Устройства силовой электроники. Учебное пособие

Регулирование и стабилизация выходного напряжения АИТ

Регулирование и стабилизацию выходного напряжения АИТ осуществляют:

а) изменением напряжения питания Е с использованием управляемого выпрямителя или импульсного преобразователя постоянного напряжения;

б) введением в схему АИТ компенсирующего устройства, с помощью которого осуществляется регулирование соотношений реактивной мощности конденсатора и активной и реактивной мощности нагрузки, т. е. угла опережения θ.

В качестве компенсатора используют обратный неуправляемый или управляемый выпрямитель либо индуктивно-тиристорный компенсатор.

Рис. 27. Компенсирующее устройство

На рис. 27 изображена схема включения обратного выпрямителя. Если используется неуправляемый выпрямитель, то он потребляет от источника переменного тока (нагрузки АИТ) активную мощность. Когда используется управляемый выпрямитель, то он потребляет от источника переменного тока как активную, так и реактивную мощность. Это при-

водит к изменению угла нагрузки н, показанного на векторной диа-

грамме, изображенной на рис. 24, что изменяет угол опережения θ. Выходное напряжение АИТ определится как

Uн Е / (kсх cos ).

Для повышения КПД обратный выпрямитель включают таким образом, чтобы часть преобразованной энергии возвращалась в источник питания.

31

На рис. 28 изображена схема включения индуктивно-тиристорного компенсатора (Lк VSк). Индуктивно-тиристорный компенсатор

обеспечивает в основном стабилизацию выходного напряжения. Тиристор VS1к осуществляет протекание тока в индуктивности компен-

сатора Lк в одном направлении, а тиристор VS2к – в обратном направлении.

Рис. 28. Индуктивно-тиристорный компенсатор

Стабилизирующее действие компенсатора основано на том, что при изменении тока нагрузки происходит изменение угла управления на

тиристоры компенсатора VS1к, VS2к относительно моментов отпира-

ния тиристоров инвертора.

Из-за этого изменяются эквивалентная индуктивность и ток компенсатора, что обеспечивает неизменность угла опережения инвертора , а следовательно, выходного напряжения инвертора Uн. В схеме с индук-

тивно-тиристорным компенсатором для его устойчивой работы необходимовведение в систему управленияобратнойсвязи по напряжению.

1.6. Однофазный АИР

Автономный резонансный инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное повышенной частоты (от 500 Гц до 10кГц и выше).

Автономные резонансные инверторы выполняют преимущественно однофазными мостовыми с использованием однооперационных тиристоров.

Процессы в АИР характеризуются колебательным (резонансным) перезарядом конденсатора в цепи с индуктивностью, в которую может входить и индуктивность нагрузки.

32

Конденсатор в АИР может включаться параллельно или последовательно с нагрузкой, образуя соответственно контур с параллельным или последовательным резонансом. В зависимости от этого различают параллельные или последовательные АИР.

Параллельный АИР выполнен по схеме, как и однофазный параллельный АИТ. В нем величину индуктивности катушки и емкости конденсатора рассчитывают так, чтобы при отпирании пары накрест лежащих тиристоров процесс перезаряда конденсатора носил колебательныйхарактеризаканчивалсязаполпериода. Врезультатевыходной ток инвертора имеет форму разнополярных полуволн синусоиды, а ток на входе инвертора – прерывистый. Напряжение на нагрузке близко к синусоидальной форме.

На практике чаще используют последовательное или последова- тельно-параллельное включение конденсаторов. Простейшая схема автономного последовательного резонансного инвертора показана на рис. 29.

Рис. 29. Однофазный АИР

Частота собственных колебаний резонансного контура определится

как

Частота собственных колебаний контура f0 определяет допусти-

мую частоту следования отпирающих импульсов на тиристоры инверторного моста f. Необходимо обеспечить условие f0 f . Тогда

перезаряд конденсатора будет заканчиваться раньше, чем откроется тиристор другого плеча моста, а в токах нагрузки и источника питания

33

возникнут бестоковые паузы. Эти паузы необходимы для запирания работающих ранее тиристоров.

