Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИССЕРТАЦИЯ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

Исследование трехмостового автономного инвертора напряжения и разработка системы управления.

irina_k200 1710 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 57 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 19.07.2020
С целью практического применения данной топологии тр?хфазного сложномостового инвертора напряжения необходимо исследовать электромагнитные процессы в н?м при возникновении несимметричных режимов и аварийных ситуаций и получить необходимые интегральные характеристики. Это и является основной целью данной работы. Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) изучить основные принципы работы автономных инверторов напряжения; 2) выделить основные аварийные и несимметричные режимы инверторов, которые представляют практический интерес; 3) построить модель автономного тр?хмостового инвертора по представленной схеме; 4) промоделировать работу тр?хмостового инвертора при различных режимах в среде PSIM и провести анализ полученных результатов; 5) построить модель тр?хмостового инвертора с микроконтроллерным управлением в среде Proteus; 6) написать программу управления работой инвертора для микроконтроллера PIC18; 7) проанализировать влияние аварийных и несимметричных режимов на работоспособность инвертора.
Введение

Известные классические схемы автономных инверторов напряжения, на базе которых строятся современные источники питания потребителей на повышенных и регулируемых частотах, имеют высокий коэффициент гармоник выходного напряжения. Для повышения качества выходного напряжения в настоящее время в основном используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), имеющая целый ряд существенных недостатков: • высокие динамические потери, особенно на повышенных частотах выходного напряжения; • необходимость применения фильтров высших гармоник, особенно для мощных потребителей, что увеличивает массогабаритные показатели источников питания; • износ изоляции электродвигателей, питаемых от таких преобразователей; • сложность системы управления. Альтернативным решением является применение амплитудно- импульсной модуляции (АИМ) в схемах автономных инверторов напряжения (АИН). Инверторы напряжения с АИМ имеют явное преимущество по массо- габаритным и стоимостным показателям на выходных частотах выше 1400 Гц по сравнению с ШИМ-инверторами. Кроме того, схемотехника современных инверторов с АИМ позволяет получать достаточно низкие коэффициенты гармоник выходного напряжения, что значительно уменьшает массогабаритные показатели фильтров, а в ряде случаев позволяет обойтись без них. Условно вс? многообразие существующих схемных решений можно разделить на два класса по способу формирования ступеней кривой выходного напряжения: • с коммутацией источников питания инверторов; • с трансформаторным суммированием выходного напряжения отдельных АИН. В данной работе рассматривается схема, которая относится ко второму классу и предназначена для питания мощных тр?хфазных потребителей.
Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3 ГЛАВА 1. ОБЗОР АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ 5 1.1 Классификация и принципы построения автономных инверторов 5 1.2 Автономные инверторы напряжения на транзисторах и запираемых тиристорах 8 1.2.1 Однофазные транзисторные АИН 8 1.2.2 Трехфазный мостовой АИН 11 1.3 Импульсная модуляция в АИН 13 1.4 Преимущество АИМ над ШИМ 16 ГЛАВА 2. СЛОЖНОМОМСТОВАЯ СХЕМА АВТОНОМНОГО ТРЁХФАЗНОГО ИНВЕРТОРА 18 2.1 Структура схемы инвертора 18 2.2 Разработка модели инвертора 20 2.3 Типы неисправностей при работе инвертора 23 ГЛАВА 4. ИНВЕРТОР С МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ 40 4.1 Моделирование работы инвертора с микроконтроллерным управлением 40 4.2 Анализ моделирования в среде Proteus 42 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 45 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 47 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 48
Список литературы

