7.8.2 Источники регулируемого переменного напряжения

Рассуждения о принципах регулирования, приведенные выше для регуляторов постоянного напряжения, справедливы и при создании регуляторов переменного напряжения. В качестве силового элемента в таких регуляторах используются ключи для переменного тока: симистор, два встречно-параллельно включенных тиристора и т.п. Схема регулятора переменного напряжения и диаграмма его работы приведены на рисун- ке 7.24 и особых пояснений не требует.

а б

а – функциональная схема; б – диаграммы работы

Рисунок 7.24 – Источник регулируемого переменного напряжения

Выходное напряжение регулятора отличается от синусоидального, но очевидно, амплитуда первой гармонии будет определяться величиной угла управления . На рисунке 7.25 приведена схема стабилизатора переменного напряжения. Она отличается от предыдущей наличием цепи обратной связи (Е2, Е3). Сигнал управления для ШИМ, равный разности опорного и действительного (выход Е2), вырабатывается с помощью ОУ (Е3), выполняющего функцию элемента сравнения и усилителя постоянного тока.

Рисунок 7.25 – Функциональная схема стабилизатора переменного напряжения

Контрольные вопросы к разделам 7.6 - 7.8

1. Варианты схем источников постоянного напряжения.

2. Схемы и принцип работы умножителей параллельного и последова­тельного типа.

3. Источники питания с регулируемым выходным напряжением.

4. Принцип фазового и фазоимпульсного управления работой тиристо­ров напряжения.

5. Источник регулируемого постоянного напряжения.

6. Источник регулируемого переменного напряжения.

7. Стабилизатор переменного напряжения.

7.9 Инверторы

Инверторы – это устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в переменное напряжение. Используются, когда необходимо: а) получение напряжения с частотой, отличной от сетевого (для питания переносного электрифицированного инструмента, для регулирования частоты вращения двигателей переменного тока); б) преобразование постоянного напряжения (солнечные батареи, термоэлектрические батареи и т.д.) в переменное напряжение; в) преобразование энергии постоянного тока в переменное напряжение с частотой сети (при реализации ЛЭП на постоянном токе, на электрифицированном транспорте).

Инверторы классифицируют: по типу используемых коммутирующих элементов (транзисторные – малой и средней мощности и тиристорные – большой мощности); по принципу коммутации – ведомые сетью и автономные; по роду преобразуемой величины – инверторы тока и напряжения.

Автономный инвертор напряжения (рисунок 7.26а) состоит из трансформатора TV, двух тиристоров (VS1, VS2), коммутирующего конден-

а б

в

а – инвертор напряжения; б – инвертор тока с отключающими диодами; в – резонансный инвертор с обратными диодами

Рисунок 7.26 – Автономные инверторы

сатора (С2), схемы управления и конденсатора большой емкости, обеспечивающего постоянство питающего напряжения при переключении тиристоров. С приходом управляющего импульса на VS1 он открывается. От "+" U_n; точки 2 обмотки W₁ TV; точка 1 обмотки W₁ TV; VS1, "-" U_n протекает ток, который наводит в обмотке W₃ TV напряжение. Одновременно происходит заряд конденсатора С2 по цепи: +U_n; точка 2 W₂ TV; точка 3 W₂ TV; С2; VS1. С приходом управляющего импульса на VS2 через него в начальный момент протекает ток по цепи: +U_n; W₂ TV; VS2; -U_n и, кроме того, ток разряда С2. Разряд С2 осуществляется через VS2 и VS1. Разряд­ный ток С2 через VS1 протекает в обратном направлении. В момент времени, когда сумма прямого тока VS1 и разрядного С2 станет меньше тока удержания VS1, он закроется. Далее конденсатор С2 заряжается до напря­жения питания, но его полярность будет противоположной предыдущей (показана в скобках). С приходом следующего управляющего импульса на VS1 он открывается, и С2 выключает VS2. Таким образом, открытие тиристоров осуществляется импульсами схемы управления, а закрытие с помощью конденсатора С2.

