Меню

Автономные инверторы тока принцип работы

Инвертор напряжения

Программирование микроконтроллеров Курсы

С развитием альтернативных источников энергии, в частности с массовым внедрением солнечных панелей, инвертор напряжения находит все более широкое применение. Поскольку применяется как постоянный, так и переменный ток, то часто возникает необходимость в преобразовании энергии одного рода в другой. Устройства, преобразующие переменный ток в постоянный называются выпрямителями. В качестве выпрямителя чаще всего применяют диодный мост. А устройство, преобразующее постоянный ток в переменный называют инвертором.

Структура инвертора напряжения

По ряду положительный свойств большую популярность завоевал инвертор напряжения. Особенно широко он используется с целью преобразования электрической энергии постоянного тока аккумуляторной, солнечной батареи или суперконденсатор в переменное напряжение 230 В, 50 Гц для питания большинства промышленных устройств.

Принцип работы инвертора напряжения

Представим, что у нас имеется источник электрической энергии постоянного тока такой, как аккумулятор или гальванический элемент и потребитель (нагрузка), который работает только от переменного напряжения. Как преобразовать один вид энергии в другой? Решение было найдено довольно просто. Достаточно подключить аккумулятор к потребителю сначала одной полярностью, а затем через короткий промежуток отключить аккумулятор, а потом снова подключить, но уже обратной полярностью. И такие переключения повторять все время через равные промежутки времени. Если выполнять таких переключений 50 раз за секунду, то на потребитель будет подаваться переменное напряжение частотой 50 Гц. Роль переключателей чаще всего выполняют транзисторы или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

На схеме, приведенной ниже, изображен источника питания Uип с клеммами 1-2 и потребитель RнLн, обладающий активно-индуктивным характером, с клеммами 3-4. В один момент времени потребитель клеммами 3-4 подключается к клеммам 1-2 Uип, при этом I от Uип протекает в направлении LнRн, а в следующий момент клеммы 3-4 изменяют свое положение и I протекает в противоположном направлении относительно потребителя электрической энергии.

Схема преобразования постоянного напряжения в переменное

Схема инвертора напряжения

Наиболее распространённая схема инвертора напряжения состоит из четырех IGBT транзисторов VT1…VT4, включенных по схеме моста, и четырех обратных диодов, обозначенных VD1…VD4, параллельно соединенных с управляемыми полупроводниковыми ключами во встречном направлении. Преобразователь питает активно-индуктивную нагрузку. Именно она является самой распространенной, поэтому была взята за основу.

Схема инвертора напряжения

Входные клеммы инвертора подключаются к Uип. Если таким источником служит диодный выпрямитель, то выход его обязательно шунтируется конденсатором C.

В силовой электронике наибольшее применение нашли транзисторы с изолированным затвором IGBT (именно они показаны на схеме) и GTO, IGCT тиристоры. При оперировании меньшими мощностями вне конкуренции полевые транзисторы MOSFET.

В момент времени t1 открываются VT1 и VT4, а VT2 и VT3 – закрыты. Образуется единственный путь для протекания тока через нагрузку: «+» Uип – VT1 – нагрузка RнLн VT4«-» Uип. Таким образом, на интервале времени t1 ‑ t2 создается замкнутая цепь для протекания iн в соответствующем направлении.

Инвертор напряжения

Режим работы схемы

Для изменения направления iн снимаются управляющие импульсы с баз VT1 и VT4 и подаются сигналы на открытие второго и третьего VT2,3. В точке t2 на оси времени t, первый и четвертый VT1,4 закрыты, а второй и третий – открыты. Однако, поскольку нагрузка активно-индуктивная, то iн не может мгновенно изменить направление на противоположное. Этому будет препятствовать энергия, запасенная на индуктивности Lн. Поэтому он будет сохранять прежнее направление до тех пор, пока не рассеется все энергия, запасенная на индуктивности в виде магнитного поля, равная Wм = (Lн∙i 2 )/2.

Автономный инвертор напряжения

В связи с этим, на отрезке времени t2 – t3 ток будет протекать через диоды VD2 и VD3, сохраняя прежнее направление на RнLн, но пройдет в обратном направлении через Uип или конденсатор C, если источником энергии является диодный выпрямитель. Поэтому следует обязательно установить конденсатор C, если преобразователь подключен к диодному выпрямителю. Иначе прервется путь протекания iн, в результате чего возникнут сильное перенапряжение, которое может повредить изоляцию потребителя и выведет из строя полупроводниковые приборы.

