10.11. Инверторы

Инвертированием называется процесс, обратный выпрямлению, т.е. преобразование постоянного тока в переменный, а инверторами — устройства, реализующие этот процесс.

Различают инверторы, ведомые сетью, и автономные инверторы. Первые служат для передачи энергии в сеть с переменным током заданной частоты, которая и определяет необходимую частоту преобразования. Вторые служат для питания автономных приемников, а частота преобразования задается системой управления инвертором.

А. Инверторы, ведомые сетью. У однофазного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора для зарядки аккумулятора (рис. 10.49) угол управления 0 < а < 90° (см. рис. 10.47), постоянные ЭДС Е и ток i_н = I₀ аккумулятора направлены встречно, что соответствует передаче энергии из сети переменного тока в цепь постоянного тока.

Если увеличить угол управления 90° < a < 180° и изменить направление постоянной ЭДС Е аккумулятора на противоположное, то последний может не потреблять энергию и отдавать ее в сеть переменного тока, т. е. процесс выпрямления сменится на инвертирование.

Рассмотрим условия возникновения установившегося процесса инвертирования подробнее, сохранив в цепи инвертора (рис. 10.50) обозначения и направления токов и напряжений, принятые для одноименного выпрямителя (см. рис. 10.49).

В установившемся режиме ток в ветви с аккумулятором постоянный (i_н = I₀), так как предполагается, что у сглаживающего фильтра индуктивность L_ф ->°°. Заметим, что если в выпрямителе сглаживающий фильтр может и отсутствовать (см. рис. 10.44), то в инверторе он определяет принцип его работы.

Процесс переключения тиристоров в инверторе аналогичен их переключению в выпрямителе на рис. 10.47. Примем, что к моменту времени t = 0 (рис. 10.51, а) тиристор VS₂ был открыт, а тиристор VS₁ закрыт. Последующие переключения тиристоров задаются двумя последовательностями импульсов управления u_уп1 и u_уп2 с периодом повторения Т = 2p/w, сдвинутыми относительно друг друга на половину периода T/2 (рис. 10.51, б). Первый после момента времени t = 0 импульс управления u_уп1 открывает тиристор VS₁, и напряжение между его анодом и катодом станет равно нулю u_VS1 = 0. Если при -этом угол управления

a < 180°, (10.18) то напряжение между анодом и катодом ранее проводившего тиристора, как следует из второго закона Кирхгофа, составленного для контура 1 цепи, будет иметь отрицательное значение (u_VS2 = u₂ – u₁ < 0), что приведет к его запиранию. Одновременно положительное напряжение u₁ + Е > 0, действующее в контуре 2 цепи, определяет ток в открытом тиристоре VS₁ и аккумуляторе i₁ = i_н = I₀.

При значении угла управления a > 180° напряжение между анодом и катодом ранее проводившего тиристора VS₂ будет иметь положительное значение (u_VS2 = u₂ – u₁ > 0) и его запирания не произойдет. Это явление называется срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.

Запирание ранее проводившего тиристора под действием обратного напряжения, равного напряжению сети переменного тока, трансформированному на вторичной обмотке трансформатора, определяет название инвертора — ведомый сетью.

Через половину периода после включения тиристора VS₁ и выключения тиристора VS₂ под действием импульса управления u_уп2. откроется тиристор VS₂. Одновременно напряжение между анодом и катодом тиристора VS₁ станет отрицательным (u_VS1 = u₁ – u₂ < 0) и он запирается. Далее процесс переключения тиристоров периодически повторяется так, что токи в них представляют собой две последовательности прямоугольных импульсов длительностью T/2 и амплитудой I₀. сдвинутые относительно друг друга на 1/2 периода (рис. 10.51, в) .При этом ток в цепи аккумулятора i_н = i₁ + i₂ = I₀ постоянный (рис. 10.51, г), а в первичной обмотке трансформатора i = w₁/w₂(i₁ – i₂) состоит из последовательности импульсов разного знака (рис. 10.51, г). Напряжение на ветви с последовательным соединением аккумулятора и сглаживающего фильтра равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора u_н = u₁ в интервалах времени, когда тиристор VS₁ открыт, а тиристор VS₂ закрыт, и u_н = u₂ в интервалах времени, когда тиристор VS₂ открыт, а тиристор VS₂ закрыт (рис. 10.51, д). Переменная составляющая определяет напряжение на сглаживающем фильтре, а его постоянная составляющая — напряжение на аккумуляторе

