Преобразователи постоянного тока

ЛЕКЦИЯ 3

Реверсивные преобразователи постоянного тока. Регулировочные характеристики. Преобразователи частоты с непосредственной связью

Инвертированием в силовой электронике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное, т.е. процесс, обратный выпрямлению. Устройства, осуществляющие такое преобразование, являются инверторами. Различают два типа инверторов:

• зависимые инверторы, или инверторы, ведомые сетью;

• независимые или автономные инверторы.

Автономный инвертор может работать при условии отсутствия на его выходе каких-либо источников переменного напряжения. При этом частота выходного напряжения автономного инвертора определяется частотой импульсов управления вентилями инвертора, а форма и величина выходного напряжения – характером и величиной нагрузки и в определенной мере – схемой автономного инвертора.

Различают три типа автономных инверторов:

1) инверторы тока;

2) резонансные инверторы;

3) инверторы напряжения.

ИНВЕРТОРЫ ТОКА

Инвертор тока – исторически первый тип автономного инвертора – ха-рактеризуется двумя отличительными энергетическими признаками. Во-первых, входная цепь инвертора тока есть цепь со свойствами источника по-стоянного тока, а функция вентилей инвертора сводится к периодическому переключению направления этого тока в выходной цепи инвертора. Значит, на выходе вентильного коммутатора будет переменный ток (или, образно 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 близким к нулевому внутренним динамическим сопротивлением, допускающим протекание через него скачкообразно меняющегося тока. Практически это обеспечивается включением на выход вентильного коммутатора конденсатора, что позволит уже подключить после него любую реальную нагрузку с индуктивностью, не допускающей скачков тока. Условная схема инвертора тока с механическим коммутатором показана на рис. 2.1.1, а, а диаграммы напряжений и токов на входе и выходе коммутатора – на рис. 2.1.1, б.

Переменный прямоугольный ток I ₂ на выходе коммутатора порождает переменное линейно изменяющееся напряжение на конденсаторе С. Коммутатор при этом выполняет функцию преобразования постоянного тока в переменный, т.е. в соответствии с (1.4.3) части 1

i ₂ =ψ_к i ₁, (2.1.1а)

где ψ_к – коммутационная функция коммутатора (вентильного комплекта), имеющая здесь вид прямоугольного колебания единичной амплитуды. Кроме того, в соответствии со вторым уравнением (1.4.3) части 1

u ₁ =ψ_к u ₂, (2.1.1б)

т.е. коммутатор еще выполняет и обратную функцию, т.е. преобразование переменного напряжения U ₂ на конденсаторе С в постоянное (выпрямленное) напряжение U ₁ в звене постоянного тока источника тока I. При этом в связи с отсутствием в примере потребления активной мощности с выхода инвертора среднее значение входного напряжения инвертора U ₁ равно нулю.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА

Принципиальная схема однофазного инвертора тока показана на рис. 2.1.2. Здесь функцию коммутатора выполняет однофазная мостовая схема на тиристорах. Режим источника тока на входе инвертора, получающего питание от источника напряжения U _вх, создан включением в цепь постоянного тока дросселя L_d с индуктивностью, достаточной для подавления возможных пульсаций входного тока. Нагрузка инвертора состоит из сопротивления R.

Рис. 2.1.2

Диаграммы токов и напряжений элементов инвертора показаны на рис. 2.1.3. Конденсатор С, помимо отмеченной функции энергетического буфера (по току) между выходом инвертора с разрывным током и нагрузкой, не допускающей в общем случае скачков тока в ней, имеет еще одну функцию.
Он обеспечивает искусственную коммутацию тиристоров инвертора, т.е. вы­ключение тиристоров под действием напряжения заряженного конденсатора, прикладываемого к тиристорам в обратном направлении. Так, при проводя­щих тиристорах Т1 и Т₄ диагонали моста конденсатор С заряжается от источ­ника входного напряжения U _вх в полярности «плюс» слева конденсатора и «минус» справа. Тогда при включении тири­сторов Т₂, Т₄ второй диагонали моста через них

к тиристорам Т ₁ и Т₂ скачком приложится обрат­ное напряжение и они выключатся. Конденсатор С теперь начнет перезаряжаться в обратную полярность, как видно из диаграмм на рис. 2.1.3, а за время действия t _сх на тиристоре обратного напряжения он должен успеть восстановить свои управляющие свойства.

