4.3. Инвертор тока с отсекающими диодами

Как было установлено ранее (подразд. 4.2), автономный инвертор тока имеет существенный недостаток, связанный с резким возрастанием напряжения на коммутирующем конденсаторе при уменьшении параметров цепи нагрузки (рис. 4.4). Для его устранения необходимо использовать конденсаторы только для выключения тиристоров, отделяя их от цепи нагрузки «отсекающими» диодами. Схема такого инвертора показана на рис. 4.5. Отсекающие диоды VD1–VD4 включены между тиристорами VS1–VS4 и нагрузкой z_н. Таким образом коммутирующие конденсаторы С_к1,С_к2 отделены от цепи нагрузки диодами VD1–VD4.

Рис. 4.5. Инвертор тока с «отсекающими» диодами:

а – схема инвертора, б, в, г, д, е – диаграммы напряжений и токов

Рассмотрим работу инвертора на отдельных интервалах времени, которым соответствуют схемы замещения (рис. 4.6, а, б, в, г) и диаграммы напряжений и токов, показанные на рис. 4.5, б, в, г, д, е. Управление инвертором осуществляется в соответствии с очередностью подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора (рис. 4.5, б, в).

В течение первого полупериода (0 – Т/2) в проводящем состоянии находятся тиристоры VS1, VS4. Ток нагрузки i_н замыкается через входную цепь инвертора и вентили VS1, VD1 и VS4, VD4.

Схема замещения инвертора для этого интервала времени показана на рис. 4.6, а.

Величина тока нагрузки i_н=I_d на большей части полупериода определяется током I_d входного источника. Во втором полупериоде (Т/2-Т) после включения тиристоров VS2, VS3 образуется цепь тока нагрузки через вентили VS2, VD2 и VS3, VD3. Этому интервалу времени соответствует мгновенная схема замещения инвертора, показанная на рис. 4.6, г. Переключение тиристоров изменяет направление тока в цепи нагрузки i_н на противоположное. На этих интервалах при L_d = ∞ ток нагрузки не имеет пульсаций, поэтому напряжение u_н на активно-индуктивной нагрузке z_н определяется падением напряжения на ее активном сопротивлении R_н.

Рис. 4.6. Схемы замещения инвертора тока с «отсекающими» диодами

Переход одной схемы замещения инвертора к другой происходит в начале каждого полупериода за время интервалов коммутации γ₁ и γ₂, в течении которых осуществляется изменение направления тока i_н и полярности напряжения u_н нагрузки (рис. 4.5, г).

Рассмотрим процесс коммутации в схеме инвертора на примере интервала γ₂, которому соответствуют схемы замещения (рис. 4.6, б, в) и диаграммы токов и напряжений (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Диаграммы напряжений и токов во время коммутации

Перед началом коммутации конфигурация схемы инвертора имеет вид, показанный на рис. 4.6, а. Коммутирующие конденсаторы С_к1, С_к2 заряжены с полярностью напряжения, показанной на этом рисунке. Процесс коммутации начинается в момент t = T/2 подачи управляющих импульсов на тиристоры VS2, VS3. После их открытия происходит коммутация тока I_d с тиристоров VS1, VS4 на смежные тиристоры VS2, VS3. Коммутация осуществляется за счет напряжения коммутирующих конденсаторов С_к1, С_к2, которое является прямым – для вступающих в работу тиристоров VS2, VS3 и запирающим – для ранее проводивших ток вентилей VS1, VS4. Поскольку в контуре коммутации отсутствует индуктивность, процесс переключения тиристоров происходит практически мгновенно. После окончания коммутации схема замещения инвертора принимает вид, показанный на рис. 4.6, б. Ток цепи нагрузки замыкается через тиристоры VS2, VS3 и диоды VD1, VD4, при этом величины, направление тока i_н и полярность напряжения u_н нагрузки остаются прежними. В цепи инвертора протекает постоянный по величине ток: i_с = i_н = I_d (рис. 4.6, б), перезаряжающий коммутирующие конденсаторы и создающий на нагрузке постоянное по величине падение напряжения: u_н = I_d  R_н (интервал Т/2 – t₁ на рис. 4.7). На этом интервале напряжение на конденсаторах изменяется по линейному закону:

. (4.8)

Во время перезаряда конденсаторов к отсекающим диодам VD2, VD3 прикладывается положительное напряжение нагрузки и запирающее, отри­цательное по знаку, напряжение конденсаторов C_к1, C_к2 (рис. 4.6, в). При i_н = I_d = const напряжение u_н остается неизменным, а величина напряжения конденсаторов u_ск уменьшается. Превышение напряжения нагрузки уменьшающегося напряжения коммутирующих конденсаторов в момент t₁ (рис. 4.7) приводит к появлению положительной величины анодного напряжения на вентилях VD2, VD3 и их открытию. После этого в проводящем состоянии оказываются все диоды VD1–VD4 инвертора. На интервале t₁ – t₂ входной ток инвертора разделяется на ток нагрузки I_d и токи, протекающие в цепи конденсаторов. Ток заряда коммутирующих конденсаторов i_c замыкается через цепи отсекающих диодов, за это время происходит изменение направление тока i_н в цепи нагрузки (рис. 4.7). В результате перезаряда напряжение на конденсаторах меняет полярность, которая показана в скобках (рис. 4.6, б). После заряда конденсаторов до величины U_co (t₂ на рис. 4.7) ток конденсаторов i_с уменьшается до нуля, что приводит к закрытию вентилей VD1, VD4; конфигурация схемы инвертора принимает вид, показанный на схеме замещения (рис. 4.6, г). На интервале t₁ – t₂ открытые вентили VD2, VD3 образуют цепь параллельного соединения коммутирующих конденсаторов и нагрузки, поэтому напряжение нагрузки u_н на этом интервале повторяет форму напряжения u_н конденсатора. Это вызывает некоторое увеличение напряжения u_н на интервалах коммутации γ₁ и γ₂.

Вентили VS1, VS4 находятся в проводящем состоянии на первом интервале работы инвертора, на интервале Т/2 – Т они переходят в закрытое состояние. За счет открытия смежных вентилей VS2, VS3 к тиристорам VS1, VS4 прикладывается напряжение u_cк коммутирующих конденсаторов. Это напряжение на интервале t_выкл является обратным для закрывающихся вентилей VS1, VS4, его продолжительность определяется временем уменьшения напряжения коммутирующих конденсаторов от U_со до нуля. После завершения процесса перезаряда конденсаторов в момент t₂ (рис. 4.7) напряжение на их обкладках достигает величины U_со и остается неизменным (рис. 4.5, д) до наступления очередной коммутации тиристоров. При этом, согласно схемам (рис. 4.6, а, г), один из выводов конденсаторов С_к1, С_к2 оказывается отключенным отсекающими диодами от остальной цепи инвертора. Таким образом, коммутирующие конденсаторы находятся в работе только в течение времени коммутации, всё оставшееся до конца полупериода время они отключены от схемы инвертора. Аналогично рассмотренному происходит коммутация γ₁ в начале следующих полупериодов.

Таким образом, с помощью отсекающих диодов решается проблема, связанная с перенапряжениями в цепи конденсаторов и нагрузки. В такой схеме минимальная величина емкости коммутирующего конденсатора определяется только временем, необходимым для закрытия тиристоров и не зависит от параметров нагрузки.