На рисунке 7.26б приведена схема автономного инвертора тока. Отличие заключается в наличии в цепи питания дросселя большой индуктивности, обеспечивающего неразрывность тока источника при переключении тиристоров. Работа такого инвертора аналогична работе предыдущей схемы. Существенным недостатком схем с двумя тиристорами является недопустимость их работы на холостом ходу из-за возникающих на конденсаторе и тиристорах перенапряжений при их переключении. Для устранения указанного недостатка применяют отсекающие диоды (VD1, VD2 рису- нок 7.26б). Включение диодов между коммутирующим конденсатором и обмоткой трансформатора препятствует разряду емкости через обмотку, исключая тем самым влияние нагрузки на работу инвертора. Схемы с отсекающими диодами обеспечивают устойчивую работу инвертора при любом виде нагрузки.

На рисунке 7.26в приведена схема резонансного автономного инвертора мостового типа. Такие инверторы используются для получения переменного напряжения повышенной частоты (до 100 кГц) и применяются преимущественно в электротермии для нагрева металлов и диэлектриков токами высокой частоты (ТВЧ).

Управляющие импульсы открывают поочередно пары тиристоров VS1,VS4 и VS2,VS3. Когда открыты VS1 и VS4, ток протекает по цепи: +U_n, VS1, R_н, L_н, C, VS4, -U_n, а когда открыты VS2 и VS3 – по цепи: +U_n, VS3, С, L_н, R_н, VS2, -U_n. Форма кривой тока нагрузки определяется колебательным процессом в контуре С, L_н. Чем выше добротность контура, тем ближе к синусоидальной будет форма кривой нагрузочного тока. Частота следования импульсов управления должна быть меньше резонансной частоты контура, это необходимо для того, чтобы перезаряд емкости закончился до отпирания очередной пары тиристоров. Такой режим искажает форму кривой и уменьшает мощность в нагрузке. Для устранения этого явления параллельно нагрузке включают конденсатор.

Если нагрузка активно-индуктивная, то ток через нагрузку не может изменяться скачком при переключении тиристоров и продолжает сохранять свое направление в течение некоторого времени. В эти интервалы времени ток через тиристоры протекать не может, так как одна пара тиристоров закрыта, а в открытой паре i_н имеет обратное направление.

Для устранения этого явления включают обратные диоды VD1...VD4, которые включают параллельно тиристорам в обратном направлении. Эти диоды обеспечивают прохождение тока в рассматриваемые промежутки времени.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии источника питания в переменное питание с частотой сети. Схема инвертора приведена на рисунке 7.27.

Для передачи электроэнергии от источника U_п в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора находились в противофазе, а ток и ЭДС источника постоянного тока в фазе. Подобный сдвиг фаз будет, если тиристоры будут открываться при отрицательной полярности U_2а и U_2б, при этом происходит поочередное подключение вторичных обмоток к источнику U_n.

Однако угол управления  = 180⁰ нельзя использовать, так как при этом второй тиристор не успеет закрыться (ему необходимо время на выключение). Если это условие не выполнено, то возникает короткое замыкание по цепи: источник питания открытые тиристоры, трансформатор. В связи с этим, угол управления делают меньше, чем 180⁰, на величину , называемый углом опережения. Запирание тиристоров происходит под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью перменного тока, а их открытие синхронизировано с сетевым напряжением.

Рисунок 7.27 – Однофазный ведомый сетью инвертор

При углах управления, меньших 90⁰, схема работает как выпрямитель. Если угол  = 90⁰, то выпрямления нет. Таким образом, данная схема в зависимости от угла управления может работать как преобразователь переменного напряжения в постоянное и наоборот. Это обстоятельство используют на электрифицированном транспорте. При обычном движении машина постоянного тока работает двигателем, а преобразователь в режиме выпрямления. При торможении машина работает генератором постоянного тока, а преобразователь в режиме инвертора, т.е. в сеть переменного тока поступает энергия, получающаяся при торможении. Такой процесс называется рекурперацией энергии. Рассмотренные схемы инверторов не являются единственными и в зависимости от решаемых задач используются различные модификации и более сложные схемы.