Для получения внешних и регулировочных характеристик инвертора тока построим модель преобразователя в рамках метода АДУ(1). Зависимость выходного напряжения ин­вертора тока от частоты импульсов управления вентилями ω, которая может быть названа регулировочной характеристикой, т.е. здесь имеет место частот­ный способ регулирования величины

переменного напряжения, что не всегда приемлемо.

В инверторе тока показательна еще его входная характеристика, опреде­ляемая здесь как зависимость относительного среднего значения входного тока инвертора I_d от относительной проводимости нагрузки, т.е. I ^* _d = f где за базовый ток по-прежнему принят ток, равный отношению базового на­пряжения к базовому сопротивлению: График этой зависимости построен на рис. 2.1.5б.

Рис. 2.1.5 б

Таким образом, на основании выполненного анализа можно заключить, что инвертор тока:

. не допускает режимов холостого хода и имеет ограничение по пре­дельному значению тока нагрузки;

. имеет внешнюю характеристику с участком резкого спада напряжения;

. имеет форму выходного напряжения, зависящую от величины нагрузки (треугольная форма в режимах, близких к холостому ходу, и синусоидаль­ная - в режимах предельных нагрузок);

. является инерционным преобразователем, так как скорость изменения режима определяется скоростью изменения тока в реакторе с большой индук­тивностью L_d;

. не рационален для получения низких частот выходного напряжения, так как при этом возрастают массогабаритные показатели реактора и конден­сатора.

Для ослабления этих недостатков или даже устранения некоторых из них модифицируют классическую схему [13] так называемого параллельного ин­вертора тока за счет [14-22]:

. введения дополнительных конденсаторов на выходе инвертора;

. введения отсекающих вентилей;

. введения вентилей обратного тока;

. введения тиристорно-индуктивного регулятора;

Таким образом, автономные инверторы тока имеют следующие свойства:

• сильную 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;

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

• возможность уменьшения пределов изменения напряжения на внешней характеристике инвертора модифицированной схемы инвертора путем применения или выпрямителя обратного тока, или тиристорно-индуктивного регулятора; возможность снижения величины (а значит, и массогабаритных показателей) коммутирующей емкости за счет применения отсекающих вентилей; возможность улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора, особенно при низких частотах, методом широтно-импульсного формирования токов вентилей;

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

РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

Резонансными называются инверторы, у которых периодический характер электромагнитных процессов в нагрузке обусловлен колебательными свойствами LC -контура инвертора. При этом возможны три варианта композиции LC -контура и нагрузки:

• последовательное включение нагрузки в последовательный LC -контур – последовательные резонансные инверторы;

• параллельное подключение нагрузки к L или С LC -контура;

• подключение нагрузки параллельно к части С контура.

Эти три вида подключения нагрузки определяют три вида резонансных инверторов:

• параллельный;

• последовательно-параллельный;

• последовательный.

Кроме того, различают резонансные инверторы с закрытым входом, у которых индуктивность резонансного контура находится в цепи постоянного тока (на входе) инвертора, и с открытым входом, у которых эта индуктивность находится на стороне переменного тока инвертора (в выходной цепи).

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ

РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ЗАКРЫТЫМ ВХОДОМ

Схема параллельного резонансного инвертора аналогична схеме параллельного инвертора тока на рис. 2.1.2 и отличается только параметрами индуктивности реактора в звене постоянного тока. Из этой индуктивности и емкости на выходе инвертора образуется LC -контур, индуктивность и емкость которого разделены вентильным комплектом. Параметры колебательного контура и частота импульсов управления вентилями моста выбраны так, что ток во входном реакторе имеет прерывистый характер. Это обеспечивает естественное отключение тиристоров при спаде тока в них до нуля. Действительно, при включении в момент t 0 тиристоров Т1, Т4 конденсатор стремится зарядиться через индуктивность реактора до напряжения, превышающего напряжение входного источника (рис. 2.2.1).

Рис. 2.2.1

В момент t 1, когда колебательная полуволна тока реактора спадет до нуля, тиристоры Т1 и Т4 окажутся под обратным напряжением, равным разности напряжения на конденсаторе и напряжения входного источника. До момента времени t 2 конденсатор разряжается только током нагрузки. В момент времени t 2 включаются тиристоры Т2, Т3 второй диагонали моста. Если к этому моменту времени конденсатор не успел разрядиться до уровня напряжения входного источника, то тиристоры Т1, Т4 останутся под обратным напряжением до момента t 3 смены полярности напряжения на конденсаторе.

РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ОТКРЫТЫМ ВХОДОМ

КЛАССИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ

ИНВЕРТОРОВ (БЕЗ ОБРАТНЫХ ВЕНТИЛЕЙ)

Нулевая, полумостовая и мостовая схемы последовательных резонансных инверторов показаны на рис. 2.2.2. Все они работают, как и параллельные резонансные инверторы, в режиме прерывистого входного тока. Типовые диаграммы входного тока инвертора, напряжения на конденсаторе и тока нагрузки приведены на рис. 2.2.3.

Рис. 2.2.2

В отличие от параллельных инверторов здесь напряжение на конденсаторе колебательного контура не спадает во время нулевой паузы, но ток нагрузки имеет прерывистый характер. Аналитическое исследование прерывистого режима работы последовательного резонансного инвертора осложнено теми же трудностями, что и у параллельного резонансного инвертора, и поэтому здесь не приводится. С ним можно ознакомиться по монографиям [15] и прежним учебникам [9]. Да и сами эти схемы утрачивают свое доминирующее значение для создания преобразователей повышенной частоты из-за невозможности режима холостого хода и существенной зависимости режима работы от параметров нагрузки. Их потеснили схемы резонансных инверторов с вентилями обратного тока на тиристорах или на транзисторах, у которых нет ограничений, связанных с обеспечением времени на восстановление их управляющих свойств после интервала проводимости ими тока.

Рис. 2.2.3

РЕЗОНАНСНЫЕ ИНВЕРТОРЫ С ВЕНТИЛЯМИ

ОБРАТНОГО ТОКА

Тиристорные инверторы. Схема полумостового последовательного ре-зонансного инвертора на тиристорах с диодами обратного тока приведена на рис.2.2.4, а для случая доступности средней точки источника входного напря-жения и на рис. 2.2.4, б – вариант с расщепленным фильтровым (коммутирующим) конденсатором, когда средняя точка источника недоступна.

Рис. 2.2.4

Работают схемы аналогично. Сначала рассмотрим случай, когда частота импульсов управления тиристорами ниже частоты резонанса контура L к C к и он работает в режиме прерывистого тока (рис 2.2.5).

В момент времени t 1 включается тиристор Т1 и конденсатор С к заряжается в колебательном режиме до напряжения, близкого к двойному напряжению источника входного напряжения U вх/2. В момент времени t 2 зарядная полуволна тока через тиристор спадает до нуля и он закрывается. Конденсатор на интервале t 2 t 3 заряжается также в колебательном режиме через диод обратного тока D 1 на источник входного напряжения U вх. Величина остаточного напряжения на конденсаторе в момент времени t 3 зависит от соотношения волнового сопротивления колебательного контура ρк с сопротивлением нагрузки и в установившемся режиме равна взятому с обратным знаком начальному напряжению на конденсаторе в момент времени t 1.

В момент времени t 2 включается тиристор Т2 и происходят аналогичные процессы перезаряда конденсатора в отрицательную полярность через тиристор Т2 и диод D 2 до момента времени t 6. С момента времени t 7 начинается новый период формирования напряжения на конденсаторе.