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие / Г.С. Зиновьев. – Новосибирск: НГТУ, 2003. – 664 с. 2. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С. Моин. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 376 с. 3. Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник / В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. - М.: Радио и связь, 1987 г. – 576 с. 4. Раскин Л.Я. Стабилизированные автономные инверторы на тиристорах / Л.Я. Раскин. – М.: «Энергия», 1970. – 341 c. 5. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Книга 3. Преобразователи напряжения / М.А. Шустов. – М.: Альтекс-А, 2002. – 190 с. 6. Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники / И.М. Чиженко, В.С. Руденко, В.И. Сенько. – К.: Высшая школа, 1980. – 431 с. 7. Готтлиб И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы / И.М. Готтлиб. – М.: Постмаркет, 2002. – 544 с. 8. Щербаков А.А. Анализ аппаратных и стоимостных затрат при реализации автономного инвертора напряжения с амплитудно модуляцией / А.А. Щербаков, Ю.М. Голембиовский // Вестник Саратовского Государственного технического университета им.Гагарина Ю.А. – 2013. – Т.3. – №1. - С. 102-107. 9. Тимофеева О.В. Трехфазный сложномостовой инвертор напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева; Патент на полезную модель № 110880 от 27.11.2011. Бюл. №33. 10. Тимофеева О. В. Синтез схем автономных инверторов напряжения с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения на основе эволюционного моделирования: дис. канд. техн. наук: 05.09.12 / Олеся Владимировна; науч. рук. Ю.М. Голембиовский. – Саратов, 2012. – 124 с. 11. Брей. Б. Применение микроконтроллеров PIC18 / Б. Брей; пер. с англ. В.В. Литвин; – Киев: МК-Пресс, 2008. - 575 с. 12. Магда Ю.С. Микроконтроллеры PIC: архитектура и программирование / Ю.С. Магда. – М.: ДМК-Пресс, 2009. – 240 c. 13. К?ниг А. Полное руководство по PIC микроконтроллерам / А. К?ниг, М. К?ниг. – М.: МК-Пресс, 2007. – 255 с. 14. Осипов А.В. Программы для PIC микроконтроллера [Электронный ресурс] / А.В. Осипов // HamLab: Лаборатория радиолюбителя. – М., 2015. - Режим доступа: http://hamlab.net/ - 02.12.2015. 15. Ресин Е.А. Работа в Proteus микроконтроллера [Электронный ресурс] / Е.А. Резин // cxem.net: Сайт радиолюбителей. – М., 2012. - Режим доступа: http://cxem.net/comp/comp119.php - 15.02.2016.
Отрывок из работы

ГЛАВА 1. ОБЗОР АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ Автономные инверторы (АИ) – это преобразователи постоянного тока в переменный, которые работают на сеть, в которой нет других источников электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются благодаря использованию полностью управляемых вентилей или устройств искусственной коммутации. При этом частота напряжения на выходе АИ определяется частотой управления, а величина напряжения – системой регулирования и параметрами нагрузки. 1.1 Классификация и принципы построения автономных инверторов Автономные инверторы (АИ) классифицируются по ряду признаков. 1) По виду входного тока или напряжения АИ делятся: • на автономные инверторы тока (АИТ). На входе АИТ действует источник тока, образованный источником ЭДС и большой индуктивностью. Форма тока на выходе вентильной группы прямоугольная, а форма напряжения обусловливаться характером нагрузки (рис. 1.1 а – б). Нагрузка может быть только активной или активно-емкостной, т.к. при активно-индуктивной нагрузке ток не может мгновенно изменить направление. Рассмотрим работу схемы при активно-емкостной нагрузке. В момент t1 начинают проводить тиристоры V1,V2. В момент t2 тиристоры V1,V2 выключаются, а тиристоры V3, V4 включаются. Ток через нагрузку меняет направление. Под действием проходящего тока напряжение на нагрузке изменяется по экспоненте; Рис. 1.1. Принципиальные схемы идеальных автономных инверторов тока (а), напряжения (в), резонансного (д) и диаграммы напряжений и токов, показывающие их работу (б, г, е) • на автономные инверторы напряжения (АИН). На входе АИН действует источник ЭДС, напряжение на выходе вентильной группы прямоугольное, а форма тока обусловливаться характером нагрузки. На нагрузке напряжение переключается мгновенно, вследствие этого нагрузка может быть активной или активно-индуктивной (рис 1.1 в – г). Рассмотрим работу схемы при активно-индуктивной нагрузке. В момент t1 начинают проводить тиристоры V1,V2. Под действием приложенного напряжения происходит нарастания тока по экспоненте. В момент t2 выключаются тиристоры V1,V2, а ток через нагрузку идет в том же направлении через диоды VD3, VD4 за счет энергии, запасенной в индуктивности. При этом напряжение на нагрузке уже произвело изменение на противоположный знак, а ток падает постепенно. В момент времени t3 ток поравнялся к нулю, и происходит включение тиристоров V3 и V4. Полярность напряжения при этом не меняется, а ток меняет сво? направление. Диоды предназначены для возврата реактивной энергии в источник питания, а конденсатор Cd нужен для е? восприятия; • на резонансные автономные инверторы (РАИ). РАИ - это инвертор, у которого ток на входе и на выходе вентильной группы прерывистый, а форма напряжения на выходе определяется в зависимости от нагрузки. Для инвертора данного типа должно выполняться условие (1): v (1) В ходе выполнении данного условия процессы при включении тиристоров носят колебательный характер. При включении транзисторов V1 и V2 проходит полуволна тока и происходит заряд конденсатора Cк с указанной полярностью. Как только произош?