Двухтактные инверторы на тиристорах

Дополнительный материал к лекции 24 для самостоятельной работы

Двухтактные инверторы на тиристорах

План (логика) изложения материала

Лекция 24

Задачи для самостоятельной работы

1 Выберите транзистор для инвертора (рисунок 2.72) для следующих исходных данных: напряжение источника питания Е= 24 В, выходное

напряжение инвертора U_вых = 127 В, выходной ток I_вых = 0,2 А и частота преобразование f_пр=10 кГц.

2 Рассчитайте пассивные элементы в инверторе (рисунок 2.72), если максимальный коллекторный ток равен I_к.макс = 5 А, статический коэффициент передачи тока h_21Э = 40, напряжение источника питания Е= 6 В.

3 Рассчитайте величину ёмкости конденсатора С₁ и С₂ в полумостовом инверторе (рисунок 2.73), если напряжение источника питания Е= 24 В, частота преобразования f_пр =20·10³ Гц, изменения напряжения на конденсаторах

∆U = 0,1 В, нагрузочное сопротивление инвертора, приведенное к первичной обмотке трансформатора R'_н = 5 Ом.

Литература

1Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа, 1986. с.181…184, 202…219.

2 Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций.-4-е изд.СПб.:КОРОНА принт.,2004.с. 356…361.

3 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.- К.:Вища школа, 1989. с.382…384.

4 Артомонов Б.И., Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоаппаратуры.- М.: Энергоиздат, 209…217.

5 Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого – цифровых электронных устройств. 2 – е изд. испр. – М.: Издательский дом «Додэка – ХХ1», 2007. – 528с., с.288..303.

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисуйте упрощенные структурные схемы ИВЭП.

2 Нарисуйте структурную схему простейшего преобразователя напряжения.

3 Нарисуйте принципиальную схему однотактного прямоходового

преобразователя напряжения.

4 Нарисуйте принципиальную схему транзисторного двухтактного инвертора.

5 Нарисуйте принципиальную схему силового каскада мостового инвертора.

6 Нарисуйте принципиальную схему силового каскада полумостового инвертора.

7 Нарисуйте схему резонансного преобразователя, работающего при нулевом

токе переключения (ПНТ – преобразователь).

8 Нарисуйте схему преобразователя с переключением при нулевом напряжении,

эпюры напряжений и токов.

9 Напишите ключевые слова к теме лекции 23.

После изучения лекции 24 студент должен знать: принцип работы тиристорных инверторов и преобразователей и их характеристики.

Уметь: пояснить работу тиристорных инверторов и преобразователей, а также уметь произвести выбор элементов тиристорных схем инверторов.

В отличие от транзисторов тиристоры обладают рядом преимуществ, а именно коммутируют значительно большие токи и выдерживают значительно большие прямые и обратные напряжения. В связи с этим тиристорные инверторы целесообразно применять для преобразования больших мощностей.

Тиристорные инверторы в зависимости от того, каким образом осуществляется коммутация тиристоров, делятся на две группы - ведомые сетью и автономные.

Ведомые сетью инверторы выполняют функцию преобразования энергии источника постоянного тока (напряжения), входящего в состав инвертора, в энергию сети переменного тока. Схемы ведомых (зависимых) тиристорных инверторов не отличаются от схем управляемых выпрямителей на тиристорах, различие заключается лишь в направлении преобразования энергии.

Автономные инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока (напряжения) в энергию переменного тока, потребитель которой не связан с питающей сетью переменного тока.

Тиристорные инверторы применяются при значительных более высоких мощностях преобразования, чем транзисторные (единицы – сотни киловольт-ампер).

Автономные инверторы в зависимости от характера протекания электромагнитных процессов делятся на инверторы тока, напряжения и

резонансные. Существует значительное число схемных модификаций автономных инверторов. Рассмотри некоторые из них, получивших широкое применение в ИВЭП. При этом будем считать, что тиристоры идеальные, а потери в элементах схем отсутствуют.

а- В инверторе тока (рисунок 2.78,а) источник питания работает в режиме генератора тока, который формируется путем включения дросселя большой индуктивности в цепь питания. Характер нагрузки инвертора - емкостной.

Схема инвертора тока состоит из трансформатора TV с нулевым выводом (средний вывод трансформатора), тиристоров переключающих VS₁ и VS₂, для уменьшения влияния нагрузки и ее характера на выходное напряжение и на его форму применяют обратные диоды VD₁ и VD₂, коммутирующий конденсатор С_к, который включается параллельно первичной обмотке трансформатора и он заряжается двойным напряжением от источника питания U_о. Дроссель L_др. включен последовательно с источником питания, и предназначен для защиты источника питания от помех возникающих в инверторе. СУ – схема управления, которая предназначена для выработки прямоугольных импульсов и которые поступают на управляющие электроды тиристоров VS₁ и VS₂.

а- схема инвертора тока;

б- форма сигнала на конденсаторе и на нагрузке

Рисунок 2.78 - Принципиальная схема тиристорного инвертора тока

Принцип работы схемы заключается в следующем. В первый полупериод под действием управляющего импульса открывается тиристор VS₁. При этом в обмотках трансформатора под действием возрастающего тока i₁ наводится ЕДС. Под действием этой ЭДС конденсатор С_к перезаряжается до напряжения, равного

приблизительно 2U_о (полярность показана без скобок). В начале второго полупериода на управляющий электрод второго тиристора подается сигнал и тиристор VS₂ открывается. Конденсатор С_к через открытый тиристор VS₂ подключается параллельно тиристору VS₁ и он закрывается под воздействием обратного напряжения. В течение второго полупериода конденсатор С_к перезаряжается, знаки потенциалов на обкладках конденсатора меняются на обратные (показаны в скобках). В начале третьего полупериода вновь включается тиристор VS₁. Конденсатор оказывается подключенным через тиристор VS₁ параллельно VS₂. Под действием обратного напряжения тиристор VS₂ запирается. В дальнейшем процесс повторяется. Диоды VD₁ и VD₂ необходимы для возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной нагрузке и в реактивных коммутирующих элементах в источник питания инвертора. Введение диодов делает работу этой схемы более надежной при холостом ходе и при большом изменении реактивных нагрузок.

Токи нагрузки протекают в следующем направлении, когда открыт тиристор VS₁ протекает ток i₁ в следующем направлении: от +U_о, через обмотки w_о..1..3 трансформатора TV, через открытый тиристор VS₁, дроссель L_др и -U_о. На нагрузке возникает положительная полуволна. Когда открыт тиристор VS₂ протекает ток i₂ в следующем направлении: от +U_о, через обмотки w_0..2..4 трансформатора ТV, через открытый тиристор VS₂, дроссель L_др и –U_о. На нагрузке возникает отрицательная полуволна и т.д.

Величины элементов L_др и С_к определяют необходимый режим переключения, значение их можно определить по формулам:

С_к=(t_в·I_ком) / 1,7 U_о; (2.71)

L_др=(t_в·I_ком)/ 0,425. (2.72)

где t_в - номинальное время восстановления тиристоров;

I_ком- наибольшее значение тока нагрузки в момент коммутации;

U_о - напряжение источника питания.

В автономных инверторах напряжения (рисунок 2.79,а) источник энергии работает в режиме генератора напряжения, форма выходного напряжения U_вых близка к прямоугольной (рисунок 2.79,б), а форма нагрузочного тока i_н(t) (рисунок 2.79,б) определяется реакцией потребителя (обычно она активная или активно-индуктивная).

Пусть в первоначальный момент времени подаются импульсы на тиристоры VS₁ и VS₄, которые открываются и протекает по активно-индуктивной нагрузке экспоненциально нарастающий ток по цепи +U_о – VS₁ – R_н,L_н – VS₄ - -U_о, к нагрузке приложено напряжение источника U_о. На катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая постепенно возрастает по величине и как только Е_L=U_а тиристоры VS₁ иVS₄ закроются, так как Е_L является обратным напряжением для тиристоров VS1 и VS2. Токи тиристоров VS₁ и VS₄ скачком снижаются до нуля, а нагрузочный ток, уменьшаясь, продолжает в силу реактивного (индуктивного) характера нагрузки протекать

в прежнем направлении (для чего параллельно тиристорам установлены в обратном направлении диоды) по цепи +U_L - VD₃ – Uо – VD2- R_н - -U_L и за малое время, ЕДС самоиндукции наколенная в индуктивности L_н, разрядится. Как только она разрядится, станет равное нулю, поступают импульсы на управляющие электроды тиристоров VS₂ и VS₃ и они открываются. Ток нагрузки будет теперь протекать по цепи +U_о – VS₃ –L_н – R_н - VS2- -U_о. до тех пор, пока Е_L = U_а. и тогда тиристоры VS₂ и VS₃ закроются. Токи тиристоров VS₂ и VS₃ скачком снижаются до нуля, а нагрузочный ток продолжает протекать в силу реактивного характера нагрузки по цепи +U_L- R_н – VD₁ – U_о- VD₄- -U_L. до тех пор, пока Е_L=0. Дальше цикл продолжается. Через нагрузку R_н токи протекают в разных направлениях, поэтому на нагрузке возникает переменное напряжение прямоугольной формы.

а- принципиальная схема мостового инвертора напряжения;

б- форма напряжения и тока на нагрузке

Рисунок 2.79 - Принципиальная электрическая схема мостового инвертора

напряжения

Резонансные инверторы имеют в своем составе колебательный LC- контур. Источник энергии может работать как в режиме генератора тока, так и в режиме генератора напряжения. Колебательный контур образуется индуктивностью нагрузки и емкостью конденсатора, включенного параллельно, последовательно или параллельно - последовательно с нагрузкой. Простейшая схема последовательного резонансного инвертора изображена на рисунке 2.80. Нагрузка инвертора (первичная обмотка трансформатора) включена между средней точкой дросселя и емкостным делителем, образованный коммутирующими конденсаторами С₁, С₂. Тиристоры переключаются импульсами, поступающими на их управляющие электроды с выхода схему управления СУ. Инвертор работает на собственной резонансной частоте, нагрузка инвертора чисто активная. При включении тиристора VS₁ к

первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение, полярность которого показана на рисунке 2.80,а (без скобок). Через нагрузку протекает ток (рисунок 2.80,б), длительностью полупериода которого зависит от резонансной частоты, определяемой индуктивностью и емкостью элементов схемы. В момент времени t₁, когда ток в нагрузке меняет свое направление, включается тиристор

а - схема;

б – диаграмма напряжений и токов

Рисунок 2.80- Последовательный резонансный тиристорный инвертор

VS₂ и напряжение на нагрузке меняет свой знак (полярность показана на схеме рисунок 2.80,а в скобках), одновременно в нижней обмотке дросселя наводится ЭДС такой полярности, при которой катод тиристора VS₁ становится отрицательным по отношению к аноду. Это исключает одновременное отпирание тиристоров VS₁, VS₂.

На рисунке 2.80,б приведены кривые напряжений и токов в схему последовательного инвертора, работающего на резонансной частоте.

Дата добавления: 2014-01-04