Временны´ е диаграммы, поясняющие работу последовательного автономного резонансного инвертора, изображены на рис. 30.

При подаче управляющих импульсов на тиристоры VS2, VS4 к нагрузке подключается напряжение источника питания E в принятом положительном направлении. В результате в течение интерва-

ла (0, T0 /2) начинается колебательный процесс перезаряда конденса-

тора от уровня –UСmax до уровня UСmax . Ток инвертора имеет синусоидальную форму, и к моменту времени T0 /2 спадает до нуля.

Здесь T0 1/ f0 – период собственных колебаний резонансного контура, а T 1/ f – период подачи управляющих импульсов на силовые

ключи. Напряжениеанод-катоднаоткрытыхтиристорахVS2, VS4 равно нулю.

В следующий интервал времени (T0 /2, T /2) все силовые ключи

закрыты, следовательно, ток и напряжение инвертора равны нулю. Конденсаторзаряжендоуровня UСmax . Повторому законуКирхгофа

имеем: Uак VS 2 UC Uак VS 4 E. Отсюда напряжение анод-катод на силовом тиристоре определится как

Uак VS 2 Uак VS 4 (E UC ) / 2.

Так как напряжение, до которого заряжается конденсатор, больше, чем напряжение источника питания, то напряжение на вентиле отрицательно, и тиристор восстанавливает свои запирающие свойства.

Время паузы должно удовлетворять условию

tп ( f – f0 ) / 2 kзапtвыкл,

здесь kзап 1,2 1,5 – коэффициент запаса, а tвыкл – время выклю-

чения тиристора (восстановления запирающих свойств).

При подаче управляющих импульсов на тиристоры VS1, VS3 в момент времени T/2 к нагрузке подключается напряжение источника питания E в обратном направлении. В результате в течение интерва-

34

протекает в обратном направлении и имеет синусоидальную форму. Напряжение анод-катод на закрытых вентилях VS2, VS4 равно величине напряжения источника E. Анод VS2 подключен к положительному выводу источника, а катод VS2 – к отрицательному выводу источника через открытый тиристор VS1. Тиристор VS4 подключен к источнику питания через открытый тиристор VS3.

Рис. 30. Временные диаграммы работы АИР

В последующий интервал времени (T /2 T0 /2, T ) все силовые

ключи закрыты, следовательно, ток и напряжение инвертора равны нулю. Конденсатор заряжен до уровня UСmax . По второму закону

Кирхгофа имеем: Uак VS 2 UC Uак VS 4 E. Отсюда напряжение анод-катод на силовом тиристоре определится как

Uак VS 2 UакVS 4 (E UC ) / 2.

Так как напряжение, до которого заряжается конденсатор, больше, чем напряжение источника питания, то напряжение на вентиле больше уровня напряжения источника питания.

35

Внешние характеристики АИР представлены на рис. 31.

Как показано на рисунке, уменьшение cos н ведет к увеличению напря-

жения нанагрузке. Спадающий характер внешней характеристики при неизмен-

ном cos н объясняется внешней ха-

рактеристикой источника питания и падениями напряжения в дросселе и на вентилях.

Особенность АИР – работа в режиме КЗ. Выходной ток инвертора определяется сопротивлением проводов, дросселя, вентилей и достигает довольно больших значений. В режиме ХХ работа АИР – невозможна, так как не формируются кривые выходного тока и напряжения.

Иногда при больших индуктивностях нагрузки применяется по- следовательно-параллельное включение конденсаторов, так как из-за

малого cos н возникают трудности оптимального использования

тиристоров по току и напряжению для получения требуемых мощностей и напряжений в нагрузке. Пример такого включения показан

на рис. 32. Включаемый параллельно нагрузке конденсатор Спар

настроен в резонанс с индуктивностью нагрузки Lн. Выходная цепь инвертора состоит из двух резонансных контуров, настроенных на одну

параллельный резонансный контур: Lн – Cпар (рис. 32).

