Schematy zastępcze inwertora tyrystorowego dla stanów przejściowych

Seria: AUTOMATYKA z. 66 Nr kol. 752

Edward PRZENIOSŁO

SCHEMATY ZASTĘPCZE INWERTORA TYRYSTOROWEGO DLA STANÓW PRZEJŚCIOWYCH

Streszczenie. W artykule przeprowadzono analizę dynamiki Jedno­

fazowego inwertora tyrystorowego zmodyfikowaną metodę analityczną widmowo-operatorowę dla wartości średnich. W wyniku otrzymano sche­

maty zastępcze inwertora tyrystorowego widziane od strony prędu sta­

łego (wejścia).

Szereg stanów pracy, takich jak: start inwertora, zmiany napięcia za­

silającego, skokowe zmiany obciążenia, impulsowa praca układów zasilanych przez inwertor, zmiana częstotliwości sterowania itp. powodują pojawienie się przejściowych procesów, które mogą spowodować uszkodzenie tyrystorów,

zatrzymanie inwertora, zmia­

ny napięcia wyjściowego. Du­

ża ilość odbiorników Jest czuła na przepięcia napięcia zasilającego. Dlatego ko­

nieczna jest znajomość za­

chowania się inwertora przy wszelkich procesach przej­

ściowych. Cel ten zostanie osiągnięty. Jeżeli zostaną wyznaczone schematy zastęp­

cze inwertora. Istnieje możliwość wyznaczenia schematów zastępczych in-

»ertora widzianych od strony prędu stałego (wejścia) [lj [3] [6] i od stro­

ny prądu zmiennego (obciążenia) [3J. Jeden z podstawowych układów inwer­

tora pracującego przy podwyższonej częstotliwości został przedstawiony na rya. 1.

Inwertor tyrystorowy ze względu na to, że zbudowany jest z elementów posiadających charakterystyki nieliniowe, przedstawia sobą obwód nieli­

niowy. Dlatego przeprowadzenie dokładnej analizy dynamiki pracy takiego inwertora Jest skomplikowane. W artykule zastosowano metodę analityczną widmowo-operatorowę dla wartości średnich. Metoda ta wykorzystuje zapis średniej wartości przebiegu za okres, czyli zakładamy, że w czasie okresu

"ielkość obliczana nie zmienia się lub zmienia nieznacznie.

"i

_TV"

I U

V- ^z 0

\ ¥

Rys. i. Schemat ideowy jednofazowego in­

wertora tyrystorowego

\

100 E. Przeniosło

Metoda analityczna widmowo-operatorowa stosowana była w literaturze [l] [3] [6] przy założeniu idealnych charakterystyk tyrystorów i bezzwłocz­

nej komutacji. W artykule zastosowano modyfikację . [4] tej metody pozwala­

jącą uwzględnić:

- nieidealne charakterystyki tyrystorów, - komutację tyrystorów,

- nieskończoną ilość harmonicznych przy obliczaniu przebiegu przejścio­

wego.

Schemat blokowy Jedno­

fazowego inwertora tyrys­

torowego, którego część przetwarzająca jest opisa­

na funkcją przełączeń p(t), został przedstawiony ns rys. 2.

CJeżeli układ będzie pra­

cował z wielką częstotli­

wością i uwzględni się nieidealne charakterystyki statyczne tyrystorów (przy­

jęto, że napięcie przewo­

dzenia tyrystora wynosi Uj, natomiast prądy wsteczny i blokowania są równe zero), to funkcja przełączeń bę­

dzie wyglądać jak na rys. 3.

Funkcja przełączeń ę(t) opisuje zależność między napięciami i prądami na wejściu i wyjściu części przetwarzającej.

Dla schematu blokowego jednofazowego inwertora tyrystorowego przedsta­

wionego na rys. 2 można napisać następujące równania:

obwodu wyjściowego

UQ (s) = ZQ (s) IQ (s) (1)

obwodu przetwarzającego

iQ (t) = # ) v (t)

u„(t) = u0 ( o

(2)

F

?(t) \u 0 1

Część

Filtr przetwa- /

T Rys. 2. Schemat blokowy jednofazowego inwer­

tora tyrystorowego

Rys. 3. Funkcja przełączeń jednofazowego in­

wertora tyrystorowego

obwodu wejściowego

u(s)

i(s) B

F0 (s) Fb(s)

Fc(8) Fd (e) Ujs) V 8)

(3)

W przypadku ogólnym okresowa funkcja przełączeń może być rozwinięta w szereg trygonometryczny

OO

p(t)

•IX

Funkcja przełączeń przedstawiona na rys. 3 może być opisana równaniami:

?(t)

JL t - 3 - „ t^ ~ u T dla dla ~ < t < 2501

dla *w < * <

C*ł + rw (2hłlW

_ 1 1 + JL I2^1M dla (ą+m <t < iąom . t

w w ^ OłJ w

- V dla i S Ł + i M + t < t <

O u> w co

g d z i e : /

h - liczba naturalna,

tw - czas wyłęczania tyrystora,

a wyrazy szeregu Fouriera funkcji przełęczeń eę opisane zależnościami!

sin mat.

(5)

- )

Bn " f f Vw n c°a "wtw - ł> (6)

S » i - fj- < i

UT - napięcie przewodzenia tyrystorów.

Rozwiązanie przedstawionego układu równań (opisujących zachowanie się Inwertora tyrystorowego) polega na przejściu na formę czasową z równaniem (l) obwodu wyjściowego 1 następnie podstawieniu równań (2) obwodu-prze­

twarzającego , przekształceniu, uśrednieniu przebiegu uw ( 0 za okres 1 przejściu na formę operatorową Laplace's. W wyniku przekształceń otrzyma­

no równanie;

102 E. Przeniosło

Uw ś r (e> ’ 5 I*»4r^8^

oo

y (A2n + B2 )Re Z 0 (s ♦ Jnco) ,n»l

(7)

i odpowiadajęcy mu 9che»at zastępczy widziany od strony prędu stałego (ry­

sunek 4).