В момент времени t3 вся запасенная на индуктивности энергия снизится до нуля. Начиная с момента t3 до момента t4 под действием приложенного Uип через открытые полупроводниковые ключи VT2 и VT3 будет протекать iн через LнRн уже в другую сторону.

Схема автономного инвертора напряжения

В точке t4, расположенной на оси времени t, снимается управляющий сигнал с VT1,3, а VT1 и VT4 открываются. Однако iн продолжает протекать в ту же сторону, пока не расходуется энергия, запасенная в индуктивности. Это будет происходить на интервале времени t4 – t5.

Принцип работы инвертора напряжения

Работа схемы

Начиная с момента t5 iн изменить направление и потечет от Uип через LнRн по пути через VT1 и VT4. Далее все процессы, протекающие в электрической цепи, будут повторяться. На LнRн форма напряжения будет прямоугольной, но ток на активно-индуктивной нагрузке будет иметь пилообразную форму за счет наличия индуктивности, которая не позволяет ему мгновенно вырасти и снизиться. Если потребитель имеет чисто активный характер (индуктивность и емкость практически равны нулю), то формы iн и uн будет в виде прямоугольников.

Поскольку VT1…VT4 попарно открывались на всей протяженности соответствующих полупериодов, то на выходе преобразователя формировалось максимально возможное uн, поэтому через LнRн протекал iн максимальной величины. Однако часто требуется обеспечить плавное нарастание мощности на потребителе, например для постепенного увеличения яркости освещения или частоты вращения вала двигателя.

Следует пояснить, что сигналы, поступающие из системы управления СУ, подаются не сразу на базы полупроводниковых ключей, а посредством драйвера. Так как современные СУ построены на безе микроконтроллеров, которые выдают маломощные сигналы, не способные открыть IGBT, то для увеличения мощности открывающего импульса применяется промежуточное звено – драйвер. Кроме того на часто драйвер выполняет множество дополнительных функций – защищает транзистор от короткого замыкания, перегрева и т.п.

Инвертор напряжения с регулированием выходных параметров

Самый простой способ изменить величину uн заключается в регулировании величины подводимого Uип, если такая возможность имеется. Например, для регулируемого выпрямителя это не проблема. Но такие источники электрической энергии как аккумуляторная батарея, суперконденсатор или солнечная батарея не имеют данной возможности. Поэтому регулировка частоты и величины выходного uн полностью возлагается на инвертор.

Для регулирования величины uн одну пару диагонально противоположных транзисторов следует открыть несколько ранее, чем в рассмотренном выше случае. Поэтому алгоритмом системы управления следует предусмотреть сдвигу управляющих сигналов. Например, подаваемых на открытие VT1 и VT4 относительно импульсов управления, подаваемых на базы VT2 и VT3, на некоторый угол, называемый углом управления α.

Алгоритм управления транзисторами инвертора напряжения

Обратите внимание, что амплитудное значение uн остается неизменной величины и приблизительно равно значению Uип, но действующее значение uн будет снижаться по мере увеличения угла управления α. Рассмотрим, как это работает.

На интервале времени от t1 до t2 открыта пара транзисторов VT1 и VT4; iн протекает справа налево, как показано на схеме. В момент t2 закрывается первый транзистор и открывается второй. Ток сохраняет прежнее направление, а нагрузка оказывается замкнутой, в результате чего напряжение на ней падает практически до нуля, соответственно снижается и iн.

Схема инвертора напряжения на транзисторах

Схема преобразователя напряжения

Принцип работы преобразователя напряжения

Схема преобразователя напряжения на транзисторах

Далее из системы управления поступает команда и VT2 открывается, а VT4 закрывается. Однако накопленная в индуктивности энергия не позволяет току iн изменить свое направление, и он протекает по прежней цепи, только уже через диоды VD2 и VD3 встречно источнику питания. Длительность этого процесса продолжается до точки времени t4. В точке t4 под действием приложенного Uип iн изменяет знак на противоположный.