л переход тока через нуль, тиристор запирается. При включении транзисторов V3 и V4 напряжение на конденсаторе Cк и напряжение источника действуют согласовано, ток проходит в противоположном направлении и происходит перезаряд конденсатора. Транзисторы V3 и V4 запираются при спаде тока до нуля. Напряжение на нагрузке Rн потеряет форму тока. Как видно из описания работы в РАИ могут работать обычные (незапираемые) тиристоры. 2) По способу коммутации АИ на незапираемых тиристорах делятся: • на АИ с одноступенчатой коммутацией, в которых коммутация осуществляется с помощью коммутирующих конденсаторов основными вентилями которых, являются схемы без применения дополнительных тиристоров; • на АИ с двухступенчатой коммутацией, в которых для коммутации применяются специальные коммутирующие вентили. 3) По применяемым вентилям АИ делятся на: • АИ на вентилях с неполным управлением (обычных тиристорах); • АИ на вентилях с полным управлением (запираемых тиристорах и транзисторах). 4) По месту включения коммутирующих конденсаторов АИ с одноступенчатой коммутацией делятся: • на последовательные АИ, в которых коммутирующие конденсаторы включены последовательно с нагрузкой; • на параллельные АИ, в которых коммутирующие конденсаторы включены параллельно нагрузке [1]. 1.2 Автономные инверторы напряжения на транзисторах и запираемых тиристорах 1.2.1 Однофазные транзисторные АИН Автономный инвертор напряжения преобразовывает постоянное напряжение, которое пода?тся на его вход, в переменное напряжение пропорциональное по величине. Существует целый ряд схем однофазных АИН на полностью управляемых вентилях: транзисторах или запираемых тиристорах. На рис. 1.2 представлена однофазная мостовая схема и диаграммы токов и напряжений, характеризующие ее работу. Пары транзисторов V1, V2 и V3, V4 образуют диагонали моста, а пары транзисторов V1, V4 и V2, V3 образуют стойки моста. В ходе попарного включения транзисторов V1, V2 или V3, V4 знаки напряжения на нагрузке находятся в противоположном состоянии. Рассмотрим более подробно процессы при работе АИН на активно- индуктивную нагрузку. При включении транзисторов V1, V2 начиная с момента времени t1 ток проходит по цепи +, V1, Rн, Lн, V2, – источника питания. После выключения транзисторов V1, V2 в момент времени t2 на транзисторы V3, V4 подаются управляющие импульсы, но они не могут включиться, из-за того, что ток в индуктивности не может моментально изменить направление. Вследствие этого, после выключения транзисторов V1, V2 ток проходит по цепи Lн, VD3, источник питания, VD4, Rн. Энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, возвращается обратно в источник питания. После спада тока до нуля в момент времени t3 открываются транзисторы V3, V4 и ток в нагрузке меняет сво? направление. Далее процессы протекают аналогично. Конденсатор Сd является обязательным элементом на входе АИН. Он имеет двойное назначение: обеспечивает постоянное потребление энергии от источника питания даже при запертых ключах и защищает полупроводниковые элементы от перенапряжений, которые могут возникнуть на соединительных проводах между источником питания и блоком вентилей. Его необходимо включать как можно ближе к блоку вентилей. Рис. 1.2. Однофазный мостовой АИН (а) и диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие его работу На рис. 1.3 приведена схема АИН с разделенным (симметричным) источником питания и диаграммы токов и напряжений, которые характеризуют ее работу. Средняя точка источника питания (нуль источника питания) может быть искусственной, то есть созданной одинаковыми резисторами или конденсаторами. Рис. 1.3. Схема АИН с разделенным источником питания (а) и диаграммы напряжения и тока иллюстрирующие его работу (б) При включении транзистора V1 с момента времени t1 ток проходит по цепи +, V1, Lн, Rн, средняя точка источника питания. Затем после выключения транзистора V1 в момент времени t2 управляющий импульс подается на транзистор V2, но он не может включиться, так как ток в индуктивности не может моментально изменить сво? направление. Поэтому, после выключения транзистора V1 ток проходит по цепи Lн, Rн, нижняя половина источника питания VD2. Энергия, которая запасена в индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания. После спада тока до нуля в момент времени t3 открывается транзистор V2, и ток в нагрузке меняет сво? направление. Далее процессы идут аналогично [2]. Как видно из сравнения рис. 1.2 б и рис. 1.3 б временные диаграммы одинаковы по форме, но отличаются амплитудой напряжения. 