Рис. 32. Резонансные контуры АИР

Повышение частоты автономных инверторов ограничено возрастанием потерь мощности при переключениях тиристоров, а также конечным временем выключения тиристора.

36

Введя обозначение tи / Т – коэффициент заполнения, который может изменяться в пределах от нуля до единицы, получим

Uн Е.

Широтно-импульсное регулирование (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов (tи) при

неизменном периоде их следования (Т).

При коэффициенте заполнения, равном нулю, напряжение на

нагрузке также равно нулю, а при = 1 напряжение на нагрузке равно ЭДС источника питания.

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится изменением частоты следования импульсов при их неизменной длительности. Поскольку частота – это величина, обратная периоду f = 1/Т, получим

Uн Еtи / Т Еtи f .

Наибольшее напряжение в нагрузке при ЧИР обеспечивается при предельной частоте следования импульсов: f fmax 1/ tи. При ча-

стоте, близкой к нулю, выходное напряжение равно нулю. Времяимпульсный способ регулирования (ВИР), представляющий

комбинацию ШИР и ЧИР, при котором регулируются оба параметра (tи, Т), не получил широкого распространения.

Наибольшее применение в ИППН нашли широтно-импульсный и частотно-импульсный способ регулирования выходного напряжения.

2.1.1. Однотактный ИППН

Простейшая схема однотактного ИППН и временны´ е диаграммы, поясняющие ее работу, изображены на рис. 34. В этом разделе не будем рассматривать способы запирания тиристора, которые уже были рассмотрены ранее.

Первая эпюра показывает состояние силового тиристора VS: открыт он или закрыт. Применение фильтра (обычно индуктивного Lф)

необходимо для сглаживания пульсаций выходного тока. Обратный диод VD0 необходим для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом силовом ключе VS.

Рассмотрим работу схемы (рис. 34). Когда тиристор VS открыт, в нагрузку приложена ЭДС источника Е. Ток в нагрузке нарастает с по-

38

стоянной времени, определяемой индуктивностью и активным сопротивлением цепи = 1/(RC).

Рис. 34. Однотактный ИППН

Когда тиристор закрывается с помощью узла принудительной коммутации, напряжение на нагрузке становится равным нулю. Ток

нагрузкизамыкаетсячерезнулевойдиодпоцепи el – VD0 – Lф – el .

Энергия индуктивности расходуется в активном сопротивлении цепи протекания тока, который уменьшается по экспоненциальному закону. Пульсации тока в нагрузке сглаживаются как собственной индуктивностью нагрузки, так и индуктивностью фильтра.

2.1.2. Многотактный ИППН

При переходе к большим мощностям (более 100 кВт) требуется большое число параллельно включенных тиристоров, кроме того, при больших токах трудно реализовать дроссель с большой индуктивностью. Поэтому ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу включением параллельно нескольких (m) преобразователей, работающих на одну нагрузку от общего источника питания.

Для снижения пульсаций вентили открываются со сдвигом 2 /m. Схема и временны´ е диаграммы, поясняющие работу трехтактного

ИППН с поочередной работой вентилей, представлены на рис. 35. Управляющие сигналы на силовые ключи сдвинуты на угол 2π/3. Длительность открытого состояния тиристоров для регулирования выход-

39

ного напряжения меняется от нуля до 2π/3. Ток нагрузки равен сумме токов отдельных преобразователей.

Рис. 35. Трехтактный ИППН с поочередной работой вентилей

На рис. 36 показаны временны´ е диаграммы, поясняющие работу четырехтактного ИППН с перекрытием. Как видно из временны´ х диаграмм, запериодповторениявыходногонапряженияимеютсямоменты, когда несколько силовых ключей открыты одновременно. Отметим, что режим работы с перекрытием обычно используется при числе тактов (m) больше трех. В этом режиме напряжение на нагрузке опреде-

лится следующим образом: Uн.экв (k / m)Е, где k – число одновременно работающих преобразователей.

Рис. 36. Четырехтактный ИППН

40