выпрямителя 5 страница

Активно-индуктивная нагрузка инвертора, включена в диагональ моста, образованного тиристорами Т₁,Т₂,Т₃,Т₄ и обратно включенными диодами Д₁,Д₂,Д₃,Д₄. Диоды предназначены для протекания тока RL-нагрузки на интервалах времени, когда ток имеет направление, обратное для тиристоров. Эти диоды называют диодами обратного, встречного или «реактивного» тока.

Формирование кривой выходного напряжения инвертора определяется процессами, протекающими в главных цепях инвертора (Т₁ –Т₄, Д₁ –Д₄, нагрузка) при задании соответствующих интервалов проводимости тиристоров.

Рассмотрим способы формирования и регулирования выходного напряжения АИН:

1. Формирование выходного напряжения инвертора в виде импульсов чередующейся полярности и одинаковой длительности (длительность импульса составляет ψ =180°) иллюстрируют временные диаграммы, представленные на рис. 7.6.

Рис. 7.6 Временные диаграммы, поясняющие принцип формирования кривой выходного напряжения АИН в виде импульсов чередующейся полярности одинаковой длительности

Как следует из временных диаграмм, к точке а нагрузки (рис. 7.5) прикладывается положительный или отрицательный потенциал источника питания в зависимости от того, какой из ключей левого плеча инвертора находится в проводящем состоянии. То же самое относится к потенциалу точки б.

На интервале υ₀ – υ₁ проводят ток тиристоры Т₃ и Т₄. Напряжение на нагрузке равно напряжению источника питания Е и имеет полярность, указанную без скобок (рис. 7.5). В момент времени υ₁ происходит переключение ключей (система управления снимает сигналы управления с тиристоров Т₃, Т₄ и подает отпирающие сигналы на тиристоры Т₁, Т₂). Тиристоры Т₃ и Т₄ запираются, но тиристоры Т₁, Т₂ ток не пропускают, так как при индуктивном характере нагрузки ток не может скачком поменять значение и величину.

Следовательно, индуктивность нагрузки создает условие для открывания обратных диодов Д₁ и Д₂, и ток нагрузки продолжает протекать в том же направлении через названные диоды и источник питания в обратном направлении (см. пунктирную линию на рис.7.5). При этом полярность напряжения на нагрузке автоматически изменяется (напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную на рис. 7.5 без скобок), поскольку точка а нагрузки через диод Д₁ будет подсоединена к «минусу» источника питания, а точка б через диод Д₂ – к «плюсу» источника питания. Таким образом, роль обратных диодов сводится к пропусканию реактивного тока нагрузки после переключения тиристоров. На интервале υ₁ – υ₂, энергия, накопленная в индуктивности нагрузки на предыдущем интервале, возвращается в источник питания.

В момент времени υ₂ (рис. 7.6, б) ток нагрузки ι_н равняется нулю, диоды Д₁ и Д₂ закрываются. Так как на тиристорах Т₁ и Т₂ управляющие импульсы поддерживаются в течение интервала ψ = 180°, (рис. 7.6, а) то эти тиристоры с момента времени υ₂ подключают нагрузку к источнику питания. Ток в нагрузке после перехода через нуль изменяет направление, при этом полярность напряжения на нагрузке не изменяется (точка б остается подключенной к положительному полюсу источника питания, а точка а – к отрицательному полюсу). После момента времени υ₂ знаки напряжения ιι_н и тока нагрузки ι_н совпадают (имеют одинаковую полярность), это означает, что нагрузка потребляет энергию от источника питания.

В момент времени υ₃ происходит очередное переключение тиристоров, связанное с запиранием тиристоров Т₁, Т₂ и отпирание тиристоров Т₃, Т₄, На интервале υ₃ – υ₄ индуктивность нагрузки создает условия для отпирания диодов Д₃, Д₄, что приведет к изменению полярности напряжения на нагрузке к первоначальному значению. На интервале υ₄ – υ₅ тиристоры Т₃, Т₄ подключают нагрузку к источнику питания. Далее процессы в схеме повторяются. Кривые токов, протекающих через тиристоры и диоды инвертора, показаны на рис. 7.6, в-е.