U₀ = r_втI₀ – E. (10.19)

Из (10.19) видно, что ток аккумулятора

I₀= (Е + U₀)/r_вт (10.20)

имеет положительное значение, если выполняется условие Е + V₀ > 0 или с учетом соотношения (10.15),

(10.21)

Условие (10.21) и ограничение (10.18) определяют значение угла управления в режиме инвертирования

90° < a < 180°. (10.22)

При этом напряжение U₀ < 0 и развиваемая аккумулятором мощность P = EI₀ имеет положительное значение, а мощность цепи первичной обмотки трансформатора, для вычисления которой надо определить первую гармонику тока i₍₁₎ (показана на рис. 10.51,г штриховой линией), P = UI₍₁₎cosa — отрицательное значение, т.е. сеть переменного тока является приемником, а аккумулятор — источником энергии.

Если значение угла управления

0 < a < 90°, (10.23)

то напряжение U₀ > 0. В этом случае как мощность, развиваемая аккумулятором, так и мощность первичной цепи трансформатора имеет положительные значения. Энергия, поступающая из сети переменного тока и аккумулятора, преобразуется в тепловую энергию, которая рассеивается во внутреннем сопротивлении r_вт последнего.

Работу инвертора часто определяют не значением угла управления a (10.22), а значением угла опережения

0 < b = 180° – a < 90°. (10.24)

Практически угол опережения не может быть меньше некоторого минимального значения b_min, необходимого для восстановления непроводящих свойств тиристора. Для заданного значения угла опережения на основании (10.19) и (10.21) можно найти зависимость необходимого значения ЭДС E от тока нагрузки I₀ и угла опережения b:

(10.25)

Из соответствующего уравнению (10.25) семейства характеристик (рис. 10.52) видно, что, изменяя угол опережения b, можно изменять ток нагрузки I₀, а следовательно, и мощность P = EI₀ при E = const.

Инверторы часто применяются в электроприводе для питания от сети переменного тока машин постоянного тока. Последние могут работать в режиме двигателя или генератора, т. е. потреблять или отдавать энергию. При соответствующем изменении угла управления а и переключении цепей машины одно и то же устройство преобразования может служить как выпрямителем для питания двигателя (см. рис. 10.49), так и инвертором для использования энергии генератора (см. рис. 10.50). Мощность инверторов, ведомых сетью, достигает 100 кВт и более.

Б. Автономные инверторы. Различают автономные инверторы тока и напряжения. Инвертор тока получает энергию от источника питания через сглаживающий фильтр большой индуктивности. Инвертор напряжения подключается непосредственно к источнику питания с малым внутренним сопротивлением.

Рассмотрим установившийся режим работы однофазного автономного инвертора тока с нулевым выводом трансформатора (рис. 10.53), положив, что к моменту времени t = 0 тиристор VS₁ был закрыт, тиристор VS₂ открыт, конденсатор цепи коммутации емкостью С_к заряжен так, как показано на рис. 10.53 знаками плюс и минус без скобок, трансформатор идеальный и сопротивление цепи нагрузки r_н. В цепь источника постоянной ЭДС E включен сглаживающий фильтр с индуктивностью L_ф -> °°. Поэтому ток источника постоянный i = I

(рис. 10.54, а).

Первый после момента времени t = 0 импульс управления u_уп1 (рис. 10.54, б) открывает тиристор VS₁, и начинается разрядка конденсатора по контуру цепи, отмеченному на рис. 10.53 штриховой линией. При этом ток разрядки конденсатора закрывает тиристор VS₂ и поддерживает открытое состояние тиристора VS₂. В результате быстро протекающего переходного процесса тиристор VS₁ откроется и ток в нем увеличится до значения i₁ = I (рис. 10.54, в), а тиристор VS₂ закроется и ток в нем уменьшится до нуля (i₂ = 0). Далее конденсатор под действием напряжения на первичной обмотке трансформатора u = 2Е перезарядится так, как показано на рис. 10.53 знаками плюс и минус в скобках. Через половину периода под действием импульса управления и_уп2 откроется тиристор VS₁ и разрядка конденсатора по тому же контуру цепи в направлении, обратном предшествующей разрядке, закроет тиристор VS₁. Под действием напряжения на первичной обмотке трансформатора и = –2Е конденсатор перезарядится, как показано знаками плюс и минус без скобок.

