Лекция 18 Автономные инверторы

Автономными инверторами называют преобразователи постоянного напряжения в переменное, работающие на автономную (отдельную) нагрузку, не связанную с питающей сетью. Выходное напряжение инвертора (форма, амплитуда и частота) определяется схемой преобразователя, системой управления и режимом работы.

По характеру протекающих электромагнитных процессов автономные инверторы делятся на автономные инверторы тока (АИТ), автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). Названия инверторов определяются характером потребляемой энергии от источника постоянного напряжения. В АИН источник работает в режиме источника эдс, АИТ в режиме источника тока, АИР занимает промежуточное место. Нагрузка входит в состав колебательного контура, коммутируемый ток носит колебательный характер. Они применяются на сравнительно высоких частотах, и в основном в печах индукционного нагрева. В рамках нашего курса их рассматривать не будем.

По количеству фаз переменных напряжений инверторы подразделяются на однофазные и многофазные.

Основные области применения:

- получение переменного напряжения, когда имеется только источник постоянного напряжения (бортовая сеть самолетов, судов и ракет);

- в системах бесперебойного питания потребителей;

- в электротранспорте, который питается от контактной сети постоянного тока, а электропривод осуществляется асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а управление производится за счет изменения частоты и амплитуды напряжения;

- в преобразователях постоянного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты, используется в импульсных источниках питания;

- в преобразователях высокой частоты, применяемых в электротермии (индукционный нагрев, плавка и закалка);

- в электроприводе глубинных насосов для регулирования числа оборотов, следовательно, и производительности насосов.

18.1 Автономный инвертор тока

Самой распространенной схемой АИТ является симметричная мостовая схема (рисунок 18.1).

Рисунок 18.1 - Схема однофазного мостового АИТ

В нее входит инверторный мост на тиристорах VT1….VT4, в диагональ которого включена активная нагрузка и параллельно ей - конденсатор С. Схемным признаком АИТ является наличие дросселя с достаточно большой индуктивностью в цепи источника питания; дроссель обеспечивает постоянство тока, потребляемого от источника постоянного напряжения. При анализе этой схемы сделаем следующие допущения , тиристоры идеальны по быстродействию, потери энергии на элементах схемы отсутствуют. Работу схемы иллюстрирует временная диаграмма (рисунок 18.2)..

Рисунок 18.2 - Временная диаграмма работы однофазного АИТ

Пусть на интервале 1-2 открыты тиристоры VT1, VT2, тогда нагрузка с параллельным конденсатором будет подключена к источнику тока . Напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненте из-за заряда конденсатора. К моменту 2 напряжение на конденсаторе будет иметь полярность, показанную на рис.1. В точке 2 подается опирающий импульс на VT1 и VT4. Цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко через открытые тиристоры. Возникают два контура разряда: первый контур VT1-VT2, второй контур VT3-VT4. В первом контуре ток разряда протекает на встречу анодному току тиристора VT1, а во втором - на встречу анодному току тиристора VT3. Анодные токи через тиристоры практически мгновенно становятся равными нулю и тиристоры VT1 и VT3 закрываются. Ток начинает протекать через тиристоры VT2 и VT4, направление тока меняется на противоположное. Напряжение на нагрузке из-за наличия конденсатора начинает уменьшаться по экспоненте. Это напряжение прикладывается к тиристорам в обратном направлении в течении времени , которое должно быть больше , что позволяет тиристорам восстановить свои запирающие свойства. В противном случае, после прохождения напряжения через ноль может произойти повторное включение тиристоров VT1 и VT3, тогда все четыре тиристора окажутся открытыми. Это явление является аварийным и называется опрокидыванием инвертора.

Форма, значение выходного напряжения и время отводимое на запирание тиристоров , зависят постоянной времени разряда конденсатора через резистивную нагрузку .

Рассмотрим процесс разряда емкости под действием тока

Рис.3. К определению времени отводимого на закрытие тиристора

В соответствии с эквивалентной схемой (рисунок 18.13,а) запишем

; . (18.1)

Решая полученное дифференциальное уравнение, получим

, (18.2)

где начальное напряжение на конденсаторе при

Если , то, как видно из рисунка 18.3,b

, а при , . (18.3)

Подставляя в предыдущее выражение, получим

, (18.4)

. (18.5)

Пользуясь последним выражением, найдем , как момент когда

, (18.6)

. (18.7)

Анализируя полученные выражения можно сказать, что при увеличении сопротивления нагрузки увеличивается амплитуда напряжения на нагрузке и время, отводимое на закрытие тиристора (рисунок 18.3,b). А при уменьшении сопротивления нагрузки уменьшается амплитуда напряжения на нагрузке и время, отводимое на закрытие тиристора (рисунок 18.3,с). Оба случая нежелательны в крайних проявлениях, т.к. при больших возможен пробой тиристоров, а при малых значениях время, отводимое на выключение, оказывается меньше времени восстановления запирающих свойств тиристоров , что может привести к опрокидыванию инвертора.

АИН применяется при сравнительно постоянной нагрузке. Если нагрузка носит индуктивный характер, то конденсатор , который служит для коммутации тиристоров, подбирается так, чтобы общее сопротивление носило емкостной характер.