
- •Электронная и преобразовательная техника
- •Оглавление
- •Раздел 1 неуправляемые выпрямители 89
- •Раздел 2 управляемые выпрямители 116
- •Раздел 3 Многозонный преобразователь 141
- •Раздел 4 автономные инверторы 167
- •Раздел 5 Ведомые сетью инверторы 216
- •Раздел 6 Трёхфазные выпрямители 228
- •Раздел 1 неуправляемые выпрямители 89
- •Раздел 2 управляемые выпрямители 116
- •Раздел 3 Многозонный преобразователь 141
- •Раздел 4 автономные инверторы 167
- •Раздел 5 Ведомые сетью инверторы 216
- •Раздел 6 Трёхфазные выпрямители 228
- •Введение
- •Раздел 1 неуправляемые выпрямители
- •1.1. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом
- •1.1.1. Работа выпрямителя при активной нагрузке
- •1.1.2 Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке
- •1.1.3. Работа выпрямителя при активно-ёмкостной нагрузке
- •1.1.4. Работа выпрямителя на противоэдс
- •1.2. Однофазный мостовой выпрямитель
- •1.2.1. Сравнительный анализ схем выпрямления
- •Контрольные вопросы
- •Раздел 2 управляемые выпрямители
- •2.1. Однофазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом
- •2.1.1. Работа выпрямителя при активной нагрузке
- •2.1.2. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке
- •2.1.3. Анализ энергетических показателей управляемого выпрямителя
- •2.1.4. Управляемый выпрямитель с нулевым вентилем
- •2.1.5. Мостовой выпрямитель с неполным числом управляемых вентилей
- •2.1.6 Процесс коммутации в схеме управляемого выпрямителя
- •Контрольные вопросы
- •Раздел 3 Многозонный преобразователь
- •3.1. Управление выпрямительно-инверторным преобразователем
- •3.2. Режим выпрямления
- •3.2.1. Ограничения на формирование импульсов управления
- •3.3. Режим инвертирования (рекуперации)
- •3.3.1. Ограничения на формирование импульсов управления
- •Контрольные вопросы
- •Раздел 4 автономные инверторы
- •4.1. Автономный инвертор тока
- •4.2. Параллельный инвертор тока
- •4.3. Инвертор тока с отсекающими диодами
- •4.4. Трёхфазный аит с «отсекающими» диодами
- •Процесс коммутации в трёхфазном аит
- •4.5. Автономный инвертор напряжения
- •4.6. Трёхфазный автономный инвертор напряжения
- •4.7. Регулирование напряжения инверторов
- •4.7.1. Метод широтно-импульсного регулирования
- •4.7.2. Метод широтно-импульсной модуляции
- •4.8. Четырехквадрантный преобразователь
- •Контрольные вопросы
- •Раздел 5 Ведомые сетью инверторы
- •5.1. Процесс инвертирования тока
- •5.2. Работа мостового ведомого сетью инвертора
- •Контрольные вопросы
- •Раздел 6 Трёхфазные выпрямители
- •6.1. Трёхфазный выпрямитель с нулевым выводом
- •6.1.1. Работа выпрямителя при активной нагрузке
- •6.1.2. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке
- •6.2. Трёхфазный мостовой выпрямитель
- •6.3. Трёхфазный мостовой управляемый выпрямитель
- •6.3.1. Учет коммутации в схеме трёхфазного управляемого выпрямителя
- •6.4. Энергетические характеристики трёхфазных выпрямителей
- •6.5. Преобразователь частоты с непосредственной связью
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Рекомендуемый библиографический список
4.2. Параллельный инвертор тока
Рассмотрим работу автономного инвертора тока на примере схемы параллельного инвертора (рис. 4.2, а). В отличие от схемы автономного инвертора (рис. 4.1, а) вместо ключей S1–S4 здесь используются тиристоры VS1–VS4. При обеспечения условия закрытия тиристоров во время коммутации параллельно цепи активно-индуктивной нагрузки включен коммутирующий конденсатор Ск. Схема такого инвертора получила название параллельного инвертора тока. Ток нагрузки iн, протекающий в неразветвленной части цепи, состоит из суммы токов активно-индуктивной iL и ёмкостной iC ветвей.
Интервалы проводимости тиристоров совпадают с интервалами замыкания соответствующих ключей в схеме (рис. 4.1, а). В рассматриваемой схеме частота работы инвертора определяется периодом Т подачи управляющих импульсов на плечи VS1, VS4 и VS2,VS3 тиристорного моста VS1–VS4 (рис. 4.2, б, в).
