Розанов Ю.К. Основы силовой электроники (1992) (1096750), страница 33
Текст из файла (страница 33)
В частности, рекомендуется значение к,„для напряжения промышленных сетей на уровне не более 5%. Такие же требования предъявляются к выходным напряжениям автономных инверторов в установках гарантированного питания. !65 Требуемый коэффициент )г,о в инверторах может быть обеспечен различными способами. Эти способы можно разделить на следующие основные группы: 1) использование фильтров для подавления высших гармоник напряжения на выходе инвертора; 2) уменьшение содержания высших гармоник в выходном напряжении непосредственно в процессе преобразования электрической энергии, 3.6,2. ВЫХОДНЫЕ ФИЛЬТРЫ ИНВЕРТОРОВ (3.73) !У, !/се, г а, е« Так как фильтр проектируется из условия максимального подавления высших гармоник, то )с<,„» 1 для и ~ 1 и )ге„ж! для и=1.
Соответственйо коэффициенты гармоник по напряжению на входе и выходе фильтра связаны неравенством 7гги))его. ««! Рнс. 3.28. Схема многозвенного фильтра в обнхем случае !66 В качестве выходных фильтров в инверторах используются преимущественно электротехнические устройства, схемы которых представляют собой пассивные четырехполюсники (рис. 3.28), состоящие из индуктивных и емкостных реактивных элементов У,, Уа, Уз, ..., У„. Основные функции фильтра заключаются в максимальном уменьшении напряжений высших гармоник при минимальном ослаблении первой (основной) гармоники выходного напряжения. В соответствии с этим для оценки эффективности фильтра используется коэффициент ослабления (фильтрации) им п-й гармоники !ге„= — „, (3.72) где У'„„и У'„' — амплитуды н-й гармоники на входе (на выходе инвертора) и выходе (на нагрузке) фильтра соответственно.
В более общем виде этот коэффициент определяется как отношение напряжений п-й гармоники на входе и выходе фильтра, записанных в комплексной форме, и является также комплексным числом. С учетом (3.72) коэффициент гармоники по напряжению на выходе фильтра можно записать в следующем виде: Существует многообразие различных типов фильтров, существенно отличающихся друг от друга по своим характеристикам. В самом общем виде они подразделяются на простые (состоящие из малого количества реактивных элементов) и сложные или многозвенные. Последние можно рассматривать как совокупность последовательно включенных простых фильтров (звеньев) с общим коэффициентом ослабления, равным произведению коэффициентов ослабления отдельных звеньев.
В настоящем параграфе рассматриваются несколько типов фильтров, получивших наибольшее распространение для инверторов. Прежде всего следует отметить, что тип фильтра во многом определяется схемой инвертора. Например, если инвертор напряжения обладает малым выходным сопротивлением, то у инвертора тока оно значительно больше. Соответственно структуры выходных фильтров инверторов тока и напряжения различны.
В 8 3.2 было показано, что форма выходного напряжения в инверторах напряжения обычно близка к прямоугольной и, следовательно, содержание высших гармоник относительно велико. Например, в схеме, представленной на рис. 3,14, выходное напряжение имеет следующий гармонический состав: 4, ! ! ! (7« ~$1п о+ сов Зи+ соз 5о+ + соз по~ (3 74) н 3 5 и Из (3.74) видно, что только третья гармоника составляет более 3!8% основной. Если же выходное напряжение в этой схеме регулировать по способу ШИМ, то гармонический состав становится еще хуже.
Поэтому фильтры, как правило, являются основным звеном, определяющим технико-экономическйе показатели инвертора напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление инвертора напряжения мало, то высшие гармоники напряжения могут быть выделены только в фильтре, имеющем последовательные элементы, например У,, Ух, Уз ... (см. рис. 3.28). Несколько типовых- схем фильтров инверторов напряжения представлены на рис. 3.29. Схемы этих фильтров могут быть сведены к схеме замещения, изображенной на рис..3.30, которая состоит из двух последовательно соединенных комплексных сопротивлений У, и Ух. При такой схеме замещения можно рассматривать фильтр как делитель входного напряжения Г.
Одним плечом делителя является сопротивление У,, а вторым — параллельно соединенные сопротивления Ух и У„. Тогда выражение для коэффициента фильтрации и-й гармоники получает общий вид; !67 7< С, Тр 'чььт.х-г ~ Ез сз сл сл з й Хз Ьз хя 31) а! ьт с, т,я '0 1 Л 6) Рис. ЗД9. Типовые схемы выходных фильтров инвертора напряжения (3.75) 1 исо Ь вЂ”вЂ” 1 1 Ь< = — ' ' изпзззЬ1С,, 1 иоз, С, где птз — угловая частота первой гармоники фильтруемого напряжения. Из (3.76) видно, что коэффициент ослабления прямо пропорционален квадрату порядкового номера гармоники.
!68 где Уз„, Уз„, У„„— комплексные сопротивления фильтра и нагрузки на частоте и-й гармоники. Наиболее простым фильтром является однозвенный Г- образный ЬС-фильтр (рис, 3.29, а). Принцип действия его основан на том, что для высших гармоник напряжения индуктивность представляет большое сопротивление, а емкость — малое. В результате высшие гармоники ослабляются в большей степени, чем первая (основная) гармоника напряжения. Так, для случая непа груженного фильтра, когда У„отсутствует (режим, соответствующий работе инвертора йа холостом ходу), подставляя в (3.75) параметры фильтра, получаем Я оззЬ1 = 17'оззС1,' ~ оззЬ7 = 1! спз Сз, ) (3. 78) 169 Точный расчет параметров + Г 3 фильтра производится из условия обеспечения заданного х коэффициента гсср на нагрузке йе 1 н является довольно сложным, 1 .3 так как при этом приходится учитывать много различных ' ..