Широтно-импульсная модуляция

Такой алгоритм работы полупроводниковых ключей в отличие от предыдущего алгоритма формирует паузу определенной длительности, которая в конечном итоге приводит к снижению действующего значения uн. Для формирования iн синусоидальной формы применяется широтно-импульсная модуляция ШИМ. Преобразователь с ШИМ, а точнее алгоритм его работы, предусматривающий ШИМ, мы рассмотрим отдельно.

Также следует заметить, что рассмотренный алгоритм управления полупроводниковыми ключами называется широтно-импульсным регулированием ШИР, который часто путают с ШИМ, хотя разница огромная.

Читайте также:  Физиопроцедуры с током детям

В преобразовательной технике ШИМ практически вытеснила ШИР, поскольку обладает рядом положительных свойств, благодаря которым повышается КПД всего устройства и снижается уровень электромагнитных помех. Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим инвертор напряжения с ШИМ.

Источник



Автономные инверторы

Лекция 27.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: назначение и виды автономных инверторов.

НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Автономные инверторы — это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних элект­рических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. На его выходе можно по­лучать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регули­ровать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронны­ми двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно примене­ние автономных инверторов в тяговых электроприводах электрово­зов, электропоездов, тепловозов.

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автоном­ные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими осо­бенностями процессов переключений тока. Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из кото­рых являются: уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления его запирающей способности, нарастание прямого тока во втором тиристоре. Эти события могут совершаться совместно или последовательно. Средства для осуществления надеж­ной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных про­блем в автономных инверторах. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые тран­зисторы и запираемые тиристоры). Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (однооперационные тиристоры), до­полненные специальными узлами принудительной коммутации, на­пример в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомо­гательных тиристоров.

Рассмотрим принцип работы автономного инвертора на примере простейшей однофазной схемы с использованием указанных выше средств коммутации (рис. 9.1).

Принцип работы инвертора на полностью управляемых приборах. Силовые транзисторы используются как ключи, получая сигналы уп­равления / по цепи базы от отдельной схемы управления СУ, постро­енной на основе генератора прямоугольных импульсов. Сигналы уп­равления, поступающие на транзисторы VT1 и F72, не совпадают по времени, что устраняет появление сквозного тока источника питания

Е. Предполагается, что один транзистор открывается в тот момент, когда другой закрывается, В схеме не требуется дополнительных ком­мутирующих устройств, так как транзисторы обладают свойством полной управляемости, и для включения и выключения достаточно управлять током их базовых цепей.

Рис. 9.1. Схемы и временные диаграммы работы однофазного автономного инвертора на транзисторах при работе на активную нагрузку (без обратных диодов) (а) и на активно-индуктивную нагрузку (с обратными диодами) (б)

Сигналы управления подаются на VT1, VT2 с периодом следова­ния Т. При активной нагрузке (см. рис. 9.1, а) поочередное включение транзисторов обуславливает приложение ЭДС источника Е к первич­ной обмотке трансформатора Т, выполненного с выведенной средней (нулевой) точкой 0. По первичным полуобмоткам протекают токи i11, i12. На вторичной обмотке возникает напряжение м2 прямоугольной формы. Ток i2 при активной нагрузке R повторяет форму кривой и2 и переходит через нулевое значение одновременно с моментом переклю­чения транзисторов. При работе транзисторов в нулевой схеме в течение непроводящей части периода к ним прикладывается в прямом направлении напряжение 2Е.

В реальных схемах нагрузка носит, как правило, активно-индук­тивный характер (см. рис. 9.1, 6). Во время переключения транзисто­ров в такой схеме возникают условия, которые могут привести к большим перенапряжениям, поскольку ток в цепи с индуктивным элементом не может мгновенно изменить направление. Следователь­но, для предупреждения перенапряжения в схеме должна быть пред­усмотрена ветвь тока нагрузки на интервалах t — t1 t2 — t3 после переключения транзистора.

