Преобразовательная техника
.pdf
в состав цепи нагрузки удобно использовать для их коммутации.
В зависимости от способа включения конденсатора в цепь нагрузки
различают |
параллельные, |
последовательные |
и |
последовательно- |
|
||
параллельные инверторы тока. |
|
|
|
|
|||
|
4.2.1.1. Параллельные инверторы тока |
|
|
||||
Рассмотрим |
схему |
однофазного |
мостового |
инвертора |
тока |
||
(рис. 4.17). В точке q = 0 включаются тиристоры Т1 и T3 . Ток в цепи |
|
||||||
нагрузки |
протекает |
слева направо(положительный |
полупериод). При |
|
|||
этом конденсатор Ск заряжается от источника питания (полярность без
|
+ |
|
Ld |
|
|
|
|
|
T1 |
+ C |
|
T2 |
|
|
|
|
|
|||
|
Uпит |
|
|
(-) |
(+) |
|
|
|
T4 |
Zн |
T3 |
||
|
|
|
||||
|
- |
|
|
|
|
|
u, |
i |
+ i |
uC |
|
|
|
i |
|
|
|
|||
b |
н |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q1 |
q2 |
|
|
|
|
|
b |
|
|
q |
|
Рис. 4.17. Параллельный инвертор тока |
|
|
|
||
скобок). В |
точке q1 |
включаются тиристорыТ2 и T4 . |
Ток |
в |
цепи |
|
нагрузки |
меняется |
на |
противоположный, а тиристоры Т1 |
и |
T3 |
|
закрываются, так как |
кним |
оказывается подключенным |
конденсатор |
|||
Cк в запирающем направлении. Через тиристоры Т2 и T4 |
конденсатор |
|||||
начинает перезаряжаться, и в течение интервала β полярность на нем
сохранится |
первоначальной, в результате чего |
тиристорыТ1 и T3 |
||
восстанавливают свои управляющие свойства. Отсюда требование: |
||||
|
|
1 |
b ³ bmin = wtвыкл , |
(4.22) |
где w = 2pf , |
f = |
– выходная частота инвертора. |
|