11. Автономные инверторы

Автономным (независимым) инвертором называется преобразователь электрической энергии постоянного тока в переменный, выходные параметры которого (фаза, амплитуда и частота) зависят от схемы преобразователя, схемы управления и от параметров нагрузки. Также как и выпрямители, инверторы различаются по мощности, числу фаз, способу регулирования выходного напряжения и другим менее существенным факторам. В зависимости от характера протекающих электромагнитных процессов различают три типа автономных инверторов:

1) Инверторы тока.

2) Инверторы напряжения.

3) Резонансные инверторы.

11.1. Автономный инвертор тока

А втономный инвертор тока формирует в нагрузке ток (обычно прямоугольные импульсы), а форма и фаза напряжения в нагрузке зависит от параметров нагрузки. Схема однофазного автономного инвертора тока представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Однофазный автономный инвертор тока

Для получения переменного тока в нагрузке тиристоры работают попарно VS1-VS3 и VS2-VS4. Источник постоянного тока U работает в режиме генератора тока, для чего на входе инвертора включается дроссель L большой индуктивности. В интервале между коммутациями тиристоров ток в дросселе L изменяется незначительно. Ключевые элементы (тиристоры) изменяют только направление, но не мгновенное значение тока в нагрузке, так что нагрузка питается как бы от источника тока.

Нагрузка инвертора тока должна носить ёмкостный характер для обеспечения коммутации тиристоров, то есть параллельно (или последовательно) с нагрузкой должен быть включён конденсатор С.

Конденсатор С обеспечивает подачу встречного напряжения на тиристоры, заканчивающие работу, в тот момент, когда схема управления открывает тиристоры, вступающие в работу. Следовательно, в инверторе тока можно использовать обычные (не запираемые) тиристоры.

Временная диаграмма работы автономного инвертора тока представлена на рис. 11.2.

Переключение тиристоров производится схемой управления, которая задает частоту выходного переменного напряжения. В момент коммутации в течение времени t_c между анодом и катодом закрывающихся тиристоров поддерживается отрицательное напряжение, поступающее с конденсатора С.

Р ис. 11.2. Временная диаграмма работы автономного инвертора тока

В режиме холостого хода, когда конденсатор С заряжается до напряжения U, инвертор не работает, так как тиристоры перестают открываться. При большом токе нагрузки, когда напряжение на конденсаторе С быстро уменьшается (сокращается время t_с), может произойти опрокидывание, то есть тиристоры, выходящие из работы, не успеют закрыться. При опрокидывании ток в цепи будет ограничен только активным сопротивлением дросселя L. Следовательно, автономный инвертор тока может работать в ограниченном диапазоне токов нагрузки. Время t_с, выраженное в долях синусоиды выходного переменного напряжения, можно рассматривать как угол . Для нормальной работы инвертора должно выполняться условие

, (11.1)

где  = 2f – угловая частота выходного напряжения, t_выкл – время выключения применяемого в схеме тиристора.

Угол  можно также выразить следующим образом:

, (11.2)

где Y_C = C – модуль проводимости конденсатора С, Y_Н = 1/Z_Н – модуль проводимости нагрузки, .

Напряжение на нагрузке и необходимую величину ёмкости конденсатора С можно представить в виде функций параметров нагрузки, полученных из баланса активных и реактивных мощностей:

P_Н = U_dI_d = U_НI_Нcos ;

Q_Н = P_Нtg ;

,

где Р_Н – активная мощность нагрузки, Q_С – реактивная мощность конденсатора С, Q_Н – реактивная мощность нагрузки, Q_И – реактивная мощность, потребляемая инвертором.

Действующее значение переменного напряжения основной гармоники в нагрузке

.

Учитывая выражение (11.2) для tg можно записать:

. (11.3)

Это уравнение внешней характеристики однофазного автономного инвертора тока, только в качестве переменного параметра здесь фигурирует не ток нагрузки, а проводимость нагрузки Y_Н.

Необходимая величина ёмкости конденсатора С может быть вычислена по формуле

. (11.4)

Р ассмотрим графики зависимости выходного напряжения инвертора и угла  от параметров нагрузки и величины ёмкости конденсатора С, представленные на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Графики зависимости от параметров нагрузки:

а - выходного напряжения инвертора; б - угла 

Как видно из графика, внешняя характеристика инвертора круто падающая.

Проанализируем режим работы тиристоров.

Максимальные значения прямого и обратного напряжения на тиристорах:

; .

Максимальное, среднее и действующее значения токов тиристоров:

I_max = I_d = P_d/U_d; I_a = I_d/2 = P_d/2U_d; I_д = I_d/2.

Частота выходного переменного напряжения также не может изменяться в широких пределах, так как индуктивность дросселя L имеет конечное значение, и с уменьшением частоты дроссель уже не сможет поддерживать в схеме режим генератора тока.