При рассмотренной форме кривой выходного напряжения регулирование его величины напряжения возможно только путем регулирования напряжения источника питания.

Рассмотрим гармонический состав кривой выходного напряжения инвертора. Из принципа действия АИН следует, что его выходное напряжение может принимать значения напряжения источника питания положительной или отрицательной полярности и формируется в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов. Следовательно, спектр такого напряжения будет содержать высшие гармоники, которые необходимо фильтровать, чтобы приблизить форму выходного напряжения к синусоидальной. При разложении в ряд Фурье кривой выходного напряжения получают следующий гармонический состав: 3-я гармоника составляет 33,3%, 5-я – 20 % и 7-я а – 14,3 % от основной гармоники. Для выделения на нагрузке основной (первой) гармоники между инвертором и нагрузкой устанавливают фильтры.

Для улучшения спектрального состава кривой выходного напряжения АИН и регулирования величины напряжения используется:

- широтно-импульсная модуляция кривой выходного напряжения;

- амплитудная модуляция кривой выходного напряжения.

2. Широтно-импульсный способ формирования и регулирования выходного напряжения инвертора осуществляется с помощью последовательности высокочастотных импульсов разных длительности и полярности. длительность составляющих импульсов изменяется таким образом, что их среднее значение изменяется по заданному закону6 синусоидальному, трапецеидальному, треугольному или прямоугольному.

Различают два типа широтно-импульсной модуляции (ШИМ): однополярная ШИМ и двухполярная ШИМ. Кривые выходного напряжения АИН показаны на рис. 7.7.

При использовании однополярной ШИМ выходное напряжение формируется из последовательности однополярных импульсов на полупериоде низкочастотной составляющей выходного напряжения (рис.7.7, а).

Рис. 7.7. Кривые выходного напряжения АИН при однополярной (а) и

двухполярной (б) ШИМ

В этом случае при формировании импульса СУ должна обеспечить открытое состояние двух накрест расположенных по отношению к нагрузке ключевых элементов (рис. 7.5). Для образования паузы при активно-индуктивной нагрузке схема управления должна обеспечить протекание тока нагрузки через два тиристора, подключающих нагрузку накоротко к одной из шин источника питания (например, открытое состояние Т₁ и Т₃).

При двухполярной ШИМ вместо пауз в кривой выходного напряжения (рис. 7.7, а) содержатся импульсы противоположной полярности (рис. 7.7, б). При таком способе формирования выходного напряжения АИН всегда открыты два диагонально расположенных вентиля в схеме рис. 7.5 (два тиристора или два диода). В этом случае к нагрузке всегда прикладывается напряжение питания источника постоянного напряжения Е_d с той или иной полярностью.

Гармонический анализ показывает, что спектр напряжения при однополярной ШИМ лучше, чем спектр напряжения при двухполярной ШИМ. Чем выше частота высокочастотной составляющей (несущей частоты) по сравнению с низкочастотной составляющей (частоты основной гармоники), тем ближе огибающая выходного напряжения приближается к синусоиде, тем легче отфильтровать высокочастотную составляющую выходного напряжения.

Формирование выходного напряжения АИН с использованием ШИМ уводит спектр высших гармоник, отличных от основной гармоники, в область высоких частот. Чем выше несущая частота, тем больше частота гармоник, подлежащих фильтрации, и тем легче фильтры. Верхний предел значения несущей частоты ограничен частотными свойствами используемых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов) и коммутационными потерями, уменьшающими КПД преобразователя с увеличением числа переключений на периоде. Проблему увеличения КПД и возможность реализации АИН с относительно высокими частотами основной гармоники (400 Гц и выше) можно решить, используя метод выборочного исключения гармоник. В этом случае кривая выходного напряжения строится таким образом, чтобы в ней отсутствовали высшие гармоники, наиболее близкие к основной гармонике. Исключение даже двух близких к основной гармоник, например 3-й и 5-й, существенно облегчает выходные фильтры АИН.