Iśr(s)

7-XiAn*Bn)Zo(s-jnw)

Rys. 4. Schemat zastępczy Jednofazowego lnwertora tyrystorowego widziany od strony prędu stałego

gdzie :

Zw (a> ’ r f l i j - j Z (An + B n } RS Zo (s + ina3)

wśr n-1

(8 )

L

~R

H F

Rys. 5. Rodzaje obcięleń Z o

Najczęściej spotykanym typem obciężenia ZQ (a) Jest obciężenie typu szeregowego lub równoległego (rys. 5).

Dla tych typów obclężeó zastępcze inpedan- cje z„ ( 3) otrzymane na podstawie znajomości impedancji Z(s) wynoszę odpowiednio:

dis obwodu szeregowego:

Zw (s) - A sL + R +

sC(l + — g-) s

(9)

dla obwodu równoległego

Zw (s) - A s ( R2L-H02CR2L2 ) * U ? R L 2

s2 L2 ( 1+2o^ C 2R2 +2£2_) +2sRL( 1-KP2CL) + (cp2Ct.-l) 2R2-ki>2L2

(10)

przy założeniu, że RC 1. <<1

gdzie :

» . C l .

Z zależności (9) i (lO) wyni­

ka, że część przetwarzajęca in- wertora tyrystorowego wraz z ob- clężeniem może być opisana trens- mltancję operatorowę ograniczoną do drugiego stopnia mianownika.

Odpowiedni schemat zastępczy in- wertora tyrystorowego widziany od strony prędu stałego (wejścia) został przedstawiony na rys. 6.

Przedstawione schsmaty zastępcze pozwalają [4]:

- znaleźć przebiegi czasowe prądów i napięć na wejściu inwertora i na ob­

ciążeniu ,

- przeprowadzić analizę procesu przejściowego dla startu inwertora, zmian napięcia zasilającego, zsniku napięcia zasilającego oraz skokowych zmian obciążenia,

- wyznaczyć warunki poprawnej komutacji tyrystorów w stanach przejścio­

wych przez określenie czasowej funkcji kąta wyłączenia tyrystorów.

W przeprowadzonej analizie została uwzględniona [4]:

- praca -inwertora dla wielkich częstotliwości, - nieidealne charakterystyki tyrystora,

- komutacja tyrystorów,

- nieskończona ilość harmonicznych rozkładu funkcji przełączeń (unikamy błędu - (| 2 - Aj; - i A*) 100% « 19%).

n«l

Przez odpowiednie przekształcenia [4] możnn zastosować analizę do ukła­

dów wielofazowych i wieloobwodowych z asymetrią obciążenia.

LITERATURA

[1] Bledierson A . A . , Mielników O.H. : Rasczlot pieriechodnych prociessow w elektrlczieskich cieplach pri impulsnom wozdlejstwi mietodoa sried- nich paraoietrow. Elektriczlestwo 2/1972.

[2] Csaki F . , Ganszky K . , Ipsits I., Marti S. : Power electronics. Buda­

peszt 1975.

[3] Merablszwili P.F.: Schiemy zaaleszczlenlja awtonoanych lnwiertorow to- ka. Elektriczlestwo 2/1981.

[4J Przeniosło E . : Dynamika lnnertorów tyrystorowych wielkiej częstotli­

wości. Praca doktorska. Politechnika śląska 1979.- Iśr(s)

Ućr(S)j|

Iwśr(s)

\Uw śr(s) Z w(s)

Rys. 6. Schemat zastępczy Jednofazo­

wego inwertora tyrystorowego

104 E. Przeniosło

[5] Szlpillo W. P. , Dołnlcz W . T . , Zieziulkin G.G. : Impulenaja model odno- faznogo atonomnogo inwiertora. Elektricziestwo. 11/1978.

[6j Tołstow G.Ou. , Merabiszwlll P.F. : Issliedowanlje uetanowiwszichsja 1 pieriechodnych procieseow w wlentilnych prleobrazowatieliach (awtono- mnych inwiertorach) po usriedniennych wieliczlnach, Elektricziestwo 7/1973.

Recenzent: Doc. dr O. Luciński

Wpłynęło do Redakcji 1.VII.1982 r.

CXEMU 3AME1KEHHH THPHCIOPHOrO HHBEPIOPA JWIH IffiPEXOflHUX UPOOECCOB

P e 3 b m e

B c T a r t e naa a n a u H S n e p e x o ^ H u x n p o a e c c o B b 0 f lH 0 i} ia 3 H 0 M X H p H c i o p H O i t H H B e p - T o p e , B H n o j i H e H o u n p n H a n o j i f c 3 O B a H H H M O f l H $ H i p i p o B a H H o r o a H a j i a x H a a c K o r o o n e K - T p a j i B H O - o n e p a T o p u o r o M e i o f l a . B p e a y j i B T a x e n o x y a e K U cxeuu 3 a u e n e K H a r a x o -

ro M H B e p r o p a co c x o p o H H p e n « n o c i o x H H o r o x o x a .

EQUIVALENT CIRCUITS FOR THE THYRISTOR INVERTER TRANSIENT STATES

S u m m a r y

The modified analytical spectral-operator method for transient state analysis of the single-phase thyristor inverter is presented. Tho equiva­

lent circuits of thie inverter as viewed from the DC side (the input port) are derived.