В рассмотренном режиме прерывистого тока нагрузки включение и выключение тиристоров и диодов происходит при нулевых токах в них, что снижает потери на коммутацию. Время, предоставляемое на восстановление управляющих свойств тиристоров, равно времени протекания тока через диоды обратного тока (интервалы t 2 t 3 и t 5 t 6). Действующее или среднее по модулю выходное напряжение регулируют длительностью бестоковых пауз t 3 t 4, t 6 t 7, что достигается изменением частоты импульсов управления тиристорами. Такое регулирование связано с ухудшением качества выходного напряжения и обычно приемлемо, только если выходное напряжение инвертора подвергается дальнейшему преобразованию, обычно выпрямлению и фильтрации постоянного тока.

Качество выходного напряжения можно улучшить при режиме работы с непрерывным током нагрузки, временные диаграммы для этого случая показаны на рис. 2.2.6. Здесь включение тиристора Т2 в момент t 3 происходит раньше спада тока до нуля в диоде D 1, что возможно, так как к тиристору Т2 при проводящем диоде D 1 приложено прямое напряжение U вх. Уменьшение временного интервала t 2 t 3 приводит к увеличению остаточного напряжения на конденсаторе в момент его перезаряда в обратную полярность, что, естественно, вызовет рост амплитуды напряжения на конденсаторе. Значит, и в режиме непрерывного тока нагрузки регулирование частоты выходного напряжения инвертора будет регулировать величину выходного напряжения без того искажения формы, которое присуще режиму прерывистого тока. Другая возможность регулирования выходного напряжения инвертора при выполнении его по однофазной мостовой схеме, вентильный комплект которой подобен реверсивному ШИП на рис. 1.1.6, б, связана с однополярным широтно-импульсным регулированием выходного напряжения вентильного комплекта. Подробнее о широтно-импульсном регулировании см. в разделе 2.3.

В практических схемах таких инверторов нагрузка (обычно выпрямитель для получения постоянного напряжения другого уровня, чем U вх) подключается через выходной трансформатор Тр, как показано на рис. 2.2.7, а. В первом случае роль индуктивности колебательного контура будет практически выполнять суммарная индуктивность рассеивания обмоток трансформатора, если пренебречь влиянием индуктивности намагничивания трансформатора по сравнению с нагрузкой.

Во втором случае (рис. 2.2.7, б) приведенное сопротивление нагрузки ока-зывается включенным параллельно конденсатору. Ниже для этого случая включения нагрузки найдем внешнюю и регулировочную характеристики резонансного инвертора и качество его выходного напряжения, воспользовавшись методом АДУ. Для упрощения анализа сначала расчет сделаем по первой гармонике методом АДУ(1), а затем оценим методом АДУ2 степень искажения реальной кривой напряжения по коэффициенту гармоник напряжения.

По этому соотношению можно построить как внешние характеристики резонансного инвертора при , так и регулировоч-

ные характеристики. Семейства этих характеристик показаны соответственно на рис. 2.2.9 и 2.2.10.

Необходимо иметь в виду, что рабочие участки на этих характеристиках ограничиваются условием, чтобы время проводимости диода обратного тока (интервал t 2 t 3 на рис. 2.2.6) было больше времени, требуемого на восстановление управляющих свойств тиристоров t в, определяемого их типом и равного для высокочастотных тиристоров порядка 10…40 мкс.

Графики зависимости коэффициента гармоник от относительной частоты управления при показаны на рис. 2.2.11.

Параллельный резонансный инвертор критичен к максимальной нагрузке, но работоспособен на холостом ходу. Последовательный резонансный инвертор критичен к минимальной нагрузке, но сохраняет работоспособность при коротком замыкании нагрузки. Поэтому наилучшими свойствами в допустимом диапазоне изменения нагрузки априори должен обладать последовательно-параллельный резонансный инвертор, полумостовой вариант которого показан на рис. 2.2.12.

В отличие от L C колебательной цепи в ранее рассмотренных резонансных инверторах, здесь L CC колебательная цепь дает одну дополнительную степень свободы для формирования характеристик инвертора помимо обеспечения требуемых значений собственной частоты колебательного контура и его волнового сопротивления. Но опять остается проблема обеспечения времени, предоставляемого схемой на восстановление управляющих свойств тиристоров, анализ которого может быть сделан в общем случае только численно.

Дата добавления: 2014-01-07