Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Способы построения и схемы преобразователей постоянного
напряжения в синусоидальное 10
Типовые требования к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры 10
Основные способы формирования и критерии оценки синусоидального напряжения 26
Модуляционные способы формирования выходного напряжения 32
Схемы резонансных тиристорных инверторов 47
Глава 2. Анализ автономных резонансных инверторов 61
Основные схемы и характеристики автономных резонансных инверторов 61
Способы улучшения показателей тиристорного резонансного инвертора 84
Моделирование резонансного инвертора 97
Глава 3. Практические схемы преобразователей напряжения 130
Преобразователь напряжения для питания радиоэлектронной аппаратуры 130
Преобразователь напряжения для питания шлифмашинок 138
Заключение 161
Список литературы 163
Приложения
Введение к работе
Основная масса выпускаемой в настоящее время радиоэлектронной аппаратуры рассчитана на питание от сети переменного тока. В случаях, когда промышленная сеть недоступна, возникает необходимость в устройствах, которые могут преобразовать напряжение первичного источника питания в сетевое. Это связано с тем, что первичные источники электроэнергии (аккумулятор, дизель-генератор, солнечная батарея и т.п.) в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям потребителя по частоте, стабильности или величине напряжения. Чаще всего необходимо постоянное напряжение первичного источника преобразовать в переменное напряжение (127, 220 В, частота 50 (60) Гц, 400 Гц, 1000 Гц) [82, 83].
Устройства, осуществляющие преобразование постоянного напряжения в переменное, называются инверторами. Коммутирующие приборы силового контура инвертора, как правило, работают в ключевом режиме, поэтому естественной формой выходного напряжения является прямоугольная. Однако для того чтобы инвертор был универсальным по отношению к потребителям и удовлетворял всем требованиям нагрузок переменного тока, он должен формировать на выходе напряжение синусоидальной формы [34]. В связи с широким распространением альтернативных источников энергии (ветроэлектрические станции на Дальнем Востоке, солнечные батареи в Южных республиках СНГ и т.д.), а также с ростом объемов полевых работ, проводимых с привлечением современной специализированной РЭА,
4 существует постоянная потребность в преобразователях нестабилизированного постоянного напряжения в синусоидальное. Следовательно, задача создания простых, надежных, с хорошими технико-экономическими показателями преобразователей напряжения первичного источника питания в синусоидальное напряжение с требуемыми для нагрузки параметрами остается актуальной.
В преобразователях данного типа наряду с инвертированием входного напряжения стоит задача выделения основной гармоники в выходном напряжении. Существует несколько основных способов получения синусоидального напряжения, такие как использование различных видов модуляторов напряжения (дискретный синтез) с последующей фильтрацией, либо непрерывное синтезирование формы кривой выходного напряжения. С помощью дискретных формирователей напряжения решаются задачи синтеза переменного напряжения для изменяемых, в том числе дискретно, частот, а также регулируемого в широком диапазоне напряжения [31, 32, 44, 58].
При непрерывном синтезировании требуемое синусоидальное напряжение формируется непосредственно без промежуточного преобразования постоянного напряжения в импульсный сигнал. В простейшем случае синусоиду получают на выходе усилителя мощности, активные элементы которого работают в линейном режиме и управляются по входной цепи синусоидальным сигналом. Этот путь крайне неэффективен вследствие низкого КПД и в энергетической электронике не используется. Другой путь -
5 построение преобразователей напряжения на базе резонансных структур. Основой таких устройств является колебательный LC-контур, который обеспечивает синусоидальность тока в силовых цепях. Нагрузка может подключаться как последовательно с колебательным контуром, так и параллельно какому-либо из его элементов - чаще конденсатору [7, 10,21, 57, 59].
Синусоидальный характер тока обеспечивает резонансным инверторам ряд преимуществ по сравнению с другими классами преобразователей. Подобные схемы просты, надёжны, а их стоимость ниже, чем у модуляционных. Однако, вопросы оптимизации массогабаритных показателей при низкой частоте выходного напряжения, а также согласования с первичным источником питания ограниченной мощности ещё недостаточно исследованы.