Принципиально работа параллельного инвертора тока не отличается от вышерассмотренной схемы (рис. 4.1). Здесь на первом интервале времени (0 – Т/2) ток нагрузки iн, имеющий прямоугольную форму, замыкается через входную цепь инвертора и тиристоры VS1, VS4. На втором интервале (Т/2 – Т) при включении тиристорных плеч VS2, VS3 ток iн протекает через цепь нагрузки уже в противоположном направлении (рис. 4.2, г).
Рис. 4.2. Параллельный инвертор тока: а – схема инвертора, б–д – диаграммы напряжения и токов
Рассмотрим более подробно работу тиристорных плеч моста VS1–VS4. Выясним форму тока и напряжения, например, тиристоров VS1, VS4 и определим условия их закрытия. На интервале 0 – Т/2 вентили находятся в проводящем состоянии и подключают цепь нагрузки к входной цепи инвертора. В этом случае в последовательной цепи, включающей и эти тиристоры, протекает ток Id, определяемый током входного источника тока Ed. Поэтому на этом интервале времени ток тиристоров iVS1,4 равен току Id (рис. 4.2, д). Учитывая малую величину падания напряжения на открытом тиристоре, будем считать, что на этом интервале напряжение на uVS1,4 равно нулю.
Кроме этого, на рассматриваемом интервале через открытые вентили VS1, VS4 коммутирующий конденсатор Ск подключается к входной цепи инвертора и заряжается с полярностью напряжения, показанной на рис. 4.2, а.
На следующем интервале времени в работе оказывается другая пара вентилей VS2, VS3, а тиристоры VS1, VS4 переходят в непроводящее состояние. Поскольку в контур коммутации вентилей не входит индуктивность нагрузки Lн, процесс переключения вентилей происходит практически мгновенно. В момент переключения вентилей: t = Т/2 напряжение на нагрузке uн, определяемое напряжением на конденсаторе Cк, положительно и равно U0. Если пренебречь падением напряжения на открывшихся тиристорах VS2, VS3, напряжение коммутирующего конденсатора Ск через эти вентили прикладывается к закрывающимся вентилям VS1, VS4. При полярности напряжения конденсатора Ск, указанной на рис. 4.2, а, это напряжение является обратным для закрывающихся вентилей, так как «плюс» напряжения конденсатора Ск прикладывается к катоду, а «минус» – к аноду вентилей VS1, VS4. Таким образом, на интервале tβ тиристоры VS1, VS4 находятся под обратным напряжением, определяемым напряжением коммутирующего конденсатора Ск. В соответствии с этим кривая напряжения на вентилях VS1, VS4 в начале полупериода T/2 – T имеет отрицательное значение (рис. 4.2, д).
Определим необходимую величину ёмкости коммутирующего конденсатора Ск, обеспечивающего условие закрытия тиристоров инвертора:
tβ > tвыкл. (4.5)
Для этого воспользуемся эквивалентной схемой замещения цепи нагрузки (рис. 4.3, а).
Входная цепь инвертора представлена в
виде генератора с прямоугольной формой
кривой тока
,
питающего всю цепь нагрузки. Прямоугольный
ток генератора создает на нагрузке
переменное напряжение uн,
не совпадающее по фазе с током
.
Последовательная активно-индуктивная
ветвь нагрузки представлена на рисунке
в виде параллельного соединения,
эквивалентного индуктивности Lэкв,
и активного сопротивления Rэкв.
Рис. 4.3. Эквивалентная схема цепи нагрузки (а) и соответствующая ей векторная диаграмма (б)
Схеме замещения соответствует векторная диаграмма (рис. 4.3, б). Далее ограничимся учетом только первых (основных) гармоник тока и напряжения. В номинальном режиме работы инвертора влиянием небольших по значению высших гармоник можно пренебречь. Вектор активной составляющей тока нагрузки iна совпадает по фазе с напряжением нагрузки uн, а реактивная составляющая тока нагрузки iL, имеющая индуктивный характер, отстает на 90 эл. град от напряжения uн. В результате сложения токов iна и iL вектор эквивалентного тока нагрузки iн экв отстает от напряжения uн на некоторый угол α. Ток коммутирующего конденсатора iс опережает на 90 эл.град приложенное к нему напряжение нагрузки uн. В результате сложения этого тока с эквивалентным током нагрузки iн экв получаем результирующий вектор тока нагрузки iн, протекающий в неразветвленной части ее цепи. Фаза этого тока опережает вектор напряжения uн на некоторый угол β, необходимый для закрытия тиристоров инвертора.
