Лекция №

Тема: Автономные инверторы напряжения и тока

Вопросы:

1. Назначение и принцип действия автономного инвертора

2. Основные характеристики и схемы коммутации в автономных инверторах

3. Структурная схема инвертора на тиристорах

4. Электромагнитные процессы в однофазном параллельном тиристором инверторе тока

1. На данной лекции будет рассмотрен другой класс инверторов – автономные инверторы. Invercio – переворачивание, перестановка.

Автономный инвертор – это полупроводниковый инвертор, в котором коммутация полупроводниковых приборов осуществляется под воздействием напряжения, обусловленного внешними по отношению к полупроводниковому инвертору источниками электрической энергии.

В зависимости от характера протекания электромагнитных процессов в схемах автономных инверторов их подразделяют на:

- инверторы тока;

- инверторы напряжения;

- резонансные инверторы.

Рассмотрим это более подробно на примере двух автономных инверторов, питающихся от источника постоянного напряжения U_d (рис.1).

а) б)

Рис.1 Схемы и временные диаграммы инверторов тока (а) и напряжения (б)

Так как в цепи постоянного тока первого инвертора (рис.1, а) включен дроссель L_d с большой индуктивностью, то в интервале между коммутацией ключевых элементов S1 – S4 ток дросселя изменяется незначительно. Поэтому ключевые элементы инвертора изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке (отсюда и название инверторы тока). Нагрузка таких инверторов носит, как правило, емкостный характер, поскольку при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникали бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементарной схемы.

В схеме (рис.1, б) источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элемента, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается как бы от источника переменного напряжения. Такая схема классифицируется как инвертор напряжения.

Нагрузка в этом случае должна носить активный либо индуктивный характер (если на выходе инвертора не установлены специальные фильтры), так как при емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имели бы место всплески токов.

В резонансных инверторах нагрузка, имеющая большую индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. При этом собственная частота контура должна быть выше или равна рабочей частоте инвертора. Такие инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в нагрузке и применяются для получения переменного напряжения или тока повышенной частоты (более 1000 Гц).

По типу применяемых полупроводниковых приборов, в качестве коммутационных элементов, автономные инверторы подразделяются на:

- транзисторные (маломощные автономные инверторы);

- тиристорные (силовые автономные инверторы);

- комбинированные (транзисторные и тиристорные).

На ЭПС применяют автономные инверторы напряжения с преобразованием напряжения и частоты 1 ф 27,5 кВ 50Гц → постоянное напряжение → переменное трехфазное напряжение 380 В и др. от 150-200 Гц..

Таким образом сущность процесса инвертирования напряжения или тока в автономных инверторах заключается в периодическом подключении нагрузки или первичной обмотки трансформатора к источнику постоянного тока с одной и той же полярностью в одноактных схемах или с противоположной полярностью в двухтактных схемах.

2. Основными характеристиками, которые позволяют сравнивать между собой различные схемы инверторов являются:

- зависимость величины выходного напряжения инвертора от величины напряжения питания постоянного тока при заданном токе нагрузки:

U_вых = f (U_d)│ I_вых = const

- зависимость частоты выходного напряжения инвертора от величины напряжения питания при заданном токе нагрузке:

f_Uвых= φ (U_d)│ I_вых = const

- внешняя характеристика инвертора – зависимость выходного напряжения инвертора от величины нагрузки при неизменном напряжении питания:

U_вых = f (I_н)│ U_d = const

Основными параметрами схем инверторов являются:

- выходное сопротивление инвертора (внутреннее), определяемое по внешней характеристике инвертора:

R_вых = ;

- коэффициент полезного действия инвертора

η = ;

- величина выходной мощности инвертора Р_вых.

3. В автономных инверторах, в отличии от зависимых инверторов, процесс получения искусственной коммутации тока представляет сложную задачу, решение которой достигается с помощью специальных схем.

Независимо от типа инвертора на тиристорах для коммутации последних необходимо:

- уменьшение тока тиристора до нуля;

- задержка приложения прямого напряжения на тиристор на время, требуемое для восстановления его запирающих свойств;

- увеличение прямого тока в другом тиристоре данного автономного инвертора.

Физический смысл искусственной коммутации, которую необходимо осуществить в автономных инверторах, заключается в том, что через тиристор протекает ток в обратном направлении, что приводит к уменьшению анодного тока до необходимой величины и последующего приложения отрицательного анодного напряжения на время, необходимое для восстановления тиристором запирающих свойств.

Обратный ток и напряжение на тиристорах создаются в подавляющем большинстве случаев предварительно заряженным конденсатором. Этот конденсатор называется коммутирующим.

Практические схемы коммутации тиристора с использование конденсатора представлены на рис.2

Рис.2

Схема (а) работает следующим образом. В исходном состоянии тиристор закрыт и напряжение на нагрузке R_н и конденсаторе С_к отсутствуют. Включение схемы осуществляется управляющим сигналом, подаваемом на управляющий электрод. При этом одновременно с током нагрузки I_н = через тиристор протекает ток заряда С_к .Конденсатор заряжается с указанной на рис. Полярностью за время τ = R₁C_к. Последующим замыканием ключа S заряженный практически до напряжения источника питания конденсатор С_к подключается параллельно тиристору. Он (конденсатор) начинает разряжаться, причем ток разряда протекает через тиристор обратном направлении (в направлении противоположном анодному току). При превышении током i_c анодного тока I_н создаются условия для выключения тиристора и обесточивания нагрузки.

В схеме (б) конденсатор С_к заряжен до Е_ип. Поэтому при включении тиристора VS управляющим импульсом через него начинает протекать ток нагрузки и ток разряда С_к.

На втором полупериоде колебательной перезарядки конденсатор, когда ток i_c, направленный встречно анодному току, ток в тиристоре становится большим по значению i_а току нагрузки, тиристор выключается (t₁). Начиная с этого момента, остаточное напряжение на конденсаторе С_к действует согласно с напряжением источника питания, поэтому ток нагрузки резко увеличивается, а затем снижается по мере перезаряда конденсатора.

Окончательное прерывание тока в цепи происходит в момент времени t₃, который соответствует окончанию перезаряда конденсатора. Обратное напряжение на тиристоре поддерживается в течение времени t_с = t₂ - t₁. Это время называется схемным, так как оно обусловлено параметрами элементов схемы (емкостью ком. конденсатора С_к и индуктивностью катушки L_к).

По способу подачи коммутирующего напряжения различают тиристорные инверторы:

- с параллельной коммутацией, когда предварительно заряженный конденсатор подключается либо параллельно запираемому тиристору, либо параллельно нагрузке;

- с последовательной коммутацией, когда заряженный конденсатор подключается последовательно с нагрузкой.

Регулирование частоты инвертирования тока в тиристорные автономных инверторах достигается изменением частоты следования импульсов тока управления, подведенных к вентилям.

Рис.3