Для пропуска тока могут быть включены разнообразные устрой­ства, например резисторы, конденсаторы или дополнительные цепи с полупроводниковыми приборами. Наиболее экономичное решение было предложено выполнять по схеме с обратными диодами VD1, VD2, включенными встречно-параллельно основным (главным) тран­зисторам VT1, VT2 [4]. Для этого случая на рис. 9.1, б показаны формы напряжений и токов в схеме инвертора. В схеме с обратными диодами после переключения транзистора контур индуктивного тока нагрузки проходит через диод, включенный встречно ЭДС источника Е. Входной ток id инвертора на интервалах переключения тока (спа­дания тока нагрузки до нуля) протекает в обратном направлении, обеспечивая возврат в источник питания энергии, накопленной в дросселе L. Среднее значение тока Id источника определяется потреб­лением энергии активным сопротивлением R цепи нагрузки. При иде­альной индуктивной нагрузке теоретически возможно Id = 0.

Принцип работы инвертора на однооперационных тиристорах. Рас­смотрим схему инвертора, в которой требуются дополнительные эле­менты для осуществления коммутации. Схема однофазного инвертора на однооперационных тиристорах VT1, VT2 (рис. 9.2) называется параллельным инвертором [4] и строится по принципу коммутации тока с использованием конденсатора С, включенного параллельно цепи нагрузки.

Широко известная схема однофазного параллельного инвертора отличается от схемы (см. рис. 9.1) наличием дросселя в цепи постоян­ного тока с индуктивностью Ld и коммутирующего конденсатора емкостью С. В этой схеме принудительное выключение одноопераци

онных тиристоров VT1, VT2 осуществляется предварительно заряжен­ным коммутирующим конденсаюром. Коммутация тиристора VT1 начинается с момента (t2, t6), когда отпирается второй тиристор VT2, и конденсатор С, заряженный так, что верхняя обкладка положитель­на, обеспечивает обратное напряжение на запираемом тиристоре VT1. Интервалы времени (t2 — t3, t6 — t7 дляVT1; t — t1, t4 —15 для VT2) должны быть не менее времени выключения тиристора.

Рис. 9.2. Схема параллельного автоном­ного инвертора и временное диаграммы напряжений и токов при активно-индук­тивной нагрузке

Для выполнения этого условия необходимо включить конденсатор такой емкости С, чтобы отводить ток нагрузки от тиристора на интервале времени выключения.

Дроссель Ld цепи постоянного тока такого инвертора обычно имеет достаточно большую индуктивность, чтобы исключить или су­щественно уменьшить пульсации подводимого постоянного тока id. При этом ток id переключения с одного тиристора на другой равно­значен току прямоугольной формы через тиристоры VT1 и VT2. Ток /2 цепи RL-нагрузки имеет плавное изменение, и разность токов ти­ристора (источника) и нагрузки компенсируется током конденсатора iс. Их алгебраическая сумма на каждом временном интервале равна нулю. Конденсатор заряжается на интервале, когда ток тиристора превышает ток нагрузки (приведенный к числу витков первичной обмотки трансформатора), и разряжается, если ток нагрузки превы­шает ток источника. В результате конденсатор перезаряжается дваж­ды за один период Т. Напряжение конденсатора мс накладывается на ЭДС источника Е, и на выходе инвертора напряжение ми содержит постоянную составляющую Е, и переменную составляющую, опреде­ляемую напряжением на конденсаторе ис (см. рис. 9.2). Напряжение на входе ии имеет значительные пульсации, возрастающие с уменьшени­ем емкости С при неизменных параметрах RL-нагрузки.

Расчет параллельного инвертора довольно сложен. Основные принципы, которые позволяют выполнить расчет, сводятся к следую­щему:

мощность, получаемая от источника постоянного тока, должна быть равна мощности, отдаваемой нагрузке:, где U2 —эффективное значение напряжения нагрузки; так как кривые напряжений и токов несинусоидальны и со­держат ряд гармонических составляющих, то реактивные мощности основной и каждой высшей гармонической составляющей тока источника питания должны быть равны соответствующим состав­ляющим реактивной мощности всей цепи переменного тока на

выходе: — соответственно эффективные значения напряжения и тока источника, напряжения нагрузки и эквивалентное реактивное сопротивление, обусловленное элементами L и С, для гармонической составляющей порядка и;

в установившемся режиме среднее за интервал проводящего состо­яния каждого тиристора напряжение на полуобмотке первичной об­мотки трансформатора должно быть равно напряжению источника питания Е.

Классификация автономных инверторов. Исторически первыми применялись параллельные инверторы. Их схемы были разнообраз­ны. Затем стали применяться резонансные (последовательные) инвер­торы и инверторы с обратными диодами.

