до кінця напівперіоду спадає до нуля. При зменшенні добротності нижче критичної ток дроселя стає безперервним, зберігаючи при цьому коливальний характер. Тому при використанні одноопераційних тиристорів в инвертор необхідно забезпечити добротність контуру не нижче критичної.

    З'ясуємо залежність частоти резонансного контуру від опору навантаження. Наявність кінцевого опору навантаження призводить до зниження частоти коливань. Частота згасаючих коливань визначається за формулою:

    (12)

    1,0

    0,5

    0 0

    Мал. 4.

    ?2 + 2 а = \ ®о -а • 1 р / л

    ит / Е = 3,6

    г Т т / Е 4 про

    т / Е = 6 8

    / 1, 2

    Q

    5

    10 15 20 25 30

    Перетворюючи (12) з урахуванням виразів для коефіцієнта загасання і добротності контуру, отримуємо відносну частоту коливань:

    а =. д -

    1

    40

    (13)

    З (13) випливає, що значення частоти затухаючих коливань контуру незначно відрізняється від резонансної частоти контуру при добротності вище критичної, так наприклад, при 0 = 0Щ різниця не перевищує 2%, а похибка в 1% забезпечується при добротності? "3,5. З ростом добротності значення відносної частоти зменшується. Слід також враховувати, що величина а завжди менше а0, тому для забезпечення необхідного значення вихідної частоти інвертора резонансну частоту контуру необхідно ставити вище вихідний частоти.

    Для оцінки масогабаритних показників елементів коливального контуру використовуємо коефіцієнти розрахункових потужностей дроселя і конденсатора, що визначаються співвідношеннями [5]:

    КРь = |

    ВРХ =

    і 2с з

    т С

    (14)

    (15)

    Залежність кута включення тиристора введення від добротності контуру (потужності навантаження) при постійному коефіцієнті передачі схеми для різних значень вхідної напруги

    де / ш 1ё - амплітудне і діюче значення струму дроселя, Рн - активна потужність навантаження, / - частота роботи відповідного елемента контуру.

    Перетворивши формули (14) і (15), отримаємо, що коефіцієнти розрахункових потужностей прямо пропорційні максимальним коефіцієнтом передачі по напрузі інвертора:

    Кр1 =

    КМДА

    ВРХ = - Кі

    (16)

    (17)

    Мал. 5. Залежність кута включення тиристора введення енергії від вхідної напруги при постійному коефіцієнті передачі схеми для різних значень добротності (потужності в навантаженні)

    Таким чином, коефіцієнти розрахункових потужностей елементів коливального контуру повністю визначаються необхідним максимальним коефіцієнтом передачі схеми по напрузі. Це пов'язано з тим, що максимальний коефіцієнт передачі прямо пропорційний добротності контуру, а від добротності залежать і значення струму дроселя, і значення індуктивності і ємності елементів контуру.

    Відомо, що масогабаритні параметри елементів коливального контуру безпосередньо визначаються габаритної енергією дроселя і конденсатора [9]:

    ^ =! Ж1Л1, (18)

    (19)

    СО

    про

    Після перетворення з урахуванням (8), (10) формула для розрахунку габаритної енергії дроселя набирає вигляду:

    * 81 = ПТ '

    4пр /

    З останнього виразу випливає, що якщо збільшується:

    1) добротність контуру 0 через зростання необхідного максимального коефіцієнта передачі інвертора при постійній потужності в навантаженні Рн, то габаритна енергія дроселя збільшується пропорційно 0;

    2) потужність в навантаженні Рн, а коефіцієнт передачі інвертора залишається постійним, то характеристичне опір контуру р зменшується і, отже, габаритна енергія дроселя збільшується.

    Подібні висновки справедливі і для габаритної енергії конденсатора ЩС.

    За енергетичні показники якості використання елементів перетворювального пристрою приймають їх відносні (до активної потужності навантаження) встановлені потужності [10]. Визначимо встановлені потужності елементів силової частини резонансного інвертора, рис. 1.

    Встановлена ​​потужність дроселя характеризується запасеної енергією при заданій частоті і рівні пульсацій струму:

    S * =

    1 Р.

    LIl

    Р. '

    Встановлена ​​(реактивна) потужність конденсатора в ланцюзі синусоїдального напруги розраховується як добуток діючих значень напруги і струму конденсатора [10]:

    0С = і "1с

    де - установлена ​​потужність дроселя, Ь - його індуктивність, 1Ь - діюче значення струму дроселя, а - частота.

    Після перетворення з урахуванням виразу для добротності, отримаємо:

    8 * = 20,

    де 0 - добротність контуру, необхідна для забезпечення коефіцієнта передачі інвертора при номінальному навантаженні.

    БС = - =

    р р

    н н

    Струм конденсатора має фазовий зсув щодо напруги на конденсаторі, яке збігається за фазою із струмом навантаження (при її активному характері). За допомогою векторної діаграми, побудованої для струмів контуру, легко показати, що амплітуда струму конденсатора буде визначатися виразом

    1ст = Кт ^ Про ^, де / н т - амплітуда струму навантаження.

    Тоді, після перетворення з урахуванням (18), формула для встановленої потужності конденсатора приймає вид

    0С = 4? -1.

    Слід зазначити, що точний аналіз перетворювачів на базі резонансних структур утруднений [2, 11]. Отримувані при аналізі вираження, як правило, носять трансцендентний характер і вирішуються з використанням ЕОМ. Однак, дана робота дозволяє провести розрахунок елементів контуру паралельного інвертора з допустимою інженерної похибкою.

    висновки

    Досліджено схема автономного паралельного резонансного інвертора. Отримано аналітичні вирази, що описують закони зміни напруг і струмів інвертора. Виявлено залежності параметрів інвертора від добротності коливального контуру. Отримано регулювальні характеристики для схеми зі стабілізацією вихідної напруги при впливі дестабілізуючих факторів. Отримані вирази дозволяють зробити інженерний розрахунок елементів силової частини резонансного інвертора, оцінити їх масу і габарити.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Розанов Ю.К., Никифоров А.А. Високочастотна комутація електричних ланцюгів з резонансними контурами - перспективний напрямок перетворювальної техніки // Електротехніка. - 1991. - № 6. - С. 20-28.

    2. Бальян Р.Х., Сіверс М.А. Тиристорні генератори і інвертори. - Л .: Енергоіздат, 1982. - 223 с.

    3. Бальян Р.Х., Обруснік В.П. Оптимальне проектування силових високочастотних феромагнітних пристроїв. - Томськ: Изд-во Томського ун-ту, 1987. - 168 с., Іл.

    4. Тиристорні перетворювачі підвищеної частоти для елек-тротехнологіческіх установок / Є.І. Беркович та ін. - 2-е изд., Перераб. і доп. - Л .: Вища школа, 1983. - 208 с., Іл.

    5. Багінський Б.А. Розробка і дослідження систем стабілізації живлення імпульсних бетатронів: Дис. ... канд. техн. наук. - Томськ, 1974. - 213 с.

    6. Буркин Є.Ю. Індуктивно-ключові формувачі струму заряду ємнісних накопичувачів: Дис. ... канд. техн. наук. - Томськ, 1998. - 125 с.

    7. Св-во на ПМ 10299 РФ. МПК6 Н02М 7/515. Паралельний інвертор / БА. Багінський, Д.Н. Огородніков, Е.В. Ярославцев. -№ 98119564/20; Заяв. 21.10.98; Опубл. 16.06.99, Бюл. № 6. - 1 с .: іл.

    8. Огородніков Д.Н., Ярославцев Є.В. Резонансний тиристорний перетворювач напруги з тиристором введення // Прилади і техніка експерименту. - 1999. - № 3. - С. 105-107.

    9. Забродін Ю.С. Промислова електроніка. - М .: Вища школа, 1982. - 496 с., Іл.

    10. Зінов'єв ГС. Основи силової електроніки. - Изд. 2-е, испр. і доп. - Новосибірськ: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

    11. Шіпілло В.П. Операторно-рекурентний аналіз електричних ланцюгів і систем. - М .: Вища школа, 1991. - 312 с.

    надійшла 09.07.2009г.


    Ключові слова: резонансний інвертор / коливальний контур / тиристор / регулювання вихідної напруги / добротність / встановлена ​​потужність / resonance inverter / oscillating circuit / thyristor / control of output voltage / q-factor / rated capacity

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити