4.2. Автономные инверторы напряжения

В АИН источник работает в режиме источника напряжения, в качестве силовых элементов могут использоваться как тиристоры, так и транзисторы.

Схема однофазного транзисторного АИНс индуктивной нагрузкой приведена на рис. 4.6а. Здесь VD1…VD4 – обратные диоды, предназначенные для замыкания реактивного тока нагрузки. Формирование кривой выходного напряжения АИН осуществляется путем применения соответствующего алгоритма переключения силовых элементов.

Рис. 4.5

Временные диаграммы работы АИН с алгоритмом переключения = 180⁰приведены на рис. 4.6б. Управляющие импульсы подаются поочередно на одну из пар транзисторов – VT1, VT4 или VT2, VT3. Пусть к моментуt = 0 открыты транзисторы VT2, VT3, ток нагрузки замыкается по контуру VT3-Z_н-VT2-E. В моментt = 0 транзисторы VT2, VT3 запираются, а на VT1, VT4 – подаются управляющие импульсы, но ток нагрузки, поддерживаемый энергией накопленной в индуктивности, продолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по контуру Z_нVD1EVD4. В моментt₁ток нагрузки меняет направление и на интервалеt₁ <t<замыкается по контуруVT1Z_нVT4E. В течение всего полупериода выходного напряжения нагрузка подключена к источнику вначале через VD1, VD4, а затем – через VT1, VT4 так, что u_н= Е. На интервале<t< 2процессы протекают аналогично, но u_н=Е. В результате на выходе АИН формируется переменное напряжение в виде полного прямоугольника. Форма напряжения не зависит от параметров нагрузки (L_н, R_н).

Обычно требуется регулировать не только частоту, но и величину выходного напряжения АИН. В рассмотренном примере это возможно только при изменении напряжения на входе инвертора (например, с помощью управляемого выпрямителя).

Другой способ состоит в применении алгоритма управления, обеспечивающего паузу на нуле в кривой напряжения u_н (широтно-импульсное регулирование – ШИР). Один из вариантов такого алгоритма управления приведен на рис. 4.7. Напряжение на нагрузке формируется следующим образом. На интервале 0 <t <через VD1 (VT1) и VD4 (VT4) к нагрузке приложено напряжение +Е; на интервале<t <нагрузка через VT4 и через VD2 подключена к шине «минус» источника, при этом u_н= 0. Величина выходного напряжения изменяется при изменении. На интервале<t < 2аналогично формируется отрицательная полуволна напряжения.

Электромагнитные процессы в схеме за полупериод выходного напряжения протекают следующим образом. На интервале 0 < t <t₁реактивный ток нагрузки замыкается по контуру Z_нVD1EVD4; на интервалеt₁<t <токi_нменяет направление и замыкается по контуруVT1Z_нVT4E. На интервале<t <транзистор VT1 заперт, на VT2 – подается управление, ток нагрузки протекает в прежнем направлении, замыкаясь по контуру Z_нVT4шина «минус»VD2.

Трехфазный автономный инвертор напряжения(рис. 4.8) выполнен по мостовой схеме. Напряжение на нагрузке при алгоритме управления с= 180^o(рис. 4.9) формируется следующим образом. В любой момент времени одна фаза нагрузки через соответствующую пару силовой транзистор – обратный диод подключена к шине «минус», а две другие – к шине «плюс» или наоборот: одна фаза подключена к шине «плюс», а две другие – к шине «минус». Соответственно фазное напряжение на последовательно включенной фазе равно2/3Е, а на

a)

б)

Рис. 4.6

параллельно включенной 1/3Е. Знак напряжения зависит от того, к какой шине подключается фаза нагрузки.Структура силовой части АИН изменяется через каждую треть периода, в результате фазное напряжение имеет прямоугольно-ступенчатую форму, а линейное напряжение – форму импульса длительностью 2/3 и паузой на нуле/3. Фазный ток нагрузки является реакцией на фазное напряжение.

Рис. 4.7

Рис. 4.8

Ток в звене постоянного тока i_dравен току в последовательно включенной фазе. Если фазный ток меняет знак при</3, реактивный ток данной фазы замыкается через две другие фазы. В этом режиме имеют место интервалы, когда проводят два транзистора и один диод, и интервалы, когда проводят три транзистора. При этом ток i_dвсегда имеет положительное направление. Если>/3, то чередуются интервалы, когда проводят два транзистора и один диод или два диода и один транзистор. В этом режиме реактивный ток фазы нагрузки не может полностью скомпенсироваться в двух других фазах и ток i_dимеет интервалы с отрицательным направлением тока. Для компенсации этого тока при питании АИН от выпрямителя на входе АИН устанавливают конденсатор.