1.2.2 Трехфазный мостовой АИН Автономный инвертор напряжения преобразовывает постоянное напряжение, подаваемое на его вход, в пропорциональное по величине переменное напряжение. Существует много схем АИН, однако наибольшее применение в электроприводе переменного тока получила трехфазная мостовая схема на полностью управляемых вентилях (транзисторах или запираемых тиристорах), приведенная на рис. 1.4. В этой схеме управляемые вентили могут работать с длительностью открытого состояния ? = 120? и ? = 180?. При угле проводимости вентилей ? = 180? обеспечивается непрерывная связь фаз нагрузки с источником питания и лучшая форма напряжений на выходе, независимая от параметров нагрузки. Это определило более широкое применение такого управления Рис. 1.4. Транзисторный трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения при соединении нагрузки звездой Рассмотрим работу схемы в случае, если угол проводимости ? = 180?. В схеме всегда одновременно открыты три управляемых вентиля разных фаз, что обеспечивает независимость формы выходного напряжения на нагрузке от ее параметров. Из алгоритма переключения транзисторов (рис. 1.5 а) видно, что существует шесть независимых сочетаний открытых и закрытых состояний управляемых вентилей. Каждому сочетанию соответствует своя эквивалентная схема. На рис. 1.5 б – в для момента ?t1 приведены аналогичные схемы при нагрузке, соединенной звездой и треугольником. Из эквивалентных схем видно, что в случае соединении нагрузок звездой каждая фаза включена либо параллельно другой фазе и последовательно с третьей, либо последовательно с двумя другими параллельно соединенными фазами. Поэтому для каждой фазы прикладывается напряжение равное Ud/3 или 2Ud/3 (при симметричной нагрузке), и фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму. Рис. 1.5. Диаграммы токов и напряжений в тр?хфазном мостовом АИН (а) и эквивалентные схемы при нагрузке соедин?нной звездой (б) и треугольником (в) При соединении нагрузки треугольником к каждой фазе нагрузки либо прикладывается напряжение источника питания, либо в течение 1/6 периода фаза оказывается замкнутой на себя, т.е. фазное напряжение прямоугольное с паузой длительностью 1/6 периода (рис. 1.5 а). Линейное напряжение при соединении нагрузки звездой имеет такую же форму [3]. 1.3 Импульсная модуляция в АИН Регулирование напряжения на выходе АИН может реализовываться с помощью импульсной модуляции. Из импульсных методов регулирования выходного напряжения наибольшее распространение получили широтно- импульсная модуляция (ШИМ) и широтно-импульсное регулирование (ШИР) [4]. Частота модуляции (несущая частота) должна быть хотя бы на порядок выше, чем максимальная частота выходного напряжения. Модуляция при ШИР и ШИМ реализовывается подачей на вход системы управления модулирующего напряжения определенной формы. Это напряжение соотносится с пилообразным опорным напряжением (развертывающим напряжением). В ходе изменении амплитуды модулирующего напряжения происходят изменения величины выходного напряжения. При ШИР кривая выходного напряжения инвертора формируется в виде серии импульсов определенной частоты, одинаковой амплитуды и длительности. Регулирование напряжения реализовывается изменением относительной длительности импульсов. На рис. 1.6 a представлен вид напряжения uн на выходе однофазных АИН, осуществленных по однофазной мостовой схеме или схеме с использованием разделенного источника питания. Там же показана гладкая составляющая uнг, полученная с помощью усреднения средних значений напряжения за период модуляции. Она остается прямоугольной и повторяет форму управляющего (модулирующего) напряжения [5]. При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) одновременно обеспечивается регулирование напряжения на выходе АИН и изменение его по квазисинусоидальному закону. На рис. 1.6 б показан вид напряжения uн на выходе однофазных АИН, реализованных по однофазной мостовой схеме или схеме с разделенным источником питания. При ШИМ кривая выходного напряжения uн формируется в виде импульсов переменной длительности, которая модулируется чаще всего по синусоидальному закону. Регулирование напряжения выполняется с помощью изменения длительности импульсов при сохранении закона модуляции (рис. 1.6 б). Там же показана гладкая составляющая uнг, которая получена при усреднении средних значений