4.2 Дворівневі автономні інвертори напруги

Автономний інвертор напруги (АІН) формує в навантаженні напругу, а форма струму визначається параметрами навантаження. В схемі АІН використовуються повністю керовані ключі: транзистори або тиристори, що вимикаються за колом керування. Тиристори, що не вимикаються за колом керування використовуються в комбінації з вузлами примусової комутації з попередньо зарядженим конденсатором.

Дворівневі АІН живляться від джерела постійного струму з двома рівнями напруги (0, U).

Особливості АІН:

1. Джерело постійного струму працює в режимі джерела ЕРС. Для цього паралельно до входу АІН вмикається конденсатор С_Одостатньо великої ємності, що надає джерелу властивості генератору напруги (напруга на вході АІН незмінна). Ключі схеми комутують джерело, чим забезпечується змінювання напрямку напруги на навантаженні. При цьому вхідний струм змінюється стрибком, що не припускає наявності індуктивності на вході АІН. Для виключення впливу індуктивності вхідних кіл конденсатор фільтру встановлюється біля ключів АІН.

2. Схема вентильного комутатора повинна мати двобічну провідність, що і забезпечує обмін енергією між активно-індуктивним навантаженням і джерелом (конденсатором на вході, якщо використовується випрямляч з однобічною провідністю).

Примітка: для передавання реактивної енергії (і активної) в мережу можна використовувати ведений мережею інвертор або активний випрямляч (п.5.1.2).

4.2.1 Базові схеми дворівневих автономних інверторів напруги

Схемотехніка автономних інверторів досить різноманітна: від досить простих малопотужних схем генераторів, що знаходять використання у промисловій електроніці до багаторівневих інверторів потужністю декілька МВт на напругу до 10кВ.

У даному навчальному посібнику обмежимося лише основними схемами, що використовуються для силових перетворювальних пристроїв. Слід відзначити, що принципи побудови їх схем в цілому нагадують знайомі нам основні схеми випрямлячів - нульову і мостову, проте виконують зворотну функцію.

Нульова схема однофазного АІН (з нульовим виводом трансформатора) приведена на рис.4.22. Схема містить у собі два ключі VT1, VD1 і VT2, VD2, а також трансформатор, первинна обмотка якого розподілена на дві половини (з кількістю витків w₁) і має вивід від середини (нульовий). В якості ключів використано транзистори зі зворотними діодами, що забезпечує їх двобічну провідність (діод вмикається при вимкненні транзистору іншого ключа, доки струм не зменшився до нуля). Це пов’язано з тим, що обмотка реального трансформатору має певну, хоча і невелику, індуктивність. Відповідно струм у обмотці має деякий зсув (відстає) від напруги. Ключі одним виводом (в даному випадку емітер) з’єднані між собою, інші їх виводи підключені до крайніх виводів первинної обмотки. Джерело постійного струму підключено між спільною точкою ключів і нульовим виводом первинної обмотки трансформатору. Навантаження підключено до вторинної обмотки трансформатору TV з кількістю витків w₂.

Схема працює наступним чином (для спрощення нехтуємо індуктивним опором обмоток – трансформатор ідеальний). При вмиканніVT1 ліва на рис.4.22 половина обмотки TV підключена до джерела і напруга на ній дорівнює и₁=U (з полярністю на рис.4.22 без дужок), струм в ній і₁. Така ж напруга внаслідок явища взаємоіндукції має місце і на правій половині первинної обмотки. При цьому на навантаженні отримуємо напругу и₂=nU (з урахуванням коефіцієнту трансформації n=w₁/w₂). Напруга, що прикладена до вимкненого в даний час транзистору VT2 дорівнює напрузі усій первинної обмотки і становить 2U. Таким чином формується позитивний напівперіод вихідної напруги. Негативний напівперіод формується при вмиканні транзистору VT2 (VT1- вимкнений).

Основним недоліком схеми є необхідність використання вихідного трансформатору, що як і у нульовій схемі випрямлення має завищену потужність. Ключі розраховані на подвійну напругу джерела. При використанні широтно-імпульсної модуляції є обмеження – вихідна напруга приймає лише два значення +nU, -nU (можлива лише двополярна ШІМ).

Внаслідок цього схема має обмежене використання при незначній потужності, де суттєво зменшення кількості ключів.

Позитивним моментом є те, що при використанні схеми зі спільним емітером, кола керування (U_К1 і U_К2) мають спільну точку і не потребують гальванічної розв’язки.

Найбільш поширені мостові схеми інверторів, що знаходять як самостійне використання, так і входять до складу більш складних пристроїв.

Мостові схеми інверторів. Базовим елементом мостової схеми інвертора є два послідовно з’єднаних ключі (провідність показана стрілкою) зі зворотними діодами (рис.4.23), що утворюють так зване плече інвертора. В якості ключів, зазвичай, використовуються повністю керовані прибори: транзистори або тиристори.

Ця схема також отримала назву напівмостова або нульова схема. Якщо схема використовується самостійно, навантаження вмикається між точкою А і середнім виводом джерела 0. Останній утворено послідовним з’єднанням конденсаторів С1 і С2, як розподілювача напруги джерела. Вважаємо, що ємності конденсаторів однакові і достатньо великі, при цьому напруга на кожному з них однакова і дорівнює половині напруги джерела U/2.

При вмиканні ключа К1 напруга на навантаженні незалежно від напрямку струму і_Н позитивна U_Н =U/2, при вмиканні К2 негативна U_Н =-U/2.

В мостових схема інверторів середній вивід джерела відсутній. Розглянута нижче однофазна мостова схема (рис.4.35 або 4.37) складається з двох однакових плеч, що з’єднані паралельно і підключаються до виводів джерела постійної напруги, навантаження вмикається між точками з’єднання ключів – у діагональ змінного струму. Аналогічна картина у трифазній мостовій схемі – три плеча з’єднані паралельно і підключені до джерела постійної напруги (рис.4.43).

Слід відзначити, що керування ключами плеча інвертору передбачає виключення можливості їх одночасного вмикання, коли має місце коротке замикання джерела і струм нічим не обмежується. Це досягається введенням затримки на вмикання ключів «dead time» - затримка за переднім фронтом імпульсу керування, що становить для IGBT τ=1-2 мкс. За цей час ключ, що виходить із роботи повинен повністю відновити свій вимкнений стан.