Устройства силовой электроники. Учебное пособие

По результатам анализа построены временны´ е диаграммы линейного напряжения U АВ и фазного напряжения U A , показанные на

седьмой и восьмой диаграммах (рис. 14) соответственно.

Рис. 14. Временные диаграммы АИН (ШИР)

На данных диаграммах видно, что число импульсов для формирования линейного напряжения Nл.н равно 4, а для фазного напряжения

Nф.н равно 6. Число Nл.н можно увеличивать так, чтобы в интервал/3 входило целое число импульсов. Увеличение Nл.н ведет к улучшению гармонического состава выходного напряжения. При Nл.н 12

получается такой же гармонический состав, что и при предыдущем способе.

1.3. Способы коммутации тиристоров АИ

ПрииспользованиивсхемахАИНполностьюуправляемыхсиловых ключей (транзисторов) имеется возможность открывать и закрывать силовой ключ в любой момент времени. При использовании полууправляемых силовых ключей (тиристоров) нужны дополнительные устройства для запирания в требуемые моменты времени. Режим принудительного запирания тиристора осуществляется узлом принудительнойкоммутации. Припараллельнойкоммутацииконденсатор через ключ подключается параллельно либо тиристору, либо нагрузке.

21

При последовательной коммутации конденсатор включается последовательно с тиристором.

На рис. 15–21 изображены различные способы реализации схем узлов принудительной коммутации тиристоров.

На схеме, изображенной на рис. 15, когда открыт силовой тиристор VS, конденсатор С

заряжается по цепи +Е R C VS –E. Для закрытия силового тиристора необходимо подать УИ на тиристор VS1, тогда конденсатор С начнет разряжаться через VS2 и VS и закрывает силовой тиристор VS своим разрядным током по цепи +C – VS1 – VS – –C.

На схеме, представленной на рис. 16, когда открывается силовой тиристор VS, начинает заряжаться конденсатор С и в LC-цепи возникает колебательный процесс. В конце полупе-

риода частоты собственных колебаний LC-контура при спаде тока в колебательном контуре до нуля тиристор VS

закрывается. Для приведения конденсатора C в

исходное состояние служит резистор R, через который конденсатор разряжается к моменту очередного открывания тиристора. Недостаток этой схемы состоит в том, что сопротивление нагрузки влияет на условия коммутации.

На схеме (рис. 17) показано, когда силовой тиристор закрыт, конденсатор С заряжен по цепи

+E – Rн – L – C – –E. При открытии силового

тиристора VS в LC-контуре начинается колебательный процесс перезаряда конденсатора. Ток

перезаряда протекает по цепи +C – L – VS – –C. Через полпериода полярность напряжения на конденсаторе изменится на противоположную, что вызовет закрытие силового тиристора(когдасиловой ток спадетдо нуля).

Рис. 17. Схема узла принудительной коммутации

22

На схеме (рис. 18) видно, когда закрыт основной тиристор VS и открыт вспомогательный тиристор VS1, конденсатор С заряжается через

VS1 по цепи +E – C – VS1 – Rн – –E. Когда

включается основной тиристор VS, то конден-

сатор перезаряжается по цепи +С VS VD

L –C, одновременнозапираявспомогательный

тиристор VS1 обратным для него током. Колебательный процесс перезаряда приводит к тому, что в конце полупериода, когда ток спадает до нуля, диод VD закрывается.

Если включить тиристорVS1, то конденсатор начнет разряжаться по цепи +C – анод-катод VS1 – катод-анод VS – –C. Обратным током основной тиристор VS отключится.

Эта схема является аналогом полностью управляемого вентиля. Вспомогательный тиристор позволяет регулировать длительность проводящего состояния основного тиристора в достаточно широком диапазоне.

На схеме, изображенной на рис. 19, запирание силового тиристора VS осуществляется через управляемый транзисторный ключ VT от внешнего источника постоянного напряжения. Открытие тран-

зисторного ключа обеспечивает протекание встречного тока через силовой тиристор VS, что приводит к его закрыванию.

На схеме, представленной на рис. 20, запирание силового тиристора также осуществляется внешним источником энергии – это импульсы, идущие от генератора переменного напряжения (Г) через трансформатор TV. Так же как и в предыдущей схеме, формирование встречного тока приводит к запиранию силового тиристора VS.

