4.3. Примеры для самостоятельного решения

Пример 4.1. Определить зависимость времени, предоставляе­мого на восстановление запирающей способности главного тиристо­ра, от скорости двигателя (противо-ЭДС) в схеме прерывателя, по­казанной на рис. 4.1, если дано: С=20 мкФ, /_н=50 А, 1=20 мГн, ^_ВХ=С/_СО=220 В, L<L₂<oo.

Решение. Из уравнения (4.15) следует:

Г_Вос=Гвос о[1— L*{1—U*₀)],

где

си*

^восо — i * I

L* =

L + L₂

Если, например, L₂ = L,

L* = 1/2,

то

Если L₂—oo, т. e. L*=0, то /вос=^вос о-

Характер изменения искомого времени показан на рис. 4.14. Пример 4.2. Для условий задачи 4.2 найти максимальные напряжения на вентилях в схеме, показанной на рис. 4.3.

- - - — ruiu.ivKuvi. ^— tlVUJJ.MUtiC ~> "-ТКПр.М

тгобр.макс =г220 В; Ущ,о5р,макс — 440 В; ^дообр.макс ⁼ 220 В.

Пример 4.3. Определить ма­ксимально возможную частоту коммутаций схемы прерывателя в задаче 4.2 при условии, что ма­ксимальная амплитуда периодиче­ского тока равна 150 А.

Ответ: /_Макс=1336 Гц.

Пример 4.4. Доказать, что линейная аппроксимация кривой гока, используемая в задаче 4.4, вносит погрешность менее 5%.

Пример 4.5. Определить ко­лебание тока двухпозиционного регулятора тока, если с7_вх._макс = =220 В, 1=0,1 Гн и /макс=50 Гц.

ГЛАВА ПЯТАЯ

Автономные инверторы

5.1. Общий обзор

Автономные инверторы преобразуют энергию посто­янного тока ш энергию переменного тока с заданной частотой, амплитудой и выходным напряжением. На практике наиболее часто применяются однофазные и трехфазные инверторы. Частота ограничивается дина­мическими характеристиками примененных электронных элементов.

Изменения полярности, необходимые для преобразо­вания напряжения постоянного тока в напряжение пере­менного тока, осуществляются электронными коммута­ционными элементами. Наиболее часто для этого ис­пользуются тиристоры. Чтобы тиристор мог работать в качестве электронного ключа, должно быть обеспечено его выключение в моменты времени, определяемые обус­ловленной частотой. Энергия, необходимая для выклю­чения тиристоров, обычно запасается в коммутирующих конденсаторах.

Известно много схем автономных инверторов с ти­ристорами [5, 8, 32, 35, 36]. Из-за ограниченного объема, отведенного для этой главы, авторы не ставят своей за­дачей их подробное описание. Рассмотрение будет ог­раничено наиболее часто встречающимися в эксплуата­ции типами инверторов. Сначала дано краткое описание работы автономных инверторов, затем показано, как характеристики, полученные при помощи ЭВМ, могут использоваться для выбора элементов инверторов. Практическое применение этих принципов расчета бу­дет показано на решениях задач.

О днофазные автономные инверторы. Основные схемы автономных инверторов показаны на рис. 5.1—5.8. В этих схемах нагрузка может присоединяться либо через трансформатор Тр, либо непосредственно к инвертору (за исключением схем, показанных на рис. 5.4 и 5.5, для работы которых необходим трансформатор). Каждая схема включает коммутирующие конденсаторы С_к, обес­печивающие выключение тиристоров, и коммутирующие индуктивности L_K, обеспечивающие правильную работу цепи выключения. Схема выключения тиристоров может

быть параллельного типа (конденсатор присоединен па­раллельно выключаемому вентилю, рис. 5.1, 5.4 и 5.5) или последовательного (конденсатор соединен последо­вательно с коммутирующей индуктивностью, рис. 5.2, 5.3, 5.6 и 5.7).

Рис. 5.2. Однофазный мостовой инвертор со схемой выключе­ния тиристоров последователь­ного типа и одним конденса­тором.

Рис. 5.1. Однофазный мостовой инвертор со схемой выключения ти­ристоров параллельного типа.

В

Рис. 5.3. Однофаз­ный мостовой ин­вертор со схемой выключения тири­сторов последова­тельного типа и четырьмя конден­саторами.

схему инвертора обычно входят обратные диоды, которые обеспечивают работу инвертора без нагрузки или при индуктивной нагрузке, создавая путь для об­ратного потока энергии от инвертора к источнику по­стоянного тока.