напряжения за период модуляции. Она является синусоидальной и полностью повторяет форму управляющего напряжения. По существу это первая гармоника напряжения. Рис. 1.6. Диаграммы напряжений на нагрузке (Uн), опорного (Uоп) и управляющего (Uу) в однофазном мостовом инверторе напряжения при ШИР (а) и ШИМ (б) Модуляция может быть синхронной, в случае, когда несущая частота кратна частоте управления и изменяется одновременно с ней. При асинхронной модуляции несущая частота постоянна при изменении частоты управления, но всегда как минимум на порядок выше максимальной частоты управления. Чаще всего применяется асинхронная модуляция [6]. В автономных преобразователях при импульсной модуляции опорное напряжение всегда имеет пилообразную форму. Однако, форма «пилы» может быть разнообразной. В зависимости от формы «пилы» модуляция управляющего импульса uуи может происходить как по переднему фронту (рис. 1.7), так и по заднему фронту. Такая модуляция обычно применяется в однофазных схемах и в преобразователях постоянного напряжения. Для исключения одновременного переключения транзисторов в трехфазных АИН для разных фаз применяют модуляцию по обоим фронтам. Такую ШИМ называют центрированной (рис. 1.7 б). Рис. 1.7. Фронтовая (а) и централизованная (б) ШИМ Из рис. 1.7 можно увидеть, что при выключении одного транзистора моментально подается сигнал на включение противофазного. При этом возможно возникновения короткое замыкание источника питания на время переходного процесса переключения транзисторов. Чтобы исключить, возникающие при этом выбросы тока, применяют задержку включения очередного транзистора [7]. На рис. 1.8 показано, как происходит формирование времени задержки. Это время составляет несколько микросекунд или даже доли микросекунды в зависимости от частотных свойств транзисторов. Рис. 1.8. Формирование времени задержки 1.4 Преимущество АИМ над ШИМ Как известно, для управления величиной выходного напряжения и улучшения его гармонического состава в преобразовательной технике используется модуляция, формируемая алгоритмами переключения силовых ключей. В настоящее время наибольшее распространение получили схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), отличающиеся простотой, как схемной реализации, так и алгоритма управления. Как правило, инверторы с ШИМ представляют собой мостовую схему, накрест лежащие силовые ключи, которой поочередно открываются, обеспечивая приложение импульсного напряжения с чередующейся полярностью к нагрузке, подключенной к выходам мостовой схемы. При очевидной простоте ШИМ инверторы обладают и существенными недостатками, основными из которых являются наличие бесконечного спектра гармонических составляющих в выходном напряжении, что требует обязательной установки выходного фильтра низких частот, и высокая частота коммутации, которая превышает частоту несущего сигнала на 1,5-2 порядка, что приводит при эксплуатации к большим динамическим потерям. Попытка решения первой проблемы привела к появлению большого количества модификаций ШИМ: синусоидальная, векторная ШИМ с коммутацией по фронту/спаду/двусторонняя ШИМ, ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой. Однако предложенные варианты бессильны перед второй проблемой. Вместе с тем существует альтернативный вариант модуляции - амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), обеспечивающая получение ступенчатого напряжения, приближенного к синусоидальному, при относительно низкой частотой коммутации (частота модуляции превышает частоту несущего сигнала в 2-10 раз). Большинство базовых схем и алгоритмов для инверторов с АИМ были разработаны в 70-80-е гг. ХХ века параллельно со схемами ШИМ, но массогабаритные показатели силовых ключей того времени и высокая стоимость предрешили популярность ШИМ, требующей меньших аппаратных затрат. В последние 10 лет наблюдается непрерывный рост интереса к инверторам с АИМ, причиной которого является повышение со стороны потребителей требований к качеству питающего напряжения, особенно к его гармоническому составу, которое неспособна обеспечить ШИМ. Данному процессу способствует значительное удешевление MOSFET и IBGT модулей. В работе [8] детально рассмотрены преимущества инверторов напряжений с АИМ по сравнению с ШИМ.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Диссертация, Энергетическое машиностроение, 63 страницы
1575 руб.
Диссертация, Энергетическое машиностроение, 109 страниц
3270 руб.
Диссертация, Энергетическое машиностроение, 98 страниц
2940 руб.
Диссертация, Энергетическое машиностроение, 73 страницы
2190 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg