Тема практического занятия №12- Методика расчета однофазного полумостового инвертора напряжения
Схема инвертора, приведенная на рис.14, должна быть дополнена согласующим трансформатором и выходным фильтром, аналогично схеме рис.13.
Порядок выполнения задания:
1. Изучить по [2] устройство, принцип работы, вывод основных расчетных соотношений однофазного полумостового инвертора напряжения.
2. Перед получением задания каждый студент должен пройти коллоквиум по теме практического задания. Тестовые вопросы для коллоквиума по теме практического занятия №12 приведены в таблице №28.
3. После сдачи коллоквиума студент должен получить задание для решения практической задачи. Варианты заданий к практическому занятию №12 приведены в таблице №29.
4. Для заданного варианта задачи рассчитать:
По заданным параметрам, приведенным в табл.29, рассчитать:
- загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению и выбрать их;
- напряжение первичной и вторичной обмоток трансформатора;
- трансформатор;
- емкость конденсатора входного делителя;
- параметры выходного фильтра и выбрать дроссель и конденсатор фильтра;
- потери мощности и КПД инвертора;
- радиатор для отвода тепла от транзисторов;
- статический расчет замкнутой по напряжению системы.
Таблица 28
Тестовые вопросы для коллоквиума
| № п/п | Перечень вопросов для коллоквиума |
| Дайте пояснение принципу работы однофазного полумостового инвертора напряжения | |
| Укажите отличия полумостового и полномостового инверторов напряжения | |
| Поясните каким образом осуществляется регулирование выходного напряжения инвертора | |
| Приведите формулу для расчета действующего значения основной гармоники выходного напряжения инвертора при широтном регулировании | |
| Приведите формулу для расчета действующего значения выходного напряжения инвертора при широтном регулировании | |
| Постройте регулировочную характеристику полномостового инвертора напряжения | |
| Приведите формулу для расчета конденсатора входного делителя | |
| Приведите формулу для расчета коэффициента режекции выходного напряжения инвертора | |
| Приведите формулу для расчета коэффициента гармоник выходного напряжения инвертора | |
| Приведите формулу для расчета номинального значения коэффициента заполнения импульса, DN | |
| Приведите формулу для расчета сечения сердечника трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета установленной мощности трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета числа витков первичной обмотки трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета числа витков вторичной обмотки трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета коэффициента заполнения окна сердечникаагнитопровода мтрансформатора | |
| Приведите формулу для расчета электрических потерь мощности трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета магнитных потерь мощности трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета КПД трансформатора | |
| Приведите формулу для расчета потерь мощности транзистора | |
| Приведите формулу для расчета потерь мощности диода | |
| Приведите формулу для расчета потерь мощности в дросселе выходного фильтра | |
| Приведите формулу для расчета общего коэффициента усиления замкнутой системы инвертора напряжения | |
| Приведите формулу для расчета коэффициента усиления предварительного усилителя | |
| Приведите формулу для расчета коэффициента передачи датчика напряжения |
Таблица 29
Варианты заданий к практическому занятию №12
| Вариант | |||||||||||
| Uнг N, В | |||||||||||
| Iнг N, А | 1,5 | 2,5 | 3,5 | 4,5 | 5,5 | 6,5 | 7,5 | 8,5 | 9,5 | 10,0 | 9,5 |
| cosφнг | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,8 | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,8 |
| Ud N, В | |||||||||||
| ΔUd % | |||||||||||
| fр, Гц | |||||||||||
| kвых | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 | 0,07 | 0,06 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,06 | 0,05 |
Продолжение таблицы 29
| Вариант | |||||||||||
| UнгN, В | |||||||||||
| Iнг N, А | 8,5 | 7,5 | 6,5 | 5,5 | 4,5 | 3,5 | 2,5 | 1,5 | 2,5 | 3,5 | 4,5 |
| cosφнг | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,8 | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
| Ud N, В | |||||||||||
| ΔUd % | |||||||||||
| fр, Гц | |||||||||||
| kвых | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 | 0,07 | 0,06 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
Продолжение таблицы 29
| Вариант | |||||||||
| UнгN, В | |||||||||
| Iнг N, А | 7,0 | 6,0 | 5,0 | 4,0 | 3,0 | 2,0 | 1,0 | 2,0 | 3,0 |
| cosφнг | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,8 | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,8 |
| Ud N, В | |||||||||
| ΔUd % | |||||||||
| fр, Гц | |||||||||
| kвых | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 | 0,07 | 0,06 | 0,05 | 0,06 | 0,07 |
2.10.Основные параметры, характеризующие работу трехфазного инвертора напряжения
Силовая схема трехфазного инвертора напряжения приведена на рис.15
Рис.15. Схема трехфазного инвертора напряжения
Действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ
(153)
где Uвх– среднее значение напряжения на входе инвертора;
μ – коэффициент модуляции.
Пользуясь (153) можно определить требуемое значение напряжения постоянного тока на входе инвертора, если задано значение линейного напряжения нагрузки (например, асинхронного двигателя). 
(154)
где Uнг.л N – номинальное значение линейного напряжения нагрузки;
μmax– максимальное значение коэффициента скважности.
При практических расчетах можно принять μmax=0,9.
Обратим внимание на то, что при синусоидальной широтно – импульсной модуляции действующее значение выходного напряжения инвертора (Uнг.л) даже при коэффициенте модуляции равном единице меньше того значения выходного напряжения инвертора, которое имеет место быть при управлении инвертора с постоянной длительностью сигнала управления транзистора (λи.у=180о). Действительно,
При двигательном характере нагрузки необходимо по паспортным данным АД определить номинальное значение тока фазы двигателя:
(155)
где η –КПД асинхронного двигателя.
В динамических режимах работы АД ток может достигать значения
Iф max =(Iп/IN)IфN, а амплитудное значение этого тока
(156)
Именно это значение тока необходимо использовать при расчете загрузки транзисторов и диодов по току.
Среднее значение тока транзистора, Ivт ср.
(157)
где Iф m max –максимальное амплитудное значение тока фазы нагрузки;
-cosφнг- коэффициент мощности нагрузки.
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока транзистора имеет максимальное значение:
Ivт ср max= Iф m max(1+μ)/2. (158)
Максимальное значение тока коллектора, Iк max, по которому следует выбирать транзистор определяется по формуле (159):
(159) где Iф max– максимальное действующее значение тока фазы инвертора.
Выбор диодов обратного тока следует проводить по среднему значению тока, Ivд ср:
(160)
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока диода имеет максимальное значение:
Ivд ср max= Iф m max(1-μ)/2. (161)
Максимальное напряжение на транзисторах и диодах обратного тока можно принять равным максимальному значению напряжения, питающего инвертор, т.е.
Uкэ =Uvд =Ud max. (162)
При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя) возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена по следующей формуле [3]:
(163)
где ΔUc – допустимое перенапряжение на конденсаторе
Iнг m–амплитудное значение тока нагрузки;
fнес.– несущая частота ШИМ;
φнг(1) – фазовый угол между первыми гармониками напряжения и тока.
Расчет значения С0 следует провести для двух значениях несущей частоты, fнес.1=2,5 кГц и fнес.2=5,0 кГц.
Значение ΔUc следует принять в пределах от 0,05UвхN до 0,1UвхN.
Расчетное соотношение (163) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы на очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте. Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ всегда меньше чем у инверторов без ШИМ.