Автономные инверторы

Лекция 27.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: назначение и виды автономных инверторов.

НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Автономные инверторы — это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних элект­рических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. На его выходе можно по­лучать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регули­ровать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронны­ми двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно примене­ние автономных инверторов в тяговых электроприводах электрово­зов, электропоездов, тепловозов.

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автоном­ные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими осо­бенностями процессов переключений тока. Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из кото­рых являются: уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления его запирающей способности, нарастание прямого тока во втором тиристоре. Эти события могут совершаться совместно или последовательно. Средства для осуществления надеж­ной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных про­блем в автономных инверторах. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые тран­зисторы и запираемые тиристоры). Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (однооперационные тиристоры), до­полненные специальными узлами принудительной коммутации, на­пример в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомо­гательных тиристоров.

Рассмотрим принцип работы автономного инвертора на примере простейшей однофазной схемы с использованием указанных выше средств коммутации (рис. 9.1).

Принцип работы инвертора на полностью управляемых приборах. Силовые транзисторы используются как ключи, получая сигналы уп­равления / по цепи базы от отдельной схемы управления СУ, постро­енной на основе генератора прямоугольных импульсов. Сигналы уп­равления, поступающие на транзисторы VT1 и F72, не совпадают по времени, что устраняет появление сквозного тока источника питания

Е. Предполагается, что один транзистор открывается в тот момент, когда другой закрывается, В схеме не требуется дополнительных ком­мутирующих устройств, так как транзисторы обладают свойством полной управляемости, и для включения и выключения достаточно управлять током их базовых цепей.

Рис. 9.1. Схемы и временные диаграммы работы однофазного автономного инвертора на транзисторах при работе на активную нагрузку (без обратных диодов) (а) и на активно-индуктивную нагрузку (с обратными диодами) (б)

Сигналы управления подаются на VT1, VT2 с периодом следова­ния Т. При активной нагрузке (см. рис. 9.1, а) поочередное включение транзисторов обуславливает приложение ЭДС источника Е к первич­ной обмотке трансформатора Т, выполненного с выведенной средней (нулевой) точкой 0. По первичным полуобмоткам протекают токи i₁₁, i₁₂. На вторичной обмотке возникает напряжение м₂ прямоугольной формы. Ток i₂ при активной нагрузке R повторяет форму кривой и₂ и переходит через нулевое значение одновременно с моментом переклю­чения транзисторов. При работе транзисторов в нулевой схеме в течение непроводящей части периода к ним прикладывается в прямом направлении напряжение 2Е.

В реальных схемах нагрузка носит, как правило, активно-индук­тивный характер (см. рис. 9.1, 6). Во время переключения транзисто­ров в такой схеме возникают условия, которые могут привести к большим перенапряжениям, поскольку ток в цепи с индуктивным элементом не может мгновенно изменить направление. Следователь­но, для предупреждения перенапряжения в схеме должна быть пред­усмотрена ветвь тока нагрузки на интервалах t₀ — t₁ t₂ — t₃ после переключения транзистора.

Для пропуска тока могут быть включены разнообразные устрой­ства, например резисторы, конденсаторы или дополнительные цепи с полупроводниковыми приборами. Наиболее экономичное решение было предложено выполнять по схеме с обратными диодами VD1, VD2, включенными встречно-параллельно основным (главным) тран­зисторам VT1, VT2 [4]. Для этого случая на рис. 9.1, б показаны формы напряжений и токов в схеме инвертора. В схеме с обратными диодами после переключения транзистора контур индуктивного тока нагрузки проходит через диод, включенный встречно ЭДС источника Е. Входной ток i_d инвертора на интервалах переключения тока (спа­дания тока нагрузки до нуля) протекает в обратном направлении, обеспечивая возврат в источник питания энергии, накопленной в дросселе L. Среднее значение тока I_d источника определяется потреб­лением энергии активным сопротивлением R цепи нагрузки. При иде­альной индуктивной нагрузке теоретически возможно I_d = 0.

Принцип работы инвертора на однооперационных тиристорах. Рас­смотрим схему инвертора, в которой требуются дополнительные эле­менты для осуществления коммутации. Схема однофазного инвертора на однооперационных тиристорах VT1, VT2 (рис. 9.2) называется параллельным инвертором [4] и строится по принципу коммутации тока с использованием конденсатора С, включенного параллельно цепи нагрузки.

Широко известная схема однофазного параллельного инвертора отличается от схемы (см. рис. 9.1) наличием дросселя в цепи постоян­ного тока с индуктивностью L_d и коммутирующего конденсатора емкостью С. В этой схеме принудительное выключение одноопераци

онных тиристоров VT1, VT2 осуществляется предварительно заряжен­ным коммутирующим конденсаюром. Коммутация тиристора VT1 начинается с момента (t₂, t₆), когда отпирается второй тиристор VT2, и конденсатор С, заряженный так, что верхняя обкладка положитель­на, обеспечивает обратное напряжение на запираемом тиристоре VT1. Интервалы времени (t₂ — t₃, t₆ — t₇ дляVT1; t₀ — t₁, t₄ —1₅ для VT2) должны быть не менее времени выключения тиристора.

Рис. 9.2. Схема параллельного автоном­ного инвертора и временное диаграммы напряжений и токов при активно-индук­тивной нагрузке

Для выполнения этого условия необходимо включить конденсатор такой емкости С, чтобы отводить ток нагрузки от тиристора на интервале времени выключения.

Дроссель L_d цепи постоянного тока такого инвертора обычно имеет достаточно большую индуктивность, чтобы исключить или су­щественно уменьшить пульсации подводимого постоянного тока i_d. При этом ток i_d переключения с одного тиристора на другой равно­значен току прямоугольной формы через тиристоры VT1 и VT2. Ток /₂ цепи RL-нагрузки имеет плавное изменение, и разность токов ти­ристора (источника) и нагрузки компенсируется током конденсатора i_с. Их алгебраическая сумма на каждом временном интервале равна нулю. Конденсатор заряжается на интервале, когда ток тиристора превышает ток нагрузки (приведенный к числу витков первичной обмотки трансформатора), и разряжается, если ток нагрузки превы­шает ток источника. В результате конденсатор перезаряжается дваж­ды за один период Т. Напряжение конденсатора м_с накладывается на ЭДС источника Е, и на выходе инвертора напряжение м_и содержит постоянную составляющую Е, и переменную составляющую, опреде­ляемую напряжением на конденсаторе и_с (см. рис. 9.2). Напряжение на входе и_и имеет значительные пульсации, возрастающие с уменьшени­ем емкости С при неизменных параметрах RL-нагрузки.

Расчет параллельного инвертора довольно сложен. Основные принципы, которые позволяют выполнить расчет, сводятся к следую­щему:

мощность, получаемая от источника постоянного тока, должна быть равна мощности, отдаваемой нагрузке:, где U₂ —эффективное значение напряжения нагрузки; так как кривые напряжений и токов несинусоидальны и со­держат ряд гармонических составляющих, то реактивные мощности основной и каждой высшей гармонической составляющей тока источника питания должны быть равны соответствующим состав­ляющим реактивной мощности всей цепи переменного тока на

выходе: — соответственно эффективные значения напряжения и тока источника, напряжения нагрузки и эквивалентное реактивное сопротивление, обусловленное элементами L и С, для гармонической составляющей порядка и;

в установившемся режиме среднее за интервал проводящего состо­яния каждого тиристора напряжение на полуобмотке первичной об­мотки трансформатора должно быть равно напряжению источника питания Е.

Классификация автономных инверторов. Исторически первыми применялись параллельные инверторы. Их схемы были разнообраз­ны. Затем стали применяться резонансные (последовательные) инвер­торы и инверторы с обратными диодами.

Имеется большое число различных схем, которые обладают при­знаками параллельных и последовательных инверторов и инверторов с обрашыми диодами. Более >до6ьо классифицировать автономные инверторы по характеру обмена электроэнергией между источником питания и потребителем. По данному признаку различают автоном­ные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ) и резонансные (АИР).

Из рассмотренных выше схем к АИН может быть отнесена схема, приведенная на рис. 9.1. Характерными признаками этой схемы явля­ются питание от источника напряжения, замыкание контура реактив­ного тока нагрузки через обратные диоды, независимость формы кривой напряжения на выходе инвертора от характера нагрузки.

Признаками АИТ в значительной мере обладает схема, приведен­ная на рис. 9.2. Для нее характерно питание от источника тока (в цепь источника включен дроссель значительной индуктивности L_d), обмен реактивной энергией нагрузки с коммутирующим конденсатором, значительное колебание напряжения на входе инвертора при посто­янном токе источника, зависимость формы кривой напряжения на выходе и на входе инвертора от характера нагрузки.

К резонансным инверторам могут быть отнесены последователь­ные инверторы.

В зависимости от числа переключений тока в процессе коммутации различают инверторы с одно- и двухступенчатой коммутацией. При одноступенчатой коммутации ток нагрузки с выходящего из работы тиристора сразу переключается на вступающий в работу очередной тиристор. Для двухступенчатой коммутации характерным является перевод коммутируемого тока на некоторый интервал времени во вспомогательную цепь, после которого ток переключается на очеред­ной главный тиристор.

В зависимости от числа фаз выходного напряжения автономные инверторы делятся на однофазные и многофазные, а по характеру связи с нагрузкой — на нулевые и мостовые. Наиболее широкое применение в тяговых электроприводах железнодорожного транспор­та и метрополитенов находят трехфазные мостовые схемы автоном­ных инверторов.

Дата добавления: 2014-01-07