Martynov_Sil-elektCh2_Invertory

параметрах схемы легко рассчитывается по соотношению (82). Зона устойчивой работы инвертора оказывается также ограниченной и в области малых нагрузок, где возрастают максимальные положительное и отрицательное напряжения на вентилях. Эти значения максимального напряжения UV max не должны превышать номинального напряжения вентилей UV ном, указанного в паспорте.

Выходная характеристика параллельного инвертора при cosϕнг < 1 располагается несколько ниже и представляет более круто падающую кривую, чем выходная характеристика при активной нагрузке и том же значении емкости конденсатора (см. рис. 35). Такой вид характеристики определяется тем, что часть реактивного тока конденсатора компенсирует реактивный ток нагрузки; при равных значениях проводимости нагрузки в обоих случаях угол β меньше при активно-индуктивной нагрузке; изменение угла β при изменении величины нагрузки происходит быстрее в случае актив- но-индуктивной нагрузки [2].

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте пояснения принципу работы параллельного инвертора – как происходит включение тиристоров и их выключение?

2. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора параллельного типа?

3. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора параллельного типа резко возрастает?

3.2. Инверторы тока последовательного типа

Последовательные инверторы тока так же, как и параллельные, могут выполняться по однофазным и трехфазным схемам с применением трансформатора на выходе и без него [2]. Характерным признаком схемы инвертора является последовательное соединение коммутирующего конденсатора и сопротивления Zнг. Принципиальная схема однофазного мостового последовательного инвертора приведена на рис. 36.

Принцип действия и основные свойства. Рассмотрим электромагнитные процессы и энергетические характеристики инвертора (рис. 37) при активной нагрузке и полностью сглаженном входном токе, id = const. На рис. 38 построены временные диаграммы токов и напряжений инвертора тока последовательного типа.

81

+	id
	V1	V3
Ud	+ C –	Zнг
	a	b
	(–) (+)	iнг
	V4	V2
–

Рис. 36. Инвертор тока последовательного типа

В момент времени ωt = 0 импульсы управления открывают вентили V1, V2. В результате через последовательно соединенные Ld, C, Rнг протекает ток нагрузки id = const. Мгновенное значение тока нагрузки iнг = id, а напряжения на нагрузке uнг = iнгRнг. Taк как заряд коммутирующего конденсатора осуществляется постоянным током, то напряжение uc изменяется по линейному закону (см. рис. 37). В момент времени ωt = π управляющие импульсы поступают на вентили V3, V4. Заряд конденсатора С в этот момент времени имеет полярность, указанную на рис. 36 (без скобок). При подаче управляющих импульсов на вентили V3, V4 конденсатор С получает возможность разряжаться по двум путям: через V1, V3, Zнг; через V4, V2, Zнг. В результате такой ток разряда практически мгновенно закрывает вентили V1, V2 (при прежнем условии γ = 0), ток id переходит на вентили V3, V4, а ток нагрузки iнг меняет свой знак. На нагрузке появляется переменное напряжение, частота которого определяется частотой следования импульсов управления. Токи вентилей и напряжения на вентилях также приведены на рис. 37. Среднее значение тока вентиля IV cр = 0,5Id, мгновенное напряжение на закрытом вентиле uV = uс + uнг. Очевидно, что для устойчивой работы инвертора необходимо выполнение условия

β > Kзωtq.

(88)

При невыполнении условия (88) происходит срыв коммутации тока вентилями инвертора, приводящий к опрокидыванию схемы. Этот аварийный процесс протекает так же, как в параллельном инверторе.

82

uy V1, uy V2
	0				ωt
uy V3, uy V4		π	2π		3π
					ωt
i			iV3; uRнг
u					ωt
uc			uc
					ωt
			uаb
u
					ωt
iV1					ωt
iV3				iV3	ωt
uV1	∆u	β		uV1
					ωt
uV2	β		uV2		ωt

Рис. 37. Временные диаграммы, поясняющие работу инвертора тока последовательного типа

83

	iнг			Величина угла β изменя-
		Uс		ется с изменением величи-
				ны сопротивления нагрузки.
Uнг			U	Определим предельно допу-
				стимую величину сопротив-
				ления нагрузки Rнг.пр, при
				которой β = 0, Uв.пр = 0. Оче-
φнг	β			видно, что
				Uñ ïð +Uíã.ïð =0;
Рис. 38. Векторная диаграмма				Uíã.ïð =UíãRíã.ïð;
					= 1 Ti
инвертора тока				U			,
последовательного типа				ñ ïð	C 4	íã

где T=1f . Следовательно:

R	=	1	.	(89)
íã.ïð		4fC

При значениях Rнг < Rнг.пр схема работает устойчиво.