Установим значение емкости коммутирующего конденсатора Ск, обеспечивающего опережающий характер тока нагрузки и выполнение условия (4.5). Из векторной диаграммы (рис. 4.3, б) следует, что это условие выполняется в том случае, если ток конденсатора iс превышает значение реактивной составляющей тока нагрузки iL, т. е. при ic > iL. Значения этих токов определяются по известным формулам:
;
, (4.6)
где ω=
=
– угловая частота тока нагрузки.
Условие соотношения токов iс и iL можно записать в виде:
или
,
откуда
. (4.7)
Таким образом, условие закрытия тиристоров (4.5) выполняется при емкости коммутирующего конденсатора Ск, удовлетворяющего условию (4.7).
Рассмотрим работу параллельного инвертора тока при различных параметрах цепи нагрузки. Для этого воспользуемся возможностями пакета прикладных программ Design Lab [13], позволяющего осуществлять математическое моделирование различных электрических схем.
Результаты моделирования работы параллельного инвертора тока при малом, среднем и большом сопротивлении цепи нагрузки приведены на рис. 4.4 [6]. При расчете элементы цепи инвертора имели следующие значения: Ed = 50 В, Ld = 1,2 Гн и Cк = 525 мкФ. Параметры цепи нагрузки составляли: Rн = 1,0 Ом, Lн = 30 мГн – при большой нагрузке: Rн = 0,2 Ом, Lн = 20 мГн – при средней нагрузке и Rн = 2,0 Ом, Lн = 0,75 мГн – при малой нагрузке. Сопротивление нагрузки основной гармоники инвертора 50 Гц составило: 9,47; 6,28 и 2,01 Ом соответственно.
Рис. 4.4. Диаграммы напряжения на нагрузке uн и вентиле инвертора uVS при малой (а), средней (б) и большой (в) нагрузках
Из анализа рис. 4.4 следует, что параметры цепи нагрузки в значительной степени влияют на характер электромагнитных процессов и определяют величину и форму напряжения нагрузки uн. При этом форма тока нагрузки iн в неразветвленной части цепи остается прямоугольной при различных ее параметрах. При средней величине нагрузки напряжение uн имеет практически синусоидальную форму. Так, расчеты на модели показали, что коэффициент несинусоидальности напряжения нагрузки uн и коэффициент гармоник тока iL, протекающего в цепи активно-индуктивной нагрузки, составили 0,0076 и 0,006 соответственно. Увеличение или уменьшение нагрузки приводит к искажению формы выходного напряжения инвертора uн. В первом случае напряжение приближается к прямоугольной, а во втором – к треугольной форме. Из рис. 4.4 видно, что уменьшение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение угла β, необходимого для восстановления управляющих свойств тиристоров. При малых нагрузках, близких к режиму короткого замыкания, это может привести к нарушению соотношения (4.5) и срыву процесса инвертирования.
Выше установлено, что во входной цепи инвертора должно выполняться условие (4.2). В соответствии с ним при постоянной величине напряжения источника Ed увеличение угла β вызывает одновременное увеличение напряжения на нагрузке uн. В этой связи амплитуда напряжения uн (рис. 4.4, а) более чем в 7 раз превышает амплитуду напряжения на рис. 4.4, в. При больших напряжениях нагрузки заряд коммутирующего конденсатора Ск должен происходить при больших входных токах Id, что ухудшает коммутацию тока тиристоров и увеличивает потери мощности в цепи инвертора.
Таким образом, для автономного инвертора тока характерны следующие особенности его работы.
1. Величина и форма выходного напряжения инвертора uн определяются величиной нагрузки. Близкая к синусоидальной форма выходного напряжения инвертора сохраняется в ограниченном диапазоне значений параметров цепи нагрузки.
2. Работа инвертора тока невозможна в режимах, близких к режиму холостого хода в силу трудностей, связанных с перенапряжениями, которые вызывают сложности с перезарядом коммутирующего конденсатора и коммутацией тиристоров инвертора.
3. Невозможно также обеспечить надежное закрытие тиристоров инвертора в режимах, близких к короткому замыканию, поскольку время приложения к тиристору обратного напряжения оказывается меньше времени, необходимого для его выключения.