Читайте также:  Смешанный способ возбуждения машины постоянного тока

Имеется большое число различных схем, которые обладают при­знаками параллельных и последовательных инверторов и инверторов с обрашыми диодами. Более >до6ьо классифицировать автономные инверторы по характеру обмена электроэнергией между источником питания и потребителем. По данному признаку различают автоном­ные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ) и резонансные (АИР).

Из рассмотренных выше схем к АИН может быть отнесена схема, приведенная на рис. 9.1. Характерными признаками этой схемы явля­ются питание от источника напряжения, замыкание контура реактив­ного тока нагрузки через обратные диоды, независимость формы кривой напряжения на выходе инвертора от характера нагрузки.

Признаками АИТ в значительной мере обладает схема, приведен­ная на рис. 9.2. Для нее характерно питание от источника тока (в цепь источника включен дроссель значительной индуктивности Ld), обмен реактивной энергией нагрузки с коммутирующим конденсатором, значительное колебание напряжения на входе инвертора при посто­янном токе источника, зависимость формы кривой напряжения на выходе и на входе инвертора от характера нагрузки.

К резонансным инверторам могут быть отнесены последователь­ные инверторы.

В зависимости от числа переключений тока в процессе коммутации различают инверторы с одно- и двухступенчатой коммутацией. При одноступенчатой коммутации ток нагрузки с выходящего из работы тиристора сразу переключается на вступающий в работу очередной тиристор. Для двухступенчатой коммутации характерным является перевод коммутируемого тока на некоторый интервал времени во вспомогательную цепь, после которого ток переключается на очеред­ной главный тиристор.

В зависимости от числа фаз выходного напряжения автономные инверторы делятся на однофазные и многофазные, а по характеру связи с нагрузкой — на нулевые и мостовые. Наиболее широкое применение в тяговых электроприводах железнодорожного транспор­та и метрополитенов находят трехфазные мостовые схемы автоном­ных инверторов.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

ЭМПС / Лекции ЭМПС / Автономные инверторы

Инвертором называется устройство для преобразова­ния постоянного тока в переменный с постоянными или регулируемы­ми значениями выходного напряжения и частоты. Если инвертор ра­ботает на нагрузку, не имеющую другого источника питания, он на­зывается автономным. Автономные инверторы (АИ) применяются для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников постоянного тока, для электропривода с частотным регулированием, в системах прямого преобразования энергии, напри­мер от топливных элементов, МГД-генераторов и т. п.

Основные требования к АИ: максимальный КПД преобразования, минимальные массогабаритные показатели и стоимость, возможность регулирования Uн и Iвых в достаточно широких пределах, обеспече­ние заданной формы выходного напряжения, отсутствие срывов работы при перегрузке и на холостом ходу и т. п.

В качестве переключательных элементов в автономных инверторах нашли применение транзисторы, обычные и двухоперационные тиристоры. Первые используются в устройствах относительно небольшой мощности, последние наиболее удобны в АИ напряжения и в регулируемых инверторах. Обычные тиристоры иногда приходится применять в совокупности со схемами принудительной коммутации.

Все АИ могут быть подразделены на ряд видов. По схеме преобразования АИ различаются по количеству фаз, схеме питания и некоторым другим параметрам, о которых будет упомянуто ниже. По способу коммутации вентилей они могут быть следующими:

инверторы, полностью коммутируемые по управляющим цепям (на транзисторах и ДОТ);

инверторы с коммутирующими конденсаторами, подключенными параллельно нагрузке;

АИ с двухступенчатой коммутацией, позволяющие осуществлять регулирование выходного напряжения.

Однако наиболее существенно деление автономных инверторов на два типа — автономные инверторы напряжения (АИН) и АИ тока (АНТ) в зависимости от характера источника питания и его связи с АИ (кроме того, существуют и резонансные АИ, но применяются они редко).

Автономный инвертор напряжения.

АИН формирует в нагрузке переменное напряжение путем периодического подключения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного включения вентилей (рис. 1, а).

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумуляторные батарея или выпрямитель с емкостным фильтром), назначение конденсатора будет разъяснено дополнительно.