Основные расчетные соотношения и выходные характеристики

Для расчета характеристик последовательного инвертора так же, как для параллельного, может быть применен метод основной гармоники. На рис. 38 построена векторная диаграмма инвертора тока последовательного типа при активно-индуктивной нагрузке, из которой очевидно, что соотношения для определения tgβ совпадают с выражениями (80) и (81) для параллельного инвертора. Принимая, что

Q

=

1

I2

, Q

=

1

I2

sinϕ

íã

,

P

=

1

I2

cosϕ

íã

,

Y

Y

Y

ñ

íã

íã

íã

íã

íã

ñ

íã

íã

после подстановки в (81) получим

tgβ=	Yíã	-tgϕ .	(90)
	íã
	ωCcosϕíã

84

Представив проводимость нагрузки в относительных единицах,

т. е. Y/(ωC) = Y*нг, выражение (90) преобразуется к виду

	Y*
tgβ=	íã	-tgϕ .	(91)
	íã
	cosϕíã
Выражение выходной характеристики U			= f(Y* ) может быть
		и	нг

получено на основании баланса входной и выходной мощностей инвертора

UdId =UíãIcosϕíã =UèIcosβ,

откуда полное инвертированное напряжение Uи на выходе

	U =	UdId	=	Ud	.
		Icosβ		K cosβ
	è
				cx

Учитывая, что

cos1 β =1+tg2β,

выражение (93) преобразуется к виду

		1		æ		*	sinϕ	ö2
				ç1-Y				÷
U =U			1+ç		íã			íã ÷
									÷ .
è	d	K	ç		*			÷
			ç
		cx	è		Yíã cosϕíã ø

(92)

(93)

(94)

После того, как разделим правую и левую части соотношения (94) на Ud, оно примет вид

U		1		æç	Y*			ö÷2
è	=		1+ç		íã	-tgϕ		÷
							íã	÷ .
Ud		Kcx	ç					ø÷
				èçcosϕíã

Напряжение на нагрузке определяется по формуле

Uíã	=		1		.
		K	cosϕ
U				íã
d		cx

(95)

(96)

Из выражения (96) следует, что при Ud = const и неизменном коэффициенте мощности нагрузки величина напряжения на нагрузке неизменна. Таким образом, при cosϕнг = сonst выходная характеристика последовательного инвертора является жесткой в широком диапазоне изменения величины нагрузки.

85

а)	β
	90				0,4
					0,6
					0,8
	60	cosωнг= 1
	30
					β
		0	1	2	3	Yнг*
б)	Uи
	Ud			0,4 0,6 1,0 0,8
	2,6
	2,2
	1,8
	1,4
	1,0
	0,6	0	1	2	3	Yнг*
в)	Uнг
	Ud
	2,6				0,4
	2,2
	1,8				0,6
	1,4				0,8
	1,0				1,0
	0,6	0	1	2	3	Yнг*

Рис. 39. Характеристики инвертора тока последовательного типа:

а– зависимость угла опережения от проводимости нагрузки;

б– выходные характеристики инвертора; в – зависимость напряжения нагрузки от проводимости нагрузки

86

На рис. 39, а–б построены зависимости

β=f(Yíã* ),	Uè	=f(Yíã* ),	Uíã	=f(Yíã* ),
	U		U
	d		d

представляющие семейство выходных характеристик последовательного инвертора при различных значениях коэффициента мощности нагрузки и выраженные в относительных величинах.

Из приведенных графиков видно, что в зоне малых нагрузок работа инвертора невозможна из-за существенного уменьшения угла β, предоставляемого вентилям для восстановления управляющей способности. Область больших нагрузок инвертора характеризуется увеличением угла β до π/2 и существенным увеличением суммарного инвертируемого напряжения Uи, что сопровождается увеличением напряжения на вентилях и напряжения на конденсаторе.

Сопоставление свойств и характеристик параллельного и последовательного инверторов тока позволяет сделать заключение о том, что по виду характеристик такие инверторы представляют определенную противоположность. Так, для параллельного инвертора коммутация становится неустойчивой при перегрузках, а для последовательного – при малых нагрузках. Перенапряжения на элементах схемы в параллельном инверторе возникают в зоне малых нагрузок, в последовательном инверторе – в зоне перегрузок. Параллельный инвертор имеет круто падающую внешнюю характеристику, которая относительно слабо деформируется при изменении cosϕнг. Последовательный инвертор, напротив, имеет жесткую внешнюю характеристику, которая значительно деформируется при изменении cosϕнг. Указанные обстоятельства должны учитываться при выборе схемы инвертора в зависимости от требований со стороны потребителя.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем заключается отличие в схемах инверторов последовательного и параллельного типа?

2. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора последовательного типа?

3. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора последовательного типа резко возрастает?

4. От чего и как зависит напряжение на нагрузке последовательного инвертора?

87

3.3. Последовательно-параллельные инверторы тока

Принципиальная схема последовательно-параллельного инвертора тока в варианте трехфазного мостового преобразователя представлена на рис. 40, а. На основании установленных выше характеристик параллельного и последовательного инвертора для данной схемы, очевидно, следует ожидать характеристики промежуточного вида [2]. Построенная на рис. 40, б векторная диаграмма, в частности, показывает, что значение угла β ≥ βmin в данной схеме может быть обеспечено даже при неполной компенсации реактивного тока нагрузки током параллельных конденсаторов.

На основании векторной диаграммы и выводов, аналогичных проведенным при анализе параллельного и последовательного инверторов, можно получить следующие соотношения при расчете на одну фазу:

	tgβ=tgΨ+		Yíã		cosϕíã	,
			ωCï cos2 Ψ
	где
	tgΨ =	3ωC			-tgϕ	;
		Yíã cosϕíã		íã

а)	Ld
	+
	V1	V3	V5
			Uф; iф Uнг; iнг
	Ud			Zнг
	V4	V6	V2 Спосл
			iс	Спар
	–

(97),

(98)

б) Uк Uф

	Iс		Uнг
	Iф	Ψ	ϕнг	Iнг
		β

Рис. 40. Схема (а) и векторная диаграмма (б) последовательно-параллельного инвертора

88

а)

б)

β

90

1,0

0,4

60 0,8

0,6

30
		βmin
0	1,0	2,0	3,0 Yнг*
Uнг
Ud
2,6
	0,4
2,2
	1,0
1,8			0,4
1,4	0,6
			0,6
			1,0
1,0			0,8

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Yнг*

cosϕнг

cosϕнг

Рис. 41. Зависимости угла опережения зажигания (а) и напряжения нагрузки (б) от проводимости нагрузки для инвертора тока последовательно-параллельного типа

Uô

=

cos Ψ

;

(99)

U

cosβ

íã

Uíã

=

1

1

.

(100)

U

K

cos Ψ

d

cx

Выражения (96)–(100) определяют характеристики последова-

тельно-параллельной схемы. Приведенная зависимость β = ξ(Y* )

нг

(рис. 41, а), в частности, показывает, что для последовательно-

89

параллельного инвертора при некоторой средней относительной нагрузке имеет место минимальное значение угла выключения ти-

ристоров. При всех остальных значениях проводимости Y* угол β

нг

возрастает, инвертор обладает как бы «абсолютной» устойчивостью коммутации от режима холостого хода до 2–3-кратных перегрузок и теоретически до режима короткого замыкания. Малая зависимость выходного напряжения от проводимости нагрузки в широком диапазоне изменения последней (рис. 41, б) определяет основное достоинство последовательно-параллельного инвертора.

Вопрос для самоконтроля

Укажите достоинства последовательно-параллельного инвертора тока по сравнению с инверторами тока параллельного и последовательного типа.

3.4. Резонансные инверторы

Резонансные автономные инверторы находят применение в стабилизированных по выходной частоте преобразовательных установках в связи с тем, что в таких инверторах улучшается форма кривой выходного напряжения (становится более приближенной к синусоидальной) по сравнению с режимом инвертирования постоянного тока id. Резонансные инверторы выполняются на основе всех трех основных типов схем – параллельных, последовательных и по- следовательно-параллельных инверторов.

Рассмотрим работу резонансного инвертора на примере однофазного последовательного преобразователя (см. рис. 36). Величина выбранных параметров последовательного L-C-Rнг-контура определяет частоту его собственных колебаний, которая находится по известному из теоретической электротехники выражению

			1		R2
ω	=			-	íã	,		(101)
0			LC		4L2

где L – эквивалентная индуктивность схемы.

В зависимости от соотношения частоты собственных колебаний ω0 и частоты переключения вентилей ω, задаваемой системой управления, различают три возможных режима работы инвертора:

– частота собственных колебаний ниже частоты переключения вентилей, ω0< ω – режим принудительной коммутации;

90