Исключение определенных гармоник осуществляется одним из двух способов:

- использованием дополнительных коммутаций на полупериоде выходного напряжения. При этом способе углы дополнительных коммутаций выбирают таким образом, чтобы исключить определенные гармоники;

- построением кривой выходного напряжения в виде набора ограниченного числа однополярных импульсов одинаковой длительности на полупериоде выходного напряжения. Число исключенных гармоник, в этом случае, пропорционально числу импульсов, находящихся на четверти полупериода выходного напряжения. Например, кривая выходного напряжения состоит из четырех однополярных импульсов (рис. 7.8) одинаковой длительности λ. Углы β являются центрами составляющих импульсов. Значения углов находят при разложении в ряд Фурье указанной кривой выходного напряжения АИН.

Рис. 7.8 Кривая выходного напряжения АИН с улучшенным

гармоническим составом

Так при четырех импульсах на полупериоде и углах β₁ = 42°, β₂ = 78°, исключаются третья и пятая гармоники. При неизменных значениях углов центров импульсов (углов β) и изменении ширины импульсов, можно регулировать действующее значение выходного напряжения при отсутствии исключенных гармоник, во всем диапазоне регулирования.

3. Амплитудная модуляция кривой выходного напряжения АИН. При амплитудной модуляции кривая выходного напряжения реализуется в виде набора прямоугольных импульсов, образующих ступенчатую форму, огибающая которых близка к синусоиде (рис. 7.9)

Рис. 7.9. Кривая выходного напряжения АИН при амплитудной

модуляции

Такую кривую на базе однофазных инверторов можно построить несколькими способами, основными из которых являются:

- использование нескольких источников питания. В этом случае высоту каждой ступеньки u_i определяет значение напряжения i-го источника E_di, который подключается к нагрузке через ключевые элементы. Из осциллограммы выходного напряжения видно, что схема должна состоять из трех инверторных блоков, работающих на общую нагрузку. Инверторные блоки питаются от трех различных источников питания E_di;

- использование выходного трансформатора с отпайками. Схема силового блока, в этом случае, питается от одного источника питания E_d как показано на рис. 7.10. Разная высота ступенек, составляющих кривую выходного напряжения (рис.7.9) получается, из-за изменяемого коэффициента трансформации трансформатора, к отпайкам которого подключены управляемые электродные ключи, обеспечивающие двухстороннюю проводимость.

7.10. Схема выходного трансформатора с отпайками

Из схемы следует, что если один из двухоперационных тиристоров VТ₁, находится в проводящем состоянии, то напряжение питания E_d прикладывается к полной полуобмотке трансформатора w₁ + w₂ + w₃ (на рис. 7.10 это левая полуобмотка). Следовательно, к нагрузке прикладывается напряжение u_н1 = К_т1· Е_d, где К_т1 – коэффициент трансформации трансформатора, равный отношению К_т1 = w₄ / (w₁ + w₂ + w₃). При этом формируется ступенька напряжения положительной полярности на интервале 0 – υ₁ (см. рис. 7.9). При включенном состоянии одного из тиристоров VТ₂, , напряжение источника питания прикладывается к части полуобмотки трансформатора, в нагрузку трансформируется напряжение u_н2 = К_т2· Е_d, где К_т2 = w₄ / (w₂ + w₃). Поскольку К_т2 > К_т1, то на интервале υ₁ – υ₂ для выходного напряжения соблюдается соотношение u_н2 > u_н1. Максимальную ступеньку напряжения на нагрузке на интервале υ₂ – υ₃ получают при открытом состоянии одного из вентилей VТ₃ или . В этом случае u_н3 = К_т3· Е_d, где К_т3 = w₄ / w₃.

Для уменьшения высоты ступенек, при формировании спадающей части положительной полуволны выходного напряжения, необходимо обеспечивать рабочее (открытое) состояние вентилей в обратной последовательности.

При формировании отрицательной полуволны выходного напряжения инвертора используют электронные ключи VТ₄, ÷ VТ₆, . Число ступенек можно увеличить путем увеличения числа отпаек, а, следовательно, путем увеличения числа управляемых вентилей.

Данный способ формирования кривой выходного напряжения АИН имеет следующие недостатки: сложный трансформатор, большое число управляемых вентилей, необходимость использования управляемых приборов в качестве обратных вентилей.