Рассмотрим работу схемы узла принудительной коммутации, изображенную на рис. 21. Если работал тиристор VS2, то при подаче

управляющих импульсов на коммутирующий тиристор VS2к конден-

23

VS2к Lк Ск.

Рис. 21. Схемаузлапринудительнойкоммутации

Когда ток тиристора VS2 спадет до нуля, тиристор закроется, но ток продолжит протекать через диод VD2. Процесс перезаряда конденсатора носит колебательный характер. При смене полярности на конденсаторе C откроется диод VD1, а диод VD2 закроется.

Конденсатор Ск дозарядится до напряжения обратной полярности через тиристор VS2к и диод VD1 по цепи +E – VS2к – Lк – Ск –

VD1 – –E. В процессе перезаряда конденсатора тиристор VS2 восстанавливает свои запирающие свойства.

По окончании перезаряда конденсатора управляющий импульс подается на тиристор VS1, но ток нагрузки продолжит протекать через

диод VD1 по цепи: el – C1 – E – VD1 – el . Энергия, накопленная в

индуктивности нагрузки, отдается в цепь источника питания и активное сопротивление нагрузки.

Когда ток нагрузки снизится до нуля, то откроется тиристор VS1, и ток нагрузки сменит направление. Для запирания тиристора VS1 выда-

ется управляющий импульс на коммутирующий тиристор VS1к. Осо-

бенность схемы – в необходимости выдачи «широких» управляющих импульсов на тиристоры.

1.4.Однофазный АИТ

Вавтономном инверторе тока источник энергии работает в режиме источника тока за счет катушки с большой индуктивностью Ld ,

включаемой во входную цепь. Источник тока обеспечивает неизмен-

24

ностьвходного токаприработеАИТ. Крометого, параллельно нагрузке подключается конденсатор с большой емкостью C, который участвует в формировании кривой выходного напряжения и обеспечивает принудительное запирание тиристоров. На рис. 22 изображен автономный параллельный инвертор тока с использованием тиристоров.

Рис. 22. Однофазный АИТ

Временны´ е диаграммы, поясняющие работу схемы, представлены на рис. 23. На первых двух графиках изображен алгоритм подачи управляющих импульсов на диагональные пары силовых ключей.

Поскольку конденсатор подключен параллельно нагрузке, то напряжение на конденсаторе – это напряжение на нагрузке, которое изображено на третьем графике. Если проводили тиристоры VS1, VS3, то конденсатор C заряжен полярностью, указанной без скобок на рис. 22. Анодный ток тиристоров изображен на четвертом и пятом графике рис. 23.

При подаче управляющих импульсов на тиристоры VS2, VS4 конденсатор С оказывается подключенным параллельно тиристорам VS1, VS3. По цепям +С – VS4 – VS1 – –C и +C – VS3 – VS2 – –C протекает ток разряда конденсатора, снижая до нуля ток, протеккающий через тиристоры VS1, VS3. Обратное напряжение, приложенное к тиристорам VS1, VS3, закрывает их. Конденсатор С перезаряжается по цепи: +E – VS2 –

C – VS4 – –E до полярности, указаннойнарис. 22 вскобках. Завремя qv

(рис. 23) напряжение на конденсаторе спадает до нуля, а тиристоры VS1, VS3 восстанавливают свои запирающие свойства.

Анализ АИТ ввиду сложности вычислений из-за наличия трех реактивных элементов (Ld , C, Lн) проводят методом основной гармо-

ники. Этот метод состоит в замене кривых токов и напряжений их

25

первыми (основными) гармониками. Погрешность метода составляет 10…15 %, а для трехфазных АИТ точность метода гораздо выше.

Рис. 23. Временны´ е диаграммы работы АИТ

Схема замещения автономного инвертора тока показана на рис. 24. Для построения векторной диаграммы в качестве опорного вектора примем вектор

26

ний, из которой видно, что вектор тока опережает вектор напряжения на угол θ.

Опережающий характер вектора тока АИТ является обязательным, так как угол опережения θ определяет время для восстановления запирающих свойств ранее работавшего тиристора. Минимальный угол

опережения определится из соотношения min ftв, где f – выходная частота инвертора; tв – время восстановления запирающих свойств тиристора. Снижение угла опережения θ ниже минимального min

приведет к короткому замыканию источника тока и последующему повреждению силовых ключей.

Для выходного напряжения АИТ аналогично регулировочной характеристике управляемого выпрямителя имеем следующее соотно-

шение: Е kсхUн cos , где kсх – коэффициент схемы, такой же, как и

в схемах выпрямителей. Поскольку угол зависит от параметров нагрузки, то и амплитуда выходного напряжения Uн зависит от

нагрузки.

