9.5. Общие сведения о преобразователях постоянного напряжения в переменное

Для нормального функционирования устройств промышленной электроники при их питании от первичных источников, вырабаты­вающих энергию постоянного тока только одного напряжения, тре­буются преобразователи постоянного напряжения. С их помощью получают либо требуемое переменное напряжение, либо постоянное напряжение заданного значения, либо несколько постоянных на­пряжений разных значений.

Преобразователи, у которых на выходе имеется переменное напряжение, называют инверторами. Преобразователи, имеющие на выходе постоянное напряжение одного или нескольких значений, называют конверторами.

Прогресс в области разработок и применения МГД-генераторов и нетрадиционных, источников электроэнергии – топливных эле­ментов, термоэлектрических и солнечных батарей – вызвал потреб­ность в преобразователях постоянного напряжения.

Основными элементами инверторов и конверторов являются коммутирующие приборы (устройства), которые периодически преры­вают ток или изменяют его направление. В качестве коммутирую­щих приборов в настоящее время применяют «бесконтактные ключи» – транзисторы и тиристоры, работающие в режиме «от­крыт – закрыт», благодаря чему к. п. д. инверторов и конверторов очень высок и может достигать 99 %. К этому следует добавить, что полупроводниковые ключи и преобразователи на них имеют малые габариты, массу и стоимость, большой срок службы.

9.6. Инверторы

Инверторы классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются:

1) тип коммутирующих приборов – тиристорные и транзистор­ные инверторы;

2) принцип коммутации – ведомые сетью и автономные инвер­торы;

3) род преобразуемой величины – инверторы тока и инверторы напряжения.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют пре­образование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

На рис. 9.12, a изображена схема такого инвертора, представляющая собой одно­фазный двухполупериодный инвертор с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Между средней точкой О и узлом С включен источник постоянной э. д. с. Е. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол уп­равления α < 90° (рис. 9.12, б). При α = 90° среднее значение выпрямленного напряже­ния равно нулю.

Рис.9.12. Схема однофазного двухполупериодного ведомого интервала, работающего выпрямителем (а), временные диаграммы напряжений при фиксированных углах управления α (б)

Для передачи электроэнергии, выраба­тываемой источником Е, в сеть перемен­ного тока необходимо, чтобы токи вторичных обмоток и на­пряжение U₁ находились в противофазе (см. рис. 9.12, а ). Подобный сдвиг фаз возможен в том случае, если тиристоры V1,V2 по­очередно будут открываться при отрица­тельной полярности напряжений и_2a и u_2b (см. рис. 9.12, а). При этом происходит пооче­редное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е.

Однако здесь надо учитывать следующие обстоятельства: если очередной тиристор от­пирать точно при угле управления α=180°, то при этом другой тиристор не успеет закрыться, так как для этого ему нужно время, равное t_выкл. Тогда запирающийся тирис­тор за это время создаст короткое замыкание по цепи, вторич­ная обмотка трансформатора — источник Е. Указанное явление называют, срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы устранить этот нежелательный процесс, необходимо сделать угол управления α меньше 180° на угол β, называемый углом опере­жения отпирания (см. рис. 9.12, б). Запирание и отпирание тиристоров происходит под воздействием напряжения вторичной обмотки транс­форматора, создаваемого сетью переменного тока. Поэтому такой инвертор называют инвертором, ведомым сетью.

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины посто­янного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие электроэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекуперацией.

Для перевода устройства из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо, чтобы генератор Е включался с полярностью, обратной полярности при выпрямлении, и при этом обеспечивалось появление токов через открытые тиристоры при отрицательной полярности напряжений u_2а, u_2в.

Следует отметить еще один способ пе­рехода от выпрямления к инвертирова­нию и наоборот, который широко приме­няется для управления скоростью и на­правлением вращения двигателей. Этот способ, являющийся наиболее экономич­ным, используется в реверсивных пре­образователях (рис. 9.13). При этом способе тиристоры подключены к двум вторичным трехфазным обмоткам силового трансформатора, соединенных зигзагом. Выходы преобразователей П1 и П2 соединяют с зажимами машины М встречно, т. е. аноды тиристоров П1 подключают к минусовому зажиму машины, а аноды тиристоров П2 – к плюсовому зажиму. При указанном соединении преобразователь П1 работает в выпрямительном режиме, а преобразователь П2 — в инверторном режиме, который и обеспечивает генераторное торможе­ние двигателя, а следовательно, изменение частоты вращения.

Рис. 9.13. Схема преобразователя для реверсивного электропривода постоянного тока

Для изменения направления вращения, двигателя (реверс) изменяют функции преобразователей, т. е. преобразователь П1 будет работать как инвертор, а преобразователь П2 – как выпрямитель.

Для обеспечения безаварийной работы нельзя допускать, чтобы постоянное напряжение генератора Е увеличивалось, а переменное напряжение сети уменьшалось.

На рис. 9.14 представлено семейство внешних характеристик инвертора, ведомого сетью: U_н = f(I_н ) при фиксированных зна­чениях угла β. Эти характеристики имеют нара­стающий ход, т. е. с ростом тока увели­чивается напряжение на инверторе. От­метим, что инвертор при значительных углах β может работать при больших нагрузочных токах.

Рис. 9.14. Семейство внешних характеристик инвертора, ведомого сетью, при фиксированных значениях угла опережения β

Автономные инверторы осуществляют пре­образование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работа­ют на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо иметь переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии – топливные элементы, МГД-генераторы, термо и фотоэлектриче­ские генераторы, контактная сеть электрического транспорта, ак­кумуляторы и т. д.

Автономный резонансный инвертор (АИР) применяют для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (10^3-5 Гц). АИР используют в электротермических установках для плавки и нагрева металлических и других изделий. Процес­сы, происходящие в АИР, харак­теризуются колебательными про­цессами в резонансном контуре. Такой контур получается при па­раллельном или последовательном подключении конденсатора к активно-индуктивной нагрузке. На практике чаще применяют после­довательное или последовательно-параллельное включение конден­саторов.

АИР выполняют по однофазной мостовой схеме с использованием транзисторов, радиоламп и тиристоров рис. 9.15. Тири­сторы включены по мостовой схеме. Управляющие импульсы от­крывают поочередно пары тиристоров V1, V4 и V2, V3. Форма кривой нагрузочного тока i_a определяется колебательным процес­сом в контуре. При этом чем выше добротность LC-контура, тем ближе к си­нусоидальной будет форма нагрузочного тока.

Рис. 9.15. Схема автоматического резонансного инвертора с последовательным включением конденсатора

С приходом первого управляющего импульса, когда открыта пара тиристоров V1 и V4, ток от плюсового зажима источника питания Е через нагрузку и конденсатор С направлен к минусо­вому зажиму источника, заряжая при этом конденсатор С (знаки заряда на обкладках конденсатора указаны без скобок). При по­явлении второго управляющего импульса, который открывает тиристоры V2, V3, конденсатор С разряжается через нагрузку и открытые тиристоры V2 и V3. В это же время напряжение на конденсаторе С через открытые тиристоры V2, V3 подключается к тиристорам V1, V4 обеспечивая их запирание. После запи­рания тиристоров V2 и V4 начинается перезарядка конденса­тора, по окончании которой знаки заряда на обкладках конден­сатора указаны в скобках; далее процессы повторяются.

В рассматриваемом инверторе частота управляющих сигналов U_у должна быть меньше собственной частоты последовательного контура ω₀. Это необходимо для того, чтобы перезарядка конден­сатора заканчивалась до отпирания очередной пары тиристоров в инверторе. При этом в нагрузочном токе создаются паузы, в течение которых очередная пара тиристоров должна успеть за­крыться.