- геометрическое суммирование напряжений прямоугольной формы нескольких АИН, сдвинутых по фазе. Схема силового блока для реализации данного метода показана на рис. 7.11

Рис. 7.11. Схема силового блока для реализации геометрического

суммирования выходных напряжений однофазных АИН

Выходное напряжение каждого инвертора имеет вид меандра (прямоугольного импульса). Меандры сдвинуты один относительно другого на некоторый одинаковый угол. Каждый инвертор имеет трансформаторный выход, вторичные обмотки которых включены последовательно. На рис. 7.11 показано, что силовой блок может содержать n однофазных инверторов. Рассмотрим силовой блок, состоящий из пяти однофазных инверторов. На рис 7.12 представлены временные диаграммы выходных напряжений каждого из пяти инверторных блоков, сдвинутых на угол π/6, а также форма суммарного выходного напряжения при К_т =1.

В результате суммирования выходных напряжений АИН получается многоступенчатая кривая выходного напряжения на нагрузке, число ступенек которой от –U_{н max} до +U_{н max} определяется числом составляющих инверторных блоков.

Данный способ формирования ступенчатой кривой выходного напряжения (способ амплитудной модуляции) имеет следующие достоинства:

- все инверторные блоки питаются от одного источника питания;

- используются простые одинаковые однофазные АИН;

- в качестве неуправляемых вентилей применяются неуправляемые диоды;

- с увеличением числа составляющих инверторных блоков уменьшаются пульсации общего (суммарного) тока, потребляемого от источника питания;

- относительная простота системы управления;

К числу недостатков можно отнести:

- увеличение числа инверторных блоков приводит к увеличению числа управляемых и неуправляемых вентилей;

- максимальное значение тока, протекающего через вентиль, не зависит от числа инверторных блоков и определяется максимальным током нагрузки (с учетом коэффициента трансформации);

Рис.7.12. Временные диаграммы выходных напряжений силового блока из пяти однофазных АИН (а-д) и суммарное выходное напряжение АИН (е)

- сложность осуществления регулирования выходного напряжения внутренними средствами (ШИР).

Трехфазные схемы АИН реализуют на практике двумя способами: путем использования однофазных мостовых схем с трансформаторным выходом, работающих на общую нагрузку, с фазовым сдвигом на электрический угол 120°. И с помощью трехфазной мостовой схемы, построенной на базе трех полумостовых схем

7.3. Автономный инвертор тока

Схема однофазного мостового инвертора тока (АИТ) показана на рис. 7.13. Временные диаграммы, характеризующие работу АИТ – на рис. 7.14. В схему входит инверторный мост на тиристорах Т₁ – Т₄, в диагональ которого включена активно-индуктивная нагрузка Z_н. Параллельно нагрузке включен конденсатор С (поэтому данный АИТ называют параллельным инвертором тока). Отличительной особенностью АИТ является наличие в цепи постоянного тока достаточно большой индуктивности L_d. Это ставит источник питания (ИП) E_d совместно с индуктивностью L_d в режим источника тока для переменной (изменяющейся) составляющей тока, протекающего через ИП.

Рис. 7.13. Схема однофазного параллельного мостового АИТ

Кривая выходного напряжения ιι_н = ιι_с формируется путем периодического перезаряда конденсатора С в цепи с иточником питания Е и дросселем L_d при поочередном отпирании накрест лежащих тиристоров инвертора (в рассматриваемом случае тиристоров Т₁, Т₂ и Т₃, Т₄). Конденсатор С, осуществляет запирание проводившей пары тиристоров при отпирании другой пары. В этом случае ток инвертора ι_и. протекающий в диагонали моста, будет иметь знакопеременную прямоугольную форму (рис. 7.14, и), частота тока будет зависеть от частоты переключения тиристоров. Следовательно, конденсатор С, включенный параллельно нагрузке, служит для организации контура тока нагрузки при изменении направления тока инвертора. Конденсатор С позволяет осуществить энергообмен между реактивными элементами нагрузки и становится накопителем энергии. Рассмотрим работу АИТ с помощью временных диаграмм, приведенных для установившегося режима (рис. 7.14, а-и).