Рис. 1. Автономный инвертор напряжения (а) и диаграмма его работы (б)

Вентили должны быть полностью управляемые (ДОТ) или каждый тиристор снабжается схемой принудительной коммутации. При работе схемы на нагрузке формируются прямоугольные импульсы напряжения (рис. 1, б), а форма тока зависит от ее характера. Если нагрузка чисто активная, то форма тока совпадает с формой напряжения (пунктир на рис. 1, б), если нагрузка активно-индуктивная, ток iн меняется по экспоненте с постоянной времени . При запи­рании очередной пары вентилей (например, VD1 и VD4) и отпирании второй пары напряжение Uн меняется скачком, а ток некоторое время сохраняет свое направление. Для обеспечения прохождения этого тока используются так называемые обратные диоды VD5. VD8, далее ток замыкается через конденсатор С.

Частота тока в нагрузке определяется схемой управления, нагрузочная характеристика АИН — жесткая, так как напряжение на нагрузке практически равно Un = Е.

Так как входной ток собственно инвертора становится (при RLнагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя необходим конденсатор С большой емкости. АИН могут работать в широ­ком диапазоне нагрузок — от холостого хода до значения, при котором возможна перегрузка вентилей.

Максимальное значение тока нагрузки при симметричном харак­тере выходного напряжения равно

,

Где ; ; Т- период.

Регулировать напряжение на выходе АИН можно, либо изменяя Е, либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее осуществляют несколькими способами: 1) каждый импульс напряже­ния в нагрузке формируется из нескольких, меняющих свою длитель­ность (рис. 2, а); 2) сокращение времени работы АИН в каждый полупериод за счет закрывания одной пары вентилей и включения второй пары с задержкой (рис. 2, б); 3) применение двух инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений путем регулирования фазы в схемах управления (рис. 2, в). В первых двух случаях возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом варианте можно по лучить выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному.

Рис. 2. Регулирование напряжения в АИН

Автономный инвертор тока.

АИТ (рис. 3) получает питание от источника питания через достаточно большую индуктивность, поэтому потребляемый инвертором ток практически не меняется. При поочередном переключении пар тиристоров (не запираемых) в нагрузке формируются прямоугольные импульсы тока, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая, как правило, бывает активно-емкостная. По способу подключения конденсатора к нагрузке так АИТ получили название параллельных.

Как видно из рис. 3, при очередном переключении пар тиристоров (например, работали VD1 и VD4, а включаются схемой управления VD2 и VD3) через нагрузку ток меняется скачком, а за счет перезаряда конденсатора С в течение некоторого интервала времени ранее работавшие тиристоры оказываются под обратным напряжением и, естественно, запираются. Необходимо, чтобы этот интервал был больше времени выключения тиристора. Чем больше постоянная времени , тем медленнее меняется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма — к треугольной. Внешняя характеристика АИТ — мягкая (крутопадающая), режим холостого хода невозможен.

Рис. 3. Автономный инвертор тока (а) и диаграмма его работы (б)

Относительное значение напряжения на нагрузке и вид внешней характеристики могут быть приближенно найдены из формулы

где КПД АИТ; .

Следует отметить, что при активно-индуктивной нагрузке АИТ неработоспособен и такую нагрузку необходимо шунтировать конденсатором.

Так как на практике трудно обеспечить для АИТ или С для АИН, реальные схемы имеют некоторые промежуточные качества.

Для питания относительно маломощной однофазной нагрузки с напряжением, заметно отличающимся от напряжения питания, удобно применять схему, в которой одна пара тиристоров заменена полуоб­мотками трансформатора, а сам он позволяет согласовать Un и Uн (рис. 4).

Рис. 4. Параллельный инвер­тор на транзисторах

При включении, например, VD1 ток проходит от источника пита­ния через L, полуобмотку W1 трансформатора Тр и VD1. Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, и появляется ток в нагрузке. Коммути­рующий конденсатор С заряжается почти до удвоенного напряжения сети (за счет ЭДС самоиндукции в обмотке W2). Когда схема управле­ния СУ включит VD2, конденсатор оказывается включенным парал­лельно VD1, тот мгновенно запирается (так как подано напряжение в запирающем направлении) и процесс повторяется.