1.5. Трехфазный АИТ

Принцип работы трехфазного автономного инвертора тока такой же, как и в однофазных АИТ. Нагрузка может быть соединена либо в звезду, либо в треугольник. Схема соединения нагрузки в треугольник показана на рис. 25. Конденсаторы, как правило, включаются параллельно нагрузке (рис. 25), но возможно их соединение как в звезду, так и в треугольник.

Напряжение на закрытом тиристоре определяется напряжением на конденсаторе, подключаемом параллельно данному тиристору через работающий тиристор той же группы.

Запирание тиристоров осуществляется конденсатором, подключенным к данной фазе при открывании следующего тиристора той же группы (анодной или катодной).

Временны´ е диаграммы, поясняющие работу схемы, изображены на рис. 26. Первые шесть графиков показывают алгоритм формирования управляющих импульсов на силовые ключи. Длительность проводящего состояния каждого тиристора составляет π/3. Выдача управляющего сигнала на последующий вентиль сдвинута на π/6 относительно предыдущего ключа. На седьмом графике изображен входной ток от источника тока.

27

К выводам фаз A и C нагрузки приложена ЭДС источника: плюсом к C, а минусом к A. Поскольку CA и CB включены последовательно,

то конденсатор CA начнет разряжаться по экспоненциальному закону до половины напряжения источника питания. Напряжение U AB будет

иметь отрицательную полярность, как показано на рис. 26. Напряжение Uак на открытом тиристоре VS1 будет равно нулю.

Наинтервале(2π/3, π) проводятVS2 иVS3. Токинагрузокпротекают по цепи +E – VS2 – ZB // ZC Z A – VS3 – –E. Конденсатор CA начнет

перезаряжаться по экспоненциальному закону до половины напряжения источника питания. Напряжение Uак на закрытом тиристоре VS1

определится напряжением на конденсаторе CA , т. е. линейным напряжением U AB . Один вывод CA соединен с анодом VS1, а второй

вывод конденсатора соединен с катодом VS1 через открытый тиристор VS3.

На интервале (π, 4π/3) ток проводят тиристоры VS3 и VS4. Токи нагрузок протекают по цепи +E – VS4 – Z A // ZC ZB – VS3 – –E.

Конденсатор CA будет заряжаться по экспоненциальному закону до напряжения источника питания. Напряжение Uак на закрытом тиристоре VS1 определится напряжением на конденсаторе CA.

На интервале (4π/3, 5π/3) ток проводят тиристоры VS4 и VS5. Токи нагрузок протекают по цепи +E – VS4 – ZC // Z A ZB – VS5 – –E.

Конденсатор CA начнет разряжаться по экспоненциальному закону до половины напряжения источника питания. Напряжение Uак на закрытом тиристоре VS1 определится напряжением на конденсаторе CC , т. е. линейным напряжением U AC . Один вывод CC соединен с ано-

дом VS1, а второй вывод конденсатора соединен с катодом VS1 через открытый тиристор VS5.

На интервале (5π/3, 2π) проводят VS5 и VS6. Токи нагрузок протекают по цепи +E – VS6 – ZB // Z A ZC – VS5 – –E. Конденсатор CA

начнет перезаряжаться по экспоненциальному закону до половины напряжения источника питания. Напряжение Uак на закрытом тири-

сторе VS1 определится напряжением на конденсаторе CC .

29

Как видно из временной диаграммы (рис. 26), напряжение на тиристоре в течение времени v будет отрицательным (как на рис. 23).

В течение угла опережения инвертора ранее работавший ключ восстанавливает свои запирающие свойства, как уже было рассмотрено при анализе работы однофазного АИТ.

Рис. 26. Временны´ е диаграммы работы АИТ

Для трехфазного АИТ справедливо то же соотношение между величиной напряжения на нагрузке Uн и значением ЭДС источника

питания Е, что и для однофазного АИТ: Е kсхUн cos .

Близкая к синусоидальной форма кривой выходного напряжения АИТ (особенно трехфазного) является существенным преимуществом перед АИН. Поэтому АИТ используются в качестве источников напряжения неизменной частоты. Однако зависимость выходного напряжения АИТ от параметров нагрузки вынуждает принимать меры по управлению и стабилизации выходного напряжения АИТ.

30