Рис. 7.14. Временные диаграммы, объясняющие работу однофазного

мостового инвертора тока

До момента времени υ₁ = ωt₁ (ω – выходная частота инвертора) ток проводят тиристоры Т₁ и Т₂ (рис. 7.14, а). При включенных тиристорах Т₁,Т₂ ток инвертора протекает по контуру: (+Е_d)→L_d→ T₂→Z_н(C)→T₁→(-E_d). Конденсатор будет заряжаться по экспоненциальному закону, его полярность указана на схеме рис. 7.13 без скобок. Ток нагрузки течет справа налево (на рис. 7.13 это направление тока не указано).

В момент времени υ₁ подаются отпирающие импульсы на тиристоры Т₃, Т₄. В первый момент времени оказываются открытыми все четыре тиристора. Из схемы (рис. 7.13) видно, что напряжение коммутирующего конденсатора С прикладывается к ранее проводившим тиристорам с той полярностью, которая приводит к их выключению (так как при отпирании тиристоров Т₃, Т₄ конденсатор С подключается параллельно тиристорам Т₁, Т₂). Под действием встречного тока конденсатора токи тиристоров Т₁, Т₂ практически мгновенно спадают до нуля (рис. 7.14, г), к тиристорам прикладывается напряжение, определяемое напряжением конденсатора (рис. 7.14, ж). Затем ток протекает через тиристоры Т₃, Т₄ (рис. 7.14, д), ток нагрузки меняет направление и течет слева направо, как показано на рис. 7.13. Конденсатор заряжается (его полярность в этот момент показана на рис. 7.13 в скобках) создавая условия для выключения проводящих тиристоров Т₃, Т₄ в момент включения очередной пары тиристоров Т₁, Т₂. Далее процессы в схеме повторяются.

Длительность действия обратного напряжения на тиристорах (время, предоставляемое для восстановления их запирающих свойств) определяется интервалом, в течение которого напряжение отрицательной полярности на конденсаторе уменьшается до нуля (рис.7.14, б) в процессе его перезарядки в цепи с источником питания, индуктивностью L_d и открытыми тиристорами Т₃, Т₄ (рис. 7.14). Этот интервал определяется углом Θ = t_п.в ω (где t_п.в – время, предоставляемое тиристору для выключения, т.е. для восстановления его запирающих свойств). Если тиристор не успеет за это время восстановить свои запирающие свойства, то он не выключится. Ток будут проводить оба тиристора одного плеча (например, Т₁, Т₄) и источник питания будет в режиме короткого замыкания. Аналогично осуществляется запирание тиристоров Т₃, Т₄ при отпирании тиристоров Т₁, Т₂. Кривая переменного напряжения на нагрузке ιι_н (рис. 7.14, б) состоит из участков, соответствующих каждому такту перезарядки конденсатора. Ток ι_d, потребляемый от ИП, благодаря большой индуктивности дросселя L_d хорошо сглажен и имеет малые пульсации. Этот ток поочередно протекает через пару тиристоров, определяя форму кривых их анодных токов (рис. 7.14, г, д) и форму кривой тока инвертора ι_и, равного сумме токов нагрузки ι_н и конденсатора ι_с (рис. 7.14, е).

При отпирании каждой пары накрест лежащих тиристоров конденсатор подключается отрицательным полюсом к точке а, а положительным полюсом – к точке б (рис.7.13), что определяет характер кривой u_аб (характер входного напряжения инвертора, рис. 7.14, з). Если пренебречь активным сопротивлением обмотки дросселя, то среднее напряжение этого напряжения должно быть равно напряжению источника питания Е, следовательно, и среднее значение на конденсаторе (нагрузке) в течение полупериода также равно Е (рис. 7.14, б).

В схеме АИТ присутствуют три накопителя энергии (L_d, С, L_н), что приводит к громоздким вычислениям при анализе работы инвертора. Поэтому используют приближенный метод основной гармоники. При использовании данного метода:

- принимают индуктивность дросселя L_d = ∞, следовательно, ток ι_d будет идеально сглажен, к кривые токов ι_Т1,2, ι_Т3,4, ι_и (рис.7.14, в-е)будут иметь прямоугольную форму;

- заменяют кривые напряжения на нагрузке ιι_н и тока инвертора ι_и их первыми (основными) гармониками (т.е. синусоидальными). Вид кривых, с учетом принятых допущений, показан на рис. 7.15.

Метод основной гармоники позволяет использовать векторные диаграммы для анализа работы АИТ

Рис. 7.15. Кривые напряжения и токов автономного однофазного

инвертора (а), схема замещения АИТ (б) и векторная диаграмма (в)

Запишем соотношение, устанавливающее связь между первой гармоникой кривой тока инвертора ι_и(1) и кривой тока ι_и:

ι_и(1) = I_и(1) sin ωt = I_d sin ωt, (7.1)

где I_и(1) = I_d – действующее значение первой гармоники тока инвертора;

I_d – входной ток инвертора.

Рассмотрим работу АИТ с использованием схемы замещения (рис. 7.15, б) и векторной диаграммы (рис. 7.15, в). Вектор тока I_н активно- индуктивной нагрузки отстает от вектора напряжения U_н на угол φ = arc tg ωL_н / R_н. Вектор тока I_с опережает вектор напряжения U_н на угол 90°. Вектор тока I_и(1) = I_н + I_с, также опережает вектор напряжения на угол Θ. Для нормальной работы АИТ, опережающий характер вектора I_и(1) является обязательным, так как угол Θ обеспечивает восстановление запирающих свойств тиристора и не может быть меньше величины Θ_min, равной

Θ_min = 360°·f·t_в, (7.2)

где f – выходная частота инвертора,

t_в – время выключения используемого тиристора.

Из векторной диаграммы видно, что при увеличении тока нагрузки угол Θ будет уменьшаться, а при увеличении тока нагрузки сверх допустимого значения (Θ < Θ_min) тиристор не успеет восстановить свои запирающие свойства. В схеме окажутся в проводящем состоянии все тиристоры, и наступит аварийный режим (срыв инвертирования), поскольку ток источника постоянного напряжения будет ничем не ограничен.

Следовательно, энергия коммутирующего конденсатора должна быть достаточной, чтобы в процессе перезаряда обратное напряжение на выключаемых тиристорах уменьшалось достаточно медленно, обеспечивая восстановление запирающих свойств тиристора. Иными словами, ток тиристоров должен опережать напряжение на нагрузке на время, не меньшее времени выключения тиристоров, т.е. t_выкл ≥ t_выкл.Т (или Θ_min > Θ).

Так как для нормальной работы выходной ток инвертора должен опережать напряжение на нагрузке, то это означает, что инвертор тока может работать только на общую емкостную нагрузку. При работе инвертора на активно- индуктивную нагрузку коммутирующий конденсатор выполняет также роль компенсирующей емкости, которая обеспечивает общую емкостную реакцию нагрузки. Коммутирующий конденсатор в этом случае выбирают из условия компенсации реактивной мощности нагрузки и обеспечения устойчивой коммутации тока.

Выходное напряжение АИТ зависит от тока нагрузки, поэтому регулировать его можно путем включения балластной (дополнительной) нагрузки. Изменяя нагрузку можно изменять выходное напряжение инвертора тока. В качестве регулируемого балласта нецелесообразно использовать регулируемое активное сопротивление, поскольку в этом случае регулирование будет сопровождаться отбором активной мощности, что резко уменьшает КПД преобразователя. Задачу регулирования и стабилизации выходного напряжения решают одним из следующих способов: а) изменением напряжения питания Е путем использования во входной цепи инвертора управляемого выпрямителя; б) введением в схему инвертора специального компенсирующего устройства (компенсатора). В качестве компенсатора в АИТ служит обратный неуправляемый или управляемый выпрямитель либо индуктивно-тиристорный компенсатор.

7.4. Резонансный инвертор

Автономные резонансные инверторы (АРИ) предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (0,5 – 10 кГц и выше). Такие инверторы широко применяются в электротермии (в системах индукционного нагрева, индукционная плавка металла, закалка и др.). Процессы, протекающие в АРИ, характеризуются колебательным (резонансным) перезарядом в цепи с индуктивностью нагрузки (или дополнительно включенной катушкой индуктивности) и специально включенным конденсатором, которые образуют колебательный контур.

Резонансные инверторы обычно выполняют по однофазной схеме (чаще мостовой) с использованием однооперационных тиристоров. Конденсатор в цепь нагрузки может включаться параллельно нагрузке или последовательно с нагрузкой. В зависимости от этого различают два типа АРИ: