28.Принципы построения активных силовых преобразователей.

Принцип преобразования параметров электрической энергии с помощью полупроводниковых ключевых элементов состоит в периодическом соединении и разъединении каждого из выводов входной электрической системы с каждым из выводов выходной электрической системы с определенной функцией во времени (алгоритм коммутации). Помимо основных ключей иногда используются дополнительные ключи соединяющие между собой входные и выходные выводы для обеспечения взаимного обмена реактивной энергией между фазами систем или накапливания этой энергии в индуктивностях источника и нагрузки.

При рассмотрении принципа выполнения силовой цепи преобразователя ключи в общем случае являются идеальными, т.е. обладают двухсторонней проводимостью в замкнутом (открытом) состоянии и двухсторонней блокировкой приложенного напряжения в разомкнутом (закрытом) состоянии. Такие ключи должны использоваться в преобразователях переменного напряжения, а также в некоторых обратимых и реверсивных преобразователях других категорий. Для упрощения и повышения КПД в тех преобразователях, где по ключу проходит ток одного направления или приложено напряжение одного направления, используются ключи с односторонней проводимостью или односторонней блокировкой.

Вместо биполярных транзисторов, могут использоваться полевые транзисторы, запираемые тиристоры и т. п. С развитием полупроводниковой интегральной технологии следует ожидать появления новых элементов, выполняющих функции ключа любого класса.

В преобразователях в качестве основных ключей могут в некоторых случаях использоваться и более простые элементы - неуправляемые ключи (диоды и динисторы) и частично управляемые ключи (обычные тиристоры). Функции этих ключей весьма ограничены, так как их коммутация определяется режимом силовой цепи, и в данной книге они практически не рассматриваются.

Для выбора конкретного схемотехнического решения силового контура преобразователя необходимо определить расчетные мощности (токи) всех силовых элементов, по которым можно судить о массе и габаритах элементов и преобразователя в целом, и потери мощности в элементах, по которым можно судить о КПД преобразователя.

29. Автономные инверторы (Тока и напряжения)

Автономные инверторы в отличие от инверторов зависимых не нуждаются в сети переменного тока в процессе преобразования энергии и параметры преобразованной энергии определяются схемой инвертора, режимом работы и системой управления.

По характеру элек­тромагнитных процессов автономные инверторы подразделяются на ин­верторы тока, инверторы напряжения и резонанс­ные инверторы. Рас­смотрим их принципи­альные различия. Инвер­тор тока (рис.4.9) пита­ется от источника тока. Сам инвертор представ­ляет собой мост из клю­чей K₁ – К₄, в одну диа­гональ которого вклю­чен источник питания U_пит, а в другую – на­грузка Z_н.

Нагрузка инвертора тока должна обязательно иметь емкостной характер. Поскольку в большинстве случаев нагрузка инверторов имеет активно-индуктивный характер, то параллельно нагрузке Z_н нужно включать конденсатор С такой емкости, чтобы результирующий характер цепи нагрузки был емкостным.

Источник питания, в роли которого выступает источник тока, обеспечивает на входе инвертора ток I_d, постоянный во времени и не зависящий от нагрузки. Пусть в точке θ = 0 замыкаются ключи К₁ и К₃. По нагрузке потечет ток I_d слева направо, а конденсатор С заряжается до напряжения U_c указанной полярности. В точке ₁ ключи К₁ и К₃ размыкаются, а замыкаются ключи К₂ и К₄. Ток нагрузки мгновенно изменяется на противоположный по направлению, а конденсатор С перезаряжается до напряжения противоположной полярности. Далее процессы повторяются в точках ₂, ₃ ... Таким образом, ток на выходе инвертора имеет прямоугольную форму, а напряжение – определяется параметрами цепи нагрузки. Для инвертора тока характерно, что ток нагрузки опережает напряжение на угол , называемый углом опережения. Поскольку идеальных источников тока не существует, то для придания свойств источника тока обычным источникам питания (аккумуляторам, электромашинным генераторам постоянного тока, выпрямителям и т.д.) последовательно с ними включается дроссель L_d большой индуктивности.

Инвертор напряжения (рис.4.10) использует в качестве источника питания источник напряжения. В схемном отношении инвертор напряжения такой же мост на ключах К₁ – К₄. В отличие от инвертора тока нагрузка должна быть либо активной, либо активно-индуктивной, но не емкостной, т.к. в противном случае в силовых ключах будут недопустимо большие броски тока, способные вывести их из строя. Пусть в точке = 0 замыкаются ключи К₁ и К₃. К нагрузке от источника питания прикладывается напряжение U_пит и начинает протекать ток i_н, определяемый нагрузкой Z_н. В точке ₁ ключи К₁ и К₃ размыкаются, а ключи К₂ и К₄ замыкаются. К нагрузке прикладывается напряжение U_пит противоположной полярности, но при активно-индуктивном ее характере ток в индуктивности не может мгновенно изменить свое направление. Под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности нагрузки, ток i_н будет протекать в прежнем направлении, преодолевая противо ЭДС источника U_пит и постепенно снижаясь до 0. И только в точке (θ₁ + ) ток в нагрузке изменяется на противоположный. Далее процессы повторяются. Если ключи (К₁ – К₄) имеют одностороннюю проводимость, то тогда ток нагрузки на участке  замыкается через вентили В₂ – В₄ в положительных полупериодах и В₁ – В₃ в отрицательных. Эти вентили называются вентилями обратного тока, так как на интервалах их проводимости () энергия, запасенная в индуктивности нагрузки (реактивная энергия), возвращается в источник питания. Для придания свойств источника напряжения обычным источникам питания параллельно им включают конденсатор С большой емкости.

В резонансных инверторах нагрузка входит в состав колебательного контура, настраиваемого на определенную частоту, в результате чего токи и напряжения там близки к синусоидальным. Иногда для получения колебаний высокой частоты несколько инверторов объединяют в одну схему (многоячейковые инверторы).

Во всех типах автономных инверторов в качестве ключей обычно используют полностью управляемые вентили (транзисторы, двухоперационные тиристоры). Можно использовать также вентили с частичной управляемостью (тиристоры), если снабдить их дополнительным устройством – коммутационным узлом, способным выключить тиристор в любой момент времени. Существует большое количество различных схем для коммутации тиристоров, но все они сводятся к следующим основным способам.