Преобразовательная техника

трансформатор работает в режиме холостого хода, т. е. ток i2 равен нулю. Нарастание тока i1 происходит практически по линейному закону:

где L1 – индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Ток нагрузки iн на этом этапе поддерживается за счет энергии, запасенной в конденсаторе фильтра Свых.

При размыкании ключа изменяется полярность индуктируемых напряжений и преобразователь переходит в режим передачи энергии, запасенной в сердечнике трансформатора. Открывается диод VD, и ток вторичной обмотки i2 заряжает конденсатор Свых. Ток вторичной обмотки снижается также практически по линейному закону и определяется выражением:

где L2 – индуктивность вторичной обмотки трансформатора.

При достаточно большой емкости конденсатора Свых ток нагрузки можно определить выражением:

5.АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

5.1.Назначение, область применения и классификация

автономных инверторов

Автономным инвертором (АИ) называется устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока и работающее на автономную нагрузку. Автономные инверторы применяются для питания потребителей переменного тока, например, асинхронных частотно управляемых двигателей в регулируемом электроприводе, потребителей переменного тока, питающихся от аккумуляторных батарей, и т. п. Автономные инверторы могут использоваться как самостоятельные преобразовательные устройства, так и в качестве составных частей более сложных преобразователей, таких как преобразователи частоты для асинхронного электропривода или источники бесперебойного питания.

71

По характеру протекающих электромагнитных процессов АИ подразделяются на следующие классы:

1)автономные инверторы напряжения (АИН);

2)автономные инверторы тока (АИТ);

3) автономные резонансные инверторы (АИР).

Заметим, что такая классификация АИ является в известной мере условной и связана с использующимися в теоретической электротехнике понятиями источника напряжения и источника тока. В данном разделе будем рассматривать наиболее распространенные классы АИ (АИН и АИТ). В качестве полупроводниковых ключей, осуществляющих изменение полярности подключения нагрузки к источнику постоянного напряжения (или тока), используются однооперационные тиристоры (в этом случае для запирания тиристоры должны снабжаться узлами принудительной коммутации), полностью управляемые тиристоры (GTO-тиристоры) или транзисторы, работающие в режиме ключа.

В зависимости от числа фаз потребителя энергии переменного тока АИ могут выполняться однофазными или трехфазными. Схемы, по которым выполняются АИ, весьма разнообразны, но наибольшее распространение получили однофазная мостовая и трехфазная мостовая схемы. Отметим, что автономные инверторы работают, как правило, на нагрузку актив- но-индуктивного характера.

Автономные инверторы тока (рис. 5.1) питаются от источника энергии с преобладающими свойствами источника тока (Id = const) и формируют в нагрузке кривую тока, а кривая напряжения нагрузки определяется параметрами нагрузки. Для того чтобы источник энергии работал в режиме источника тока, на вход АИ включается дроссель с большой индуктивностью Ld. Если параллельно активно-индуктивной нагрузке zн включить

конденсатор достаточно большой емкости С так, чтобы в целом обеспечивался емкостной характер выходной цепи, то в схеме АИТ можно использовать дешевые однооперационные тиристоры, обеспечивая их принудительную коммутацию с помощью этого конденсатора. В этом случае, при активно-емкостном характере выходной цепи, выходной ток будет опережать выходное напряжение, в результате чего в течение некоторого интервала tв к тиристорам будет приложено обратное напряжение, что необ-

ходимо для восстановления их вентильных свойств. Напомним, что время tв должно быть не меньше паспортного времени выключения тиристора

данного типа.

Автономные инверторы напряжения (рис. 5.2) питаются от источника энергии с преобладающими свойствами источника напряжения (Ud = const) и формируют в нагрузке кривую напряжения, а форма кривой тока определяется параметрами нагрузки.

72

Рис. 5.1. Схема и временные диаграммы однофазного мостового АИТ

Рис. 5.2. Схема и временные′ диаграммы однофазного мостового АИН

Для того чтобы источник энергии работал в режиме источника напряжения, на входе АИН включается конденсатор С большой емкости. При активно-индуктивной нагрузке для обеспечения обмена реактивной энергией между потребителем и источником в схему вводится обратный диодный мост VD1–VD4. В последнее время в схемах АИН широко распространены полностью управляемые полупроводниковые ключи, например, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы), которые позволяют преобразовывать весьма значительную мощность с очень малыми затратами энергии на управление ими, обеспечивая при этом высокую частоту переключений.