Целью , работы является разработка и исследование формирователей однофазного квази синусоидального напряжения на основе резонансных инверторов с улучшенными технико-экономическими показателями.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Анализ параллельного резонансного инвертора с ключом ввода энергии с целью получения расчетных соотношений, параметров и характеристик схемы.
Исследование с помощью физических и математических моделей предложенных схем автономных инверторов.
3. Разработка инженерной методики расчета схемы резонансного инвертора с ключом ввода энергии.
Диссертация содержит введение, три главы, заключение, список литературы (общий объем 175 с), а также приложения.
В первой главе проведен сравнительный анализ форм выходного напряжения автономных преобразователей постоянного напряжения в переменное с точки зрения потребителей.
Рассмотрены основные требования к источникам вторичного электропитания: электрические, эксплуатационные, конструктивно-технические. Определен комплекс требований к автономным преобразователям постоянного напряжения в переменное.
Рассмотрены критерии оценки формы кривой выходного напряжения автономных преобразователей.
Проанализированы основные классы устройств с близким к синусоидальному выходным напряжением - дискретные формирователи и преобразователи на базе резонансных инверторов.
Во второй главе описываются и анализируются варианты построения регулируемых резонансных инверторов и способы снижения их массы и габаритов путём улучшения качества потребления энергии от входного источника.
Рассмотрена схема параллельного инвертора напряжения с ключом ввода энергии, проведен её подробный математический анализ.
Приведены результаты моделирования параллельного резонансного инвертора с ключом ввода энергии. Схемотехническое моделирование проводилось с использованием пакета OrCAD, экспериментальная проверка -на опытном образце инвертора.
В третьей главе содержатся сведения о практической реализации автономных инверторов напряжения.
Описан преобразователь постоянного напряжения в переменное для питания радиоэлектронной аппаратуры в железнодорожных вагонах, который обеспечивает потребителей напряжением 220 В, 50 Гц максимальной мощностью 0.5 кВт.
Описан преобразователь напряжения для питания электроинструмента в полевых условиях. Разработанный преобразователь при постоянном входном напряжении 45-Ї-80 В формирует выходное напряжение (меандр) 220 В + 10%, частота 50 ±0.5 Гц и обеспечивает максимальную выходную мощность до 2.1 кВт (при работе на шлифмашинку).
Список литературы содержит 99 пунктов, в том числе 10 работ автора.
При получении теоретических выкладок использовался аппарат дифференциальных уравнений, численные методы. При расчётах и моделировании широко использовались программы математического моделирования MathCAD и схемотехнического моделирования PSpice. Подтверждение теоретических результатов осуществлялось исследованиями на экспериментальных установках и действующих образцах приборов.
В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе.
В приложении диссертации приводятся методика расчета параллельного резонансного инвертора с тиристором ввода энергии, результаты испытаний экспериментальной установки инвертора (осциллограммы), а также протоколы испытаний опытных образцов преобразователей и акты об использовании результатов диссертационной работы.
Основные положения, выносимые на защиту.
Параллельный резонансный инвертор с ключом ввода энергии в колебательный контур высококачественно формирует синусоидальное напряжение, при этом, если добротность контура не ниже трёх, коэффициент гармоник составляет не более 5% для активной и активно-индуктивной нагрузки, и до 12.5% - для нагрузок с выпрямителем и фильтром.
Созданная схемотехническая модель резонансного инвертора с тиристором ввода энергии позволяет адекватно отразить процессы, происходящие в схеме, с погрешностью не более 2%.
Существует критическое значение добротности колебательного контура, равное «2.6, при которой ток дросселя в каждом цикле снижается до нуля, что необходимо учитывать при использовании в качестве ключа ввода энергии триодного тиристора.
Если во время работы изменение нагрузки находится в диапазоне 0.1-Ю.9 от номинального значения, то для снижения массогабаритных параметров
9 входного фильтра преобразователь целесообразно выполнить многоканальным (до 3-х каналов), при этом суммарный запас энергии элементов фильтра снижается на 10% и более. 5. Для ограничения перенапряжений на элементах силовой части и сверхтоков при пуске преобразователя дроссель контура целесообразно выполнить с обмоткой рекуперации.