Читайте также:  Что такое номинальный ток шунта

В нагрузке формируется напряжение с частотой, определяемой схемой управления. Форма напряжения зависит от Rн (при больших Rн она ближе к треугольной, при меньших Rн — к прямоугольной), вели­чина — от Е, коэффициента трансформации и значения Rн.

Напряжение на L равно разности между Uc (пересчитанным к по­ловине первичной обмотки) и Е. В режимах, близких к холостому ходу, конденсатор заряжается неизменным током, причем Uc может достигать больших (много больше Е) значений, что опасно для ти­ристоров.

В качестве схемы управления можно применять транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подключенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же источника питания. Схема пригодна для E=12. 250 В, Iн = 1. 50А, f=10. 2000 Гц.

Последовательные инверторы в некоторых случаях применяются для получения переменного тока повышенной частоты (f= 2. 50 кГц). Они имеют резонансную цепочку, с помощью которой производится коммутация вентилей. Схема работает следующим образом (рис. 5). При подаче управляющего сигнала открывается VD1, ток идет через L1, Rн, С. В следующий полупериод включается VD2 и конденсатор С, заряженный во время первого полупериода, разряжается через Rн, L2 и VD2. Схема может работать в нескольких режимах.

Рис. 5. Последовательный инвертор (а) и режимы его работы (б-г)

В режиме прерывистых токов (рис. 5, б) VD1 выключается после спадания тока заряда конденсатора С, т. е. до того момента, когда схема управления включает VD2 (и наоборот). В результате имеет мес­то интервал времени, когда оба вентиля ток не проводят и Iн = 0.

В режиме непрерывных токов (рис. 5, г) VD1 выключается в момент включения VD2, т. е. есть состояние, когда ток проводят оба вентиля. Выключение VD1 при этом осуществляется за счет того, что при включении VD2 и прохождении тока разряда С через L2 в L1 формируется противо-ЭДС, достаточная для снижения тока открытого VD1 до нуля. Для этого необходимо, чтобы включение VD2 происходило тогда, когда ток через VD1 уже начал снижаться. В противном случае неизбежен режим „сквозного» тока через VD1, L1, L2 и VD2, т. е. ре­жим КЗ.

Оптимальным является граничный режим (рис. 5, в), при кото­ром форма тока в нагрузке близка к синусоиде. Такие инверторы целесообразно применять при постоянных значениях всех параметров, в том числе нагрузки, при этом обеспечивается достаточно жесткая внешняя характеристика. Так как при малых нагрузках инвертор может выпасть из режима, параллельно Rн включают С и инвертор превращается в последовательно-параллельный.

Если подключить еще один конденсатор С 1 , то инвертор из однотактного превращается в двухтактный, в то время, когда заряжает С, разряжается С 1 и наоборот. Это повышает эффективность работы схемы.

Последовательные инверторы могут быть и многофазными.

Источник

Автономные инверторы тока

Автономные инверторы тока (АИТ) служат для преобразования постоянного тока в переменный, регулируемый по частоте. АИТ находят широкое применение в электрических передачах переменного тока.

Инвертор тока – исторически первый тип автономного инвер­тора – характеризуется двумя отличительными энергетическими признаками. Во-первых, его входная цепь есть цепь со свойствами источника постоянного тока, а функция его вентилей сводится к периодическому переключению направления этого тока в выход­ной цепи. Значит, на выходе вентильного коммутатора будет пере­менный ток (или, иначе говоря, периодически переключаемый по направлению постоянный ток), т.е. цепь со свойствами источника переменного тока. Во-вторых, нагрузкой инвертора тока должна быть цепь со свойствами, близкими к источнику напряжения, т.е. с малым внутренним динамическим сопротивлением, допускающим протекание через него скачкообразно меняющегося тока. Практи­чески это обеспечивается включением конденсатора на выход вентильного коммутатора, что позволяет подключить после него лю­бую реальную нагрузку с индуктивностью, не допускающей скач­ков тока.

Прямоугольный характер тока на выходе вентильного комплекта инвертора тока обусловливает близкую к прямоугольной (точнее, трапецеидальной) форме выход­ного напряжения инвертора на низких частотах, когда время пере­заряда коммутирующей емкости становится малым по сравнению с длительностью полупериода выходного напряжения. Это ограни­чивает нижнюю рабочую частоту инвертора тока с простым алгоритмом управления.

