10.3.4. Инверторы

Если

нвертор работает на нагрузку, не имеющую другого ис-

точника

тан я, он называется автономным инвертором (АИ). АИ

С

По схемной реализации однофазные АИ можно разделить на:

•

АИ тока;

•

АИ напряжения;

•

резонансные АИ.

Инверторами тока называются автономные преобразователи,

которые связаны с источником питания через сглаживающий дроссель,

обеспечивающий малые изменения тока, и в которых силовые элек-

тронные ключи обеспечивают чередующуюся полярность импульсов

тока на нагрузке [14].

На входе АИ тока действует источник тока, образованный источ-

ником постоянного напряжения с ЭДС E0

и дросселем с большой ин-

С

с. 10.40,

а). Форма тока Iн на выходе вентильной

дуктивностью

L0 (

группы прямоугольная, а форма напряжения Uн определяется характе-

ром нагрузки Zн. Нагрузка может быть только активной или активно-

ёмкостной, так как при активно-индуктивной нагрузке ток не может

мгновеннонаправлениезмен ть . Рассмотрим работу схемы при ак-

тивно-ёмкостной нагрузке. В момент t1 начинают проводить тиристоры

VS1 иVS3; в момент t2

тиристоры VS1 иVS3 выключаются, а тиристо-

ры VS2 и VS4 включаются (рис. 10.40,

). Ток через нагрузку Iн меняет

направлениеб. Под действием проходящего тока напряжение на нагруз-

ке Uн из-за наличия ёмкостной составляющей изменяется по экспонен-

те. В результате смена полярности напряжения на нагрузке Uн во вре-

мени происходит позже, чем смена полярности тока Iн. Наличие такого

+

I0

а

iн

б

L0

VS1

Iн

VS2

VS2,4

E0

Zн

Uн

Д0 VS1,3 VS1,3

t

uн

VS4

VS3

0

t2

t

t1

–

И

Рис. 10.40. Однофазный автономный инвертор тока:

а – принципиальная схема; б – диаграммы тока и напряжения

результате её периодического подключения с помощью силовых

электронных ключей к источнику питания, обеспечивая чередую-

щуюся полярность импульсов напряжения на нагрузке.

На входе АИ напряжения действует источник постоянного на-

пряжения с ЭДС E0

Напряжение Uн на выходе вентильной группы прямоугольное, а фор-

ма тока Iн определяется характером нагрузки Zн. Напряжение на на-

грузке переключается мгновенно, поэтому нагрузка может быть ак-

тивной

ли акт вно-

ндуктивной. Рассмотрим работу схемы при ак-

тивно-

ндукт вной нагрузке. В момент t1

начинают проводить тири-

сторы VS1

VS3. Под действием приложенного напряжения U0

ток Iн

С

тиристоры VS1 и

нарастает по экспоненте (рис. 10.41, б). В момент t2

VS3 выключаются, но ток Iн

через нагрузку идёт в том же направл е-

нии через

оды VD2

VD4 за счёт энергии, запасённой в индуктив-

ности, возвращается в источник питания. При этом напряжение на

нагрузке Uн

под

со ственной противоЭДС уже изменило

действием

знак, а ток постепенно спадает. Диоды VD1 – VD4 предназначены для

возврата реакт вной энергии в источник питания. В момент t3

ток Iн

равен нулю, включаются тиристоры VS2 и VS4, полярность напряже-

ния при этомбне меняется, а ток меняет направление. В момент t4 ти-

ристоры VS2 и VS4 выключаются, но ток Iн через нагрузку убывает в

том же направлении через диоды VD1 и VD3, достигая нулевого зна-

чения в момент t5. Далее цикл повторяется. В результате смена поляр-

ности тока Iн во времени происходит позже, чем смена полярности на-

А

пряжения на нагрузке

Uн. Наличие такого фазового сдвига характерно

для активно-индуктивной нагрузки.

+

а

uн

VS1,3 VS2,4 VS1,3

б

VS1

VD1 VD2

Д

VS2

0

t

E0

Iн

Zн

iн

И

C0

Uн

U0

VS4

VD4 VD3

VS3

0

t3

t4

t

t1

t2

t5

–

VD2,4

VD1,3

но введённой ли

меющейся в составе нагрузки, в связи с чем ток в

ц

нагрузки пр бл жается по форме к синусоиде.