Общей особенностью схем, показанных на рис. 5.1— 5.7, является то, что при перезаряде конденсатора (во время процесса коммутации) накапливается энергия в коммутирующей цепи. Эта дополнительная энергия при отсутствии обратных диодов вызывает повышение на-174

пряжения на коммутирующем конденсаторе после каж­дой коммутации. Обратные диоды препятствуют повы­шению напряжения на коммутирующих конденсаторах сверх какого-то определенного уровня, определяемого параметрами схемы. Однако если не предусмотрено до-

статочное затухание, то поступление энергии во вре­мя коммутаций вызовет непрерывный рост тока, цир­кулирующего в цепи, состоящей из проводящего тири­стора, обратного диода и коммутирующей индуктивно­сти. В инверторах низкой частоты (до 100 Гц) падение напряжения на полупроводниковых вентилях обеспечи­вает достаточное затухание. Во всех остальных случаях затухание может быть обеспечено резисторами, вклю-

ч

Рис. 5.8. Однофаз­ный инвертор с раздельным вы­ключением тири­сторов.

енными последовательно с обратными диодами. В схе­мах с присоединением нагрузки через трансформатор затухание может быть обеспечено без увеличения потерь в инверторе присоединением обратных диодов к отпай­кам трансформаторов. Можно также ввести в цепи цир­кулирующих токов такие напряжения соответствующей полярности, которые смогут эффективно компенсировать рост циркулирующего тока, при этом часть энергии воз-

вращается в нагрузку или в источник питания, что до­полнительно улучшает КПД инвертора.

В некоторых схемах коммутирующая резонансная цепь шунтирует источник постоянного тока, что снимает вопрос о накоплении энергии в коммутирующей цепи. Для примера см. рис. 5.8.

Трехфазные автономные инверторы. В трехфазных инверторах полярности фазных напряжений на стороне переменного тока должны циклически изменяться. Эта задача может быть решена, например, при помощи трех однофазных инверторов, работающих со взаимными сдвигами по фазе на 120°; могут быть составлены и трехфазные схемы.

В трехфазных схемах тиристоры, используемые в ка­честве коммутационных элементов, обычно устанавлива­ются в плечах трехфазного моста. Различия отдельных решений в основном относятся к схемам выключения тиристоров.

Р

_I

ис. 5.9. Трехфазный инвертор со схемой выключения тиристоров па­раллельного типа.

На рис. 5.9 представлен трехфазный инвертор с парал­лельной схемой выключения тиристоров, на рис. 5.10 —с по­следовательной схемой выклю­чения.

С

трех-

хемы инверторов можно сгруппировать также в зависи­мости от того, используется ли всего один конденсатор, или по одному конденсатору на фазу, или по одному конденсатору на плечо. Последний случай представляет собой фазный эквивалент схемы, показанной на рис. 5.8.

Эта классификация неполная: в зависимости от спе­цифических требований на практике могут широко ис­пользоваться и некоторые другие решения; представлен­ные здесь схемы иногда могут использоваться также с некоторыми дополнительными элементами. Например,, иногда конденсаторы отделяются от нагрузки при помо­щи диодов, чтобы пред­отвратить их разряд через нагрузку (диоды показаны на рис. 5,9 пунктиром).

О

выбор коми-и па­ра счет если

сновные принципы расчета. Расчет инвер тора включает тиристоров по нальному току пряжению, трансформатора,

он используется, — и выбор обратных дио­дов. Кроме того, необ­ходимо решить вопрос о защите инвертора и системе уп­равления.

В настоящей главе рассмотрены вопросы, относящие­ся к выбору номинальных токов силовых полупроводни­ковых элементов в инверторах различных типов, расчету

жоммутирующих цепей и затухания циркулирующих то­ков, а также к расчету высших гармоник на стороне переменного тока.

Индуктивности L_K и емкости С_к, образующие комму­тирующие цепи, должны выбираться так, чтобы они могли выполнять свои функции даже при наибольших бросках нагрузки. Это условие считается выполненным, •если обратное напряжение на запирающемся тиристоре поддерживается по крайней мере в течение времени, не­обходимом для восстановления его запирающей способ­ности. Для данного инвертора возможно бесчисленное множество удовлетворительных сочетаний L„ и С_к. Опти­мальное решение должно быть найдено по второстепен­ным критериям.

Проанализируем сначала коммутацию в схемах, по­казанных на рис. 5.1—5.7. Коммутационные процессы в этих схемах протекают одинаково [37], поэтому до­статочно рассмотреть одну из них, например схему на рис. 5.1. Для упрощения анализа сделаем следующие .допущения:

пара тиристоров Т\ и Т% проводящих ток, мгновенно выключается при включении пары тиристоров Т₂ и Г'₂. Обратный ток в тиристорах не появляется;

тиристоры — элементы с нулевыми потерями и нуле­вым падением напряжения в прямом направлении;

трансформатор Тр идеальный с пренебрежимо малы­ми активным сопротивлением, индуктивностью рассея­ния и намагничивающим током;

активные сопротивления индуктивностей L_K прене­брежимо малы;

на перезаряд конденсатора при коммутации не влия­ют обратные диоды Д\—Да, которые остаются в закры­том состоянии во время этого процесса.

Параметры L_K и С_к рассчитываются с учетом того, что время восстановления запирающей способности ти­ристоров /вое и максимальный ток тиристоров во время коммутации /макак нормированы.

Нагрузкой инвертора может быть либо чисто актив­ное сопротивление, либо сочетание активного сопротив­ления с индуктивностью, либо сочетание, в которое вхо­дит противо-ЭДС. Обычно проводится анализ явления коммутации в двух экстремальных ситуациях. Во-пер­вых, когда нагрузка — чисто активное сопротивление, т. е. ток нагрузки во время коммутации изменяется, во­

вторых, когда индуктивность нагрузки достаточно вели­ка для того, чтобы можно было поддерживать ток на­грузки постоянным в течение всего сравнительно быстро­го процесса коммутации. После выключения тиристоров Ти Т\ цепь коммутации инвертора (рис. 5.1) будет та-

	г *	иск
	1
	1
\		к			С*
					\
					*\ I/ia/c	С- к	it

Рис. 5.12. Диаграммы для рас­четов цепей коммутации инвер­торов, работающих на актив­ную нагрузку.

к

Ht7r>i паке. *
					С*
					1пакс. к
						*

ой, как показано на рис. 5.11. На тиристоры, которые прекращают проводить ток, запирающее напряжение «обр подается от конденсатора С_к через включившиеся тиристоры Т₂, Т^г2. Запи­сав и решив уравнения цепи, можно вычислить время восстановления за­пирающей способности тиристоров /вое и макси­мальный выброс тока i [5, 37].

Результаты обобщены в диаграммах на рис. 5.12 и 5.13. На рис. 5.12 при­ведена зависимость (в от­носительных единицах) о 1 z з ь 5 б ⁷ емкости С_к и максималь­ного выброса тока /_макс„ Рис. 5.13. Диаграммы для расче-

при коммутации от ин- ^ТО^^^РММЗГ^!?1^^^

v г работающих на индуктивную на-

дуктивности L_K для ^v грузку.

12* 170

нагрузки, состоящей только из активного сопротивления.

Введенные относительные параметры определяются следующим образом:

По графику может быть определено L*_K, соответст­вующее допустимому выбросу тока /макак- Затем нахо­дится значение С*_к'. Расчетные графики для индуктивной нагрузки представлены на рис.-5.13.

Здесь введены относительные параметры

/**к—LjJR*t_BOc\ С*к=/?*Ск/£_вос и /*максл

;—/макак//»

где / — ток нагрузки во время коммутации и R*=E&II-Процедура вычислений такая же, как при активной на­грузке.

При анализе коммутации инвертора с раздельной коммутацией (см. рис. 5.8) делается допущение о том,

что в данный момент коммутация происходит только в одной ветви. При включении тиристора T_i2 проводящий тиристор Гц выклю­чается током конденсатора, заря­женного с полярностью, указан­ной на рисунке. Предполагается, что индуктивность нагрузки до­статочно велика, и поэтому ток нагрузки / во время коммутации поддерживается практически по­стоянным.

Расчеты производятся по гра­фикам, приведенным на рис. 5.14 [8] и по формуле

/?0=/смакс//,

где /смаке — максимальный зарядный ток конденсато­ра С_к и

1«

arctgjB₀ E_d »

Erftnac 1

/ jB₀arctg£?₀ *

Параметры цепи коммутации обычно определяют при £о=1. 180

Процессы коммутации трехфазных инверторных схем могут быть частично сведены к процессам коммутации однофазных инверторов. Применение теории к таким случаям будет приведено в некоторых задачах.

Область применения. В инверторах нет движущихся частей. Они быстро и легко регулируются. Все это обес­печивает им широкое и многообразное применение.

Инверторы могут с успехом применяться в качестве дополнительных источников энергии у ответственных по­требителей переменного тока (телефонные станции, си­стемы ультракоротковолновой связи, железнодорожное оборудование сигнализации и защиты и т. д.). В этих случаях инверторы предназначаются для подачи энер­гии переменного тока с частотой сети либо с какой-то другой частотой.

В настоящее время расширяется область применения инверторов с изменяемой частотой. Такие инверторы ис­пользуются, например, для питания индукционных печей в металлургии. Инверторы с регулируемой выходной ча­стотой используются для питания асинхронных двигате­лей переменного тока. Сочетание инвертора с двигателем дает возможность иметь надежные и легко регулируе­мые электроприводы переменного тока.