Автономные инверторы тока выполняют на полупроводниковых ключах, обладающих односторонней проводимостью, в качестве которых могут использоваться полностью управляемые ключи (транзисторы, запираемые тиристоры) и обычные тиристоры с дополнительными устройствами конденсаторной коммутации (на рис. 8.3 – Са, Сb, Сс).

Автономный инвертор тока на полностью управляемых ключах — тиристорах VS1 – VS6 (рис. 8.3) – при помощи сглаживающего реактора Ld подключают к источнику напряжения Е, к его выходам подсоединяют фазы нагрузки – асинхронного тягового двигателя (АД). На тепловозе напряжение Е можно получить, снимая напряжение тягового синхронного генератора СГ, выпрямленное выпрямителем ВУ. Система управления инвертором (МСУ) подает отпирающие импульсы на все тиристоры в определенной последовательности с частотой, определяемой задающим генератором по сигналу от автоматической системы регулирования (на рис. 8.3 не показана).

Рис. 8.3. Принципиальная схема автономного инвертора тока

на полностью управляемых тиристорах

Если тиристоры VS1 – VS6 периодически включать и выключать в соответствии с диаграммой, представленной на рис. 8.4, то ток в нагрузке при соединении фаз асинхронного тягового двигателя по схеме «звезда» будет иметь форму прямоугольных положительных импульсов попеременно положительной и отрицательной полярности длительностью 120°эл., с постоянной амплитудой Id. При этом тиристоры VS1 – VS6 выполняют функцию распределения тока Id по фазам нагрузки.

Отличительной особенностью автономного инвертора тока является возможность двустороннего обмена энергией между питающей его сетью и двигателем с нереверсивным выпрямителем ВУ за счет изменения направления противо-эдс инвертора и сохранения направления в нем выпрямленного тока.

Качество выходного напряжения инвертора тока можно значи­тельно улучшить, если применить на низких выходных частотах широтно-импульсный способ формирования кривой выходного то­кавентильного комплекта инвертора.

Рис. 8.4. Диаграмма тока на выходе автономного инвертора тока

Улучшение формы выходного тока инвертора достигается формированием каждого полупериода тока в виде последовательности импульсов тока, длительность которых изменяется по трапецеидальному закону (рис. 8.5).

Такой алгоритм управления просто реализуется с учетом особенности трехфазно­го инвертора тока – наличия включенными в любой момент времени одного вентиля катодной группы моста инвертора и одного вентиля анодной группы. Конденсаторы С на выходе инвертора выполняют функцию «энергетического буфера» между импульсами источника тока, каким по выходу является инвертор тока, и нагрузкой, как правило, содержащей последовательный реак­танс индуктивного характера (асинхронных тяговых двигателей), не допускающий скачков тока в них.

Рис. 8.5. Диаграмма напряжения и тока

на выходе автономного инвертора тока

Таким образом,автономные инверторы тока, имеют следующие свойства:

— существенную зависимость величины и формы выходного напря­жения от величины и характера нагрузки в классическом варианте инвертора. Ограничение на минимум нагрузки диктуется допусти­мой степенью возрастания напряжения на выходе инвертора. Ог­раничения на максимум нагрузки обусловлены требованием вос­становления управляющих свойств тиристоров. Влияние измене­ния частоты выходного напряжения на его величину такое же, как влияние изменения нагрузки;

— большую величину индуктивности реактора в звене постоян­ного тока для реализации режима источника тока, что ухудшает массогабаритные показатели инвертора тока. Пульсация амплиту­ды импульсов тока инвертора обусловлена конечным значением индуктивности реактора Ldна выходе инвертора, подключенного к трехфазному мостовому выпрямителю;

— большую инерционность регулирования выходного напря­жения за счет регулирования входного напряжения инвертора из-за большой электромагнитной постоянной времени реактора в зве­не постоянного тока;

— возможность улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора прежде всего при низких частотах методом широтно-импульсного формирования токов вентилей, особенно при использовании алгоритмов векторной широтно-импульсной модуляции тока по синусоидальному закону;

— благоприятный с позиций электромагнитной совместимости режим нагрузки источника входного напряжения постоянным то­ком со входа инвертора тока.

Источник