'м' за спыния выхолных Рис. 3.30. Схема з фильтров инвертора напряжения факторов, включая массогабаритные показатели фильтра. Для ориентировочной оценки параметров фильтра следует задаться падением напряжения первой гармоники ЛЬьз на индуктивности Ь, от тока наибольшей нагрузки инвертора Ь„.„и определить индуктивность: ЛЬсы (3.77) ОЗ, 7„~,„ В действительности первая гармоника напряжения на индуктивности фильтра больше, так как через нее протекает еще первая гармоника тока конденсатора С,. Далее, задаваясь коэффициентом ослабления самой большой по амплитуде гармоники (для напряжения с гармоническим составом (3.74) это будет третья гармоника), определим из (3.76) емкость фильтра.
Коэффициентом ослабления следует задаваться из условия обеспечения согласно (3.73) требуемого значения асср выходного напряжения. Однозвенный ЬС-фильтр, являясь наиболее простым по структуре, обладает, однако, существенными недостатками. Во-первых, он ослабляет не только высшие гармоники, но и основную. Это ослабление пропорционально нагрузке инверторази зависит от коэффициента мощности нагрузки. Кроме того, ос)забление амплитуды основной гармоники сопровождается изменением фазы выходного напряжения фильтра относительно фазы входного.
Во-вторых, емкость фильтра С, создает дополнительную нагрузку для инвертора, увеличивая токи, протекающие через основные его элементы. Поэтому использование такого фильтра целесообразно при незначительном содержании высших гармоник в инвертируемом напряжении или при сравнительно высоких (10 — -! 5%) допустимых значениях коэффициента )с,п на нагрузке.
Недостатки, присущие простому ЬС-фильтру, практически устранены в фильтре, схема которого представлена на рис. 3,29,б. Этот фильтр состоит из двух основных звеньев: последовательной цепи Ь,С, и параллельной Ь7С,. Оба звена настроены в резонанс на частоте основной гармоники пз„т. е.
Принимая элементы фильтров идеальными, т.е. не имеющими активных потерь, при точном соблюдении условий резонанса (3.78) можно считать, что первая гармоника выходного напряжения инвертора поступает на нагрузку без амплитудных и фазовых искажений. Иначе говоря, коэффициент ослабления основной гармоники для данного типа фильтра равен единице.
Для высших гармоник сопротивления звеньев соответственно Л, = пеэ, Е, — 1лез, С,; 1 у = пв, Сг — 1/псо, Ь2 (3.79) Из (3.79) следует, что если пеэ, Ь, » 1/пеэ, С, ~07,С,»1/пез, Ез, то для высших гармоник эффективность фильтра эквивалентна эффективности простого ЕС-фильтра с параметрами Е, и Св. Но, с другой стороны, фильтр не искажает первой гармоники напряжения и не создает дополнительной загрузки инвертора емкостным током фильтра, поскольку этот ток компенсируется током индуктивности Е,.
Приближенная оценка параметров такого фильтра может быть произведена так же, как и параметров Г-образного, состоящего из индуктивности Е, н емкости С, 1падение напряжения Л Уь, на индуктивности Е, от тока нагрузки рекомендуется брать равным 30 — 40% номинального значения гармоники напряжения на выходе инвертора). Соответственно значения С, и Е, выбираются из условия обеспечения резонанса на основной частоте (3.78). Однако наличие в схеме фильтра емкости С, и индуктнвности Е„ предназначенных для устранения искажения фильтром первой гармоники напряжения, приводит к удвоению суммарной установленной мощности элементов фильтра, а следовательно, к значительному увеличению его массы и габаритов.
Кроме того, последовательный резонансный контур ухудшает динамические характеристики ннвертора при коммутации нагрузки У„. Достаточно эффективным фильтром, обладающим удовлетворительными технико-экономическими показателями, является фильтр, схема которого приведена на рис. 3.29, в. Фильтр состоит из параллельных с нагрузкой ЕС-цепей, каждая из которых настроена в резонанс на частоту соответствующей гармоники. Цепь Е,С, настроена в резонанс на частоту первой гармоники напряжения и включена последовательно с нагрузкой. Фильтр, собранный по такой схеме, пропускает практически без ослабления первую гармонику напряжения и шунтирует высшие.
Количество шунтирующих резонансных цепей фильтра зависит от требуемого коэффициента гармоник 170 в выходном напряжении. Обычно устанавливают резонансные цепи на третью и пятую гармоники напряжения, а шунтирование гармоник более высоких частот возлагают на оконечный конденсатор С„,. Высшие гармоники напряжения инвертора в основном выделяются на нндуктивности Л,. Конденсатор С, в фильтре может быть исключен, и тогда его структура становится сходной со структурой фильтра на рис. 3.29, а, ослабляющего первую гармонику напряжения.
В я 3.3 отмечалось, что наибольшее распространение среди схем инверторов тока в настоящее время получила схема параллельного инвертора тока с компенсирующим устройством, состоящим из реактора н встречно-параллельно соединенных тирнсторов (см. рис. 3.25, а). Одной нз причин этого является близость формы выходного напряжения в такой схеме к синугоидальной без использования дополнительных фильтров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