Автономные инверторы получили распространение в том числе в тяговом электроприводе подвижного состава железных дорог и городского электротранспорта сначала в странах Европы и США, а в последнее время и в России. В частности, использование автономных инверторов на тепловозах, электровозах и электропоездах с асинхронными тяговыми двигателями началось в 1960–1970-е гг. сначала в теории в научно-исследовательских работах, а потом при их серийном производстве. На начальном этапе создавались главным образом АИТ на однооперационных тиристорах, позже – АИН на GTO-тиристорах, в последнее время – АИН на IGBT-транзисторах.

73

5.2. Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения

Рассмотрим более подробно работу однофазного мостового АИН. Остановимся, прежде всего, на назначении элементов схемы (рис. 5.3).

t

id

t

Рис. 5.3. Схема и временные′ диаграммы однофазного мостового АИН, работающего на активно-индуктивную нагрузку:

а – схема АИН; б – временные′ диаграммы

Ключевые элементы (транзисторы VT1–VT4) обеспечивают протекание в нагрузке тока переменного направления и работают попарно: когда открыты VT1, VT4, ток нагрузки направлен от точки а к точке б, когда открыты транзисторы VT2, VT3, ток нагрузки направлен в обратную сторону.

Обратные диоды VD1–VD4 обеспечивают баланс реактивной энергии в схеме, т. е. в некоторые интервалы времени осуществляют возврат реактивной энергии от нагрузки обратно к источнику питания.

Конденсатор С сглаживает пульсации входного напряжения при питании АИН от выпрямителя, что на практике встречается весьма часто, обеспечивая режим работы источника питания, близкий к режиму источника напряжения. В тех случаях, когда АИН питается от выпрямителя, характеризующегося односторонней проводимостью, конденсатор С выпол-

74

няет еще одну функцию – принимает реактивную энергию, возвращаемую нагрузкой.

Рассмотрим работу однофазного мостового АИН более подробно (рис. 5.3, 5.4). На рис. 5.4 путь тока в различные интервалы времени работы отмечен утолщенной линией.

Рис. 5.4. Замыкание тока в схеме однофазного мостового АИН в различные интервалы времени

Пусть начальным состоянием схемы (при t < 0) было такое состояние, когда транзисторы VT2, VT3 были открыты и ток нагрузки замыкался по цепи: «плюс» источника питания – VT3 – нагрузка – VT2 – «минус» источника питания (рис. 5.4, а). При t = 0 транзисторы VT2, VT3 принудительно закрываются, но в силу индуктивного характера нагрузки ток нагрузки мгновенно изменить направление не может. В течение интервала времени 0 < t < t1, необходимого для возврата запасенной в магнитном поле индуктивности Lн энергии обратно источнику питания, ток замыкается по цепи: нагрузка – VD1 – источник питания – VD4 – нагрузка (рис. 5.4, б). Подчеркнем еще раз, что указанное направление тока поддерживается в этом интервале времени за счет энергии, накопленной в индуктивности нагрузки. Наличие обратного выпрямительного моста позволяет напряжению нагрузки изменить полярность в момент времени t = 0. Тот факт, что ток нагрузки направлен навстречу напряжению нагрузки, свидетельствует, что нагрузка является в этом интервале источником энергии, а источник питания – приемником энергии. При t = t1 вся энергия, запасенная в индук-

75

тивности нагрузки, возвращается источнику питания и рассеивается на активных сопротивлениях цепи, и ток нагрузки уменьшается до нуля.

При t = t1 открываются транзисторы VT1, VT4 и в интервале t1 < t < t2 ток нагрузки замыкается по цепи: «плюс» источника питания – VT1 – нагрузка – VT4 – «минус» источника питания (рис. 5.4, в). Совпадение направлений напряжения и тока нагрузки говорит о том, что в этом интервале времени нагрузка является приемником энергии, потребляя ее от источника питания. Ток нагрузки постепенно нарастает, значит, увеличивается и запасенная в ее индуктивности Lн энергия. При t = t2 транзисторы VT1 и VT4 принудительно закрываются. Поскольку нагрузка имеет индуктивный характер, ток в ней мгновенно измениться не может и в течение некоторого интервала времени сохраняет свое прежнее направление. Длительность этого интервала (t2 < t < t3) определяется запасенной в нагрузке энергией и параметрами электрической цепи, по которой эта энергия возвращается обратно к источнику питания. Ток нагрузки в интервале t2 < t < t3 замыкается по цепи: нагрузка – VD3 – источник питания – VD2 – нагрузка (рис. 5.4, г). Наличие в схеме диодов VD2, VD3 обратного выпрямительного моста позволяет напряжению нагрузки изменить полярность в момент времени t = t2 и обеспечивает возврат энергии источнику питания, т. е. обеспечивает баланс реактивной энергии в схеме. Тот факт, что напряжение и ток нагрузки на этом интервале времени не совпадают по направлению, говорит о том, что нагрузка является источником энергии, а источник питания – ее приемником.

При t = t3 вся запасенная в индуктивности нагрузки энергия возвращается источнику питания и рассеивается на активных сопротивлениях цепи, и ток нагрузки снижается до нуля. При t = t3 транзисторы VT2, VT3 принудительно открываются и в схеме устанавливается первоначальное состояние (см. рис. 5.4, а). Далее все процессы повторяются.

Рассмотренный АИН формирует в нагрузке кривую напряжения в виде прямоугольных импульсов чередующейся полярности за счет изменения полярности подключения нагрузки к источнику постоянного напряжения. Вид кривой тока нагрузки при этом определяется параметрами нагрузки. Если активное сопротивление нагрузки Rн велико, то энергия, запасенная в индуктивности нагрузки Lн, рассеивается достаточно быстро, что определяет вид кривой тока нагрузки, соответствующий линии 1 на рис. 5.5. При этом энергия, возвращаемая источнику питания, оказывается невелика. При малых активных сопротивлениях нагрузки Rн энергия, запасенная в ее индуктивности, будет рассеиваться относительно медленно, что соответствует кривой 2 на рис. 5.5. Тогда энергия, возвращаемая источнику питания, оказывается существенно больше. Напомним еще раз, что в случае питания АИН от выпрямителя, обладающего односторонней проводимостью, функции приема возвращаемой нагрузкой энергии выполняет входной конденсатор С.

76

1 2

iвых

t

uвых

Рис. 5.5. Форма кривых напряжения и тока нагрузки однофазного АИН:

1 – ток нагрузки при больших активных сопротивлениях цепи; 2 – ток нагрузки при малых активных сопротивлениях цепи

Для регулирования выходного напряжения АИН могут применяться два способа (рис. 5.6). Первый состоит в том, что регулируется величина входного постоянного напряжения АИН Ud. Это возможно, если АИН питается, например, от управляемого выпрямителя или отдельного генератора постоянного тока. При этом ширина импульсов выходного напряжения и их частота остаются неизменными, а меняется амплитуда импульсов. Очевидно, что для рис. 5.6, а будет справедливо неравенство Uвых2 > Uвых1. Другой способ заключается в изменении ширины импульсов выходного напряжения tи при неизменности частоты их следования и амплитуды импульсов. Такой способ применяется при питании от нерегулируемого источника. Очевидно, что для рис. 5.6, б будет справедливо неравенство

Uвых2 < Uвых1.

Получаемая на выходе рассмотренного АИН форма напряжения (прямоугольные импульсы чередующейся полярности) в большинстве случаев не удовлетворяет современным требованиям к качеству выходного напряжения, поскольку сильно отличается от синусоидальной формы. Это значит, что кривая выходного напряжения АИН, кроме основной гармоники, содержит некоторый спектр высших гармонических составляющих, которые вредно влияют на потребителя электроэнергии (нагрузку). Для обеспечения требуемого качества выходного напряжения нужно из исходной формы удалить все высшие гармоники, оставив только основную гармонику. Ранее для этого применялись электрические фильтры, которые подавляли или шунтировали гармоники различных частот. В последнее время, в связи с развитием полупроводниковой техники и появлением относительно дешевых управляемых полупроводниковых ключей, способных работать на высоких частотах, более предпочтительным способом является

77

широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения по синусоидальному закону. ШИМ позволяет сократить содержание высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения и тем самым заметно снизить массогабаритные и стоимостные параметры выходных фильтров. Принцип ШИМ поясняется рис. 5.7 на примере формирования одного (положительного) полупериода выходного напряжения АИН.

Рис. 5.6. Способы регулирования выходного напряжения АИН:

а – регулирование выходного напряжения АИН путем изменения напряжения питания (Ud2 >Ud1, поэтому Uвых2 >Uвых1);

б– регулирование выходного напряжения АИН путем изменения ширины выходных импульсов (tи2<tи1, поэтому Uвых2 <Uвых1)

u

1

t

2

uвых

t

Т/2

Рис. 5.7. Принцип широтно-импульсной модуляции:

1 – опорное пилообразное напряжение;

2 – модулирующее напряжение

78

В системе управления АИН осуществляется сравнение двух напряжений – опорного пилообразного и модулирующего синусоидального. В моменты равенства этих двух напряжений формируются сигналы на отпирание или запирание соответствующей пары транзисторов в силовой части АИН. В результате выходное напряжение АИН представляет собой некоторый набор прямоугольных импульсов, ширина которых меняется по синусоидальному закону. Частота модулирующего синусоидального напряжения определяет частоту выходного напряжения. Частота опорного пилообразного напряжения определяет число импульсов выходного напряжения в каждом полупериоде. Подбирая частоту опорного напряжения, можно добиться весьма существенного сокращения содержания высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения. Второй (отрицательный) полупериод выходного напряжения формируется принципиально так же, меняется лишь полярность всех напряжений: опорного и модулирующего – в системе управления, выходного – путем отпирания другой пары транзисторов в силовой части АИН. Отметим, что формирование опорного и модулирующего напряжений и определение моментов времени отпирания и запирания соответствующей пары транзисторов в силовой части АИН может осуществляться как аппаратными, так и программными средствами (в последнем случае управление АИН, очевидно, должно осуществляться от компьютера).

5.3. Трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения

Рассмотрим более подробно работу трехфазного мостового АИН. Как уже отмечалось, такие инверторы чаще всего применяются в электроприводе с асинхронными двигателями. Принципиальная схема АИН, работающего на асинхронный двигатель, представлена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Принципиальная схема трехфазного мостового АИН

79

Трехфазный мост состоит из шести управляемых ключей, обозначенных на рисунке цифрами 1–6. Как и в схеме однофазного АИН, ключи должны обладать двухсторонней проводимостью. В настоящее время они выполняются на транзисторах, обеспечивающих протекание тока в прямом направлении. Обратная проводимость обеспечивается включенными параллельно транзисторам диодами обратного тока. С их помощью создается цепь для протекания обратного тока в процессе коммутации транзисторов и в тормозных режимах двигателя.

АИН включает в себя три плеча: плечо фазы A – ключи 1 и 4, плечо фазы B – ключи 3 и 6, плечо фазы С – ключи 5 и 2. Ключи каждого плеча работают поочередно и обеспечивают изменение направления тока, протекающего по фазам.

Управление частотой на выходе АИН осуществляется путем воздействия на систему управления инвертора, в которой сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления, подаваемых на транзисторы инвертора.

Алгоритм управления ключами будет зависеть от схемы соединения фаз нагрузки, подключенной к АИН. Чаще всего применяется схема соединения фаз нагрузки звездой, поэтому рассмотрим алгоритм работы АИН применительно к данной схеме.

Диаграмма состояния ключей инвертора при длительности замкнутого состояния (открытого состояния транзисторов), равной половине периода, представлена на рис. 5.9. В каждый момент времени замкнуты три ключа.

Т

Т/2

1

t

2

t

3

t

4

t

5

t

6

t

Т/6

Рис. 5.9. Диаграмма состояния ключей трехфазного мостового АИН

80