хема мостового однофазного резонансного инвертора приве-

С

дена на р с. 10.42, а. В цепь нагрузки последовательно подключен

конденсатор C0, поэтому такой инвертор называется последователь-

ным. Цепь RнL0C0

представляет

последовательный колебатель-

ный контур с высокой до ротностью,

для чего в схеме резонансного

епи

АИ должно выполняться условие

Rн < 2

.

(10.50)

L0

C0

Помимо формирования кривой тока нагрузки конденсаторы

собой

здесь осуществляют операцию запирания тиристоров, поэтому в ре-

зонансных АИ могут ра отать однооперационные (незапираемые)

тиристоры.

При включении тиристоров VS1 и VS3 конденсатор C0

начинает

А

быстро забирать ток, а дроссель из-за большой индуктивности L0 его

I0

а

б

+

L0

i0

E0

VS1

VS2

0 VS1,3

VS2,4

VS1,3

t

Iн

Rн

uн

C0

Uн

VS4

VS3

0

t

–

Р с. 10.42. Однофазный резонансный автономный инвертор:

С

– диаграммы тока и напряжения

а – пр нц п альная схема;

Всегда должно со людаться неравенство fу < f0,

так как в про-

тивном случае

нтервал времени отсутствия тока в цепи нагрузки бу-

детвременименьше , нео ходимого для надёжного запирания тири-

сторов. При чрезмерном уменьшении частоты управления fу мощ-

ность, отдаваемая в нагрузку, снижается, и интервалы протекания то-

ка через контур чередуются с естоковыми паузами (режим прерыви-

б

стого тока).

Схема резонансного

И не работоспособна на холостом ходу,

так как при Rн → ∞ нарушается условие (10.50). В идеальном резо-

нансном АИ при коротком замыкании напряжения на реактивных

А

элементах стремятся к бесконечности, так как энергия непрерывно

потребляется от источника питания, но нигде не рассеивается, а, сле-

довательно, накапливается в реактивных элементах, что может пр и-

вести к их разрушению.

Существует много схем трёхфазных

напряжения.

Однако

Д

наибольшее применение в электроприводе переменного тока получи-

ла трёхфазная мостовая схема АИ на полностью управляемых сило-

вых электронных ключах – транзисторах (рис. 10.43). Транзисторы

могут использоваться биполярные или полевые для

небольшой

мощности или же современные биполярные транзисторы с изолиро-

АИ

ванным затвором (IGBT-транзисторы). Последние сочетают в себе два

транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (об-

разующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).

АИ на IGBT-транзисторах применяют при работе с высокими напря-

жениями (более 1000 В), высокой температурой (более 100 °C) и вы-

сокой выходной мощностью (более 5 кВт).

+

E0

VD1

VD3

VD5

VT1

A

VT3

B

VT5

C

C0

IА

IB

IC

U0

VD6

VT2

VD2

VD4

–

VT6

VT4

С

ZА

UА

ZB

UB

ZC

UC

Р с. 10.43. Пр нц

альная схема трёхфазного мостового инвертора

Дл тельность

транзисторных ключей и, следова-

тельнопереключения, частота выходного напряжения определяются системой управ-

ления.

На

нтервале одного периода выходного напряжения транзи-

сторы анодной VT1, VT3, VT5 и катодной VT2, VT4, VT6 групп могут

переключаться однократно и многократно. В этой схеме управляемые

б

вентили могут ра отать с длительностью открытого состояния 120° и

180°. При фазовом угле проводимости вентилей 180° обеспечивается

непрерывная связь фаз нагрузки с источником питания и лучшая фор-

ма напряжений на выходе, независимая от параметров нагрузки. Это

В схеме всегда одновременно открыты три транзистора разных

фаз, что обеспечивает независимость формы выходного напряжения

на нагрузке от её параметров. Из диаграммы токов и напряжений

(рис. 10.44) видно, что возможны шесть независимых сочетаний их

Д

открытых и закрытых состояний.

с паузой

длительностью 1/6 периода, т.е. π/3 (60°). При соединении симмет-

ричной нагрузки «звездой» к каждой фазе прикладывается напряже-

И

Фазный ток при активно-индуктивной нагрузке, например ста-

тор АД, имеет кусочно-экспоненциальную форму. Форма тока ближе

к синусоидальной, чем форма напряжения из-за сглаживающего дей-

ствия индуктивной нагрузки. Обратные диоды VD1 – VD6 необходи-

мы для того, чтобы энергия, запасённая в индуктивности, в виде ин-