Далее процесс переключения тиристоров будет периодически повторяться с частотой следования импульсов управления (рис. 10.54,б).

Токи тиристоров i₁ и i₂ представляют собой две последовательности прямоугольных импульсов длительностью T/2 и амплитудой I, сдвинутые относительно друг друга на 1/2 периода (рис. 10.54, в), а ток нагрузки i_н = w₁/w₂(i₁ – i₂) — последовательность знакопеременных импульсов (рис. 10.54, г). Его максимальное значение ?????????? , где r_н' = (w₁/w₂)²r_н — приведенное сопротивление вторичной цепи трансформатора к первичной (9.8).

Принцип работы автономного инвертора напряжения рассмотрим на примере однофазного инвертора с нулевым выводом (рис. 10.55). Он содержит основные тиристоры VS₁ и VS₂ большой мощности для переключения тока в приемнике с сопротивлением нагрузки r_н и узел коммутации, указанный на рис. 10.55 штрихпунктирной линией. Последний содержит вспомогательные тиристоры VS_к1. и VS_к2, малой мощности, диоды VD₁ и VD₂, включенные параллельно и встречно основным тиристорам, и ветвь последовательно включенных конденсатора C_к и катушки индуктивности L_к. Конденсаторы большой емкости C₁ = C₂ выполняют роль делителя напряжения источника постоянной ЭДС Е на две равные части.

Примем, что в исходном состоянии тиристор VS₁ открыт, тиристоры VS₂, VS_к1 и VS_к2 закрыты, конденсатор C_к заряжен так, как показано знаками плюс и минус без скобок, до напряжения U₀ и конденсатор C₁ разряжается через тиристор VS₁ и цепь нагрузки, ток в которой равен i_н= E/2r_н.

Чтобы изменить направление тока в цепи нагрузки, нужно сначала закрыть тиристор VS₁, а затем открыть тиристор VS₂. Для этого с помощью управляющего импульса системы управления (СУ на рис. 10.55 не показана) открывается вспомогательный тиристор VS_к1. Начинается разрядка конденсатора C_к (см. рис. 5.6 и 5.8).

В процессе коммутации можно выделить три следующих друг за другом этапа (рис. 10.56). На первом этапе в интервале времени t₂ – t₂ ток разрядки i_C < i_н = E/2r_н замыкается по цепи тиристора VS₁ (контур 1), прямой ток которого i_н – i_C > 0. Прямое падение напряжения на тиристоре поддерживает диод VD₁ в закрытом состоянии.

В момент времени t₂ ток в тиристоре уменьшится до нуля и он закроется. После закрывания тиристора VS₁ в интервале времени t₃ – t₂ ток разрядки i_C > i_н = E/(2r_н) будет замыкаться через диод VD₁ (контур 2). При этом прямое падение напряжения на диоде поддерживает тиристор VS₁ в закрытом состоянии до полного восстановления его управляющих свойств.

Одновременно происходит перезарядка конденсатора C_к так, как показано на рис. 10.55 знаками плюс и минус в скобках. Это подготавливает узел коммутации к следующему этапу переключения тиристоров. В момент времени t₃ прямой ток диода i_C – i_н уменьшится. до нуля, диод закроется и начинается завершающий этап коммутации, на котором ток разрядки i_C = i_н замыкается через цепь нагрузки (контур 3). При этом конденсатор С_к получает энергию от источника, компенсирующую ее потери на предыдущих этапах коммутации, и заряжается до напряжения –U₀. В момент времени t₄ ток разрядки i_C = 0 уменьшается до нуля и вспомогательный тиристор VS_к1 закрывается. После окончания процесса перезарядки конденсатора под действием управляющего импульса системы управления открывается основной тиристор VS₂. Направление тока нагрузки изменится на обратное, и этот ток будет равен току разрядки конденсатора C₂. Далее процесс коммутации тиристоров будет периодически повторяться С частотой следования импульсов управления.

На основе автономного однофазного инвертора с нулевым выводом можно создать автономные мостовые однофазные, а также многофазные инверторы.

Мощность автономных инверторов, как правило, меньше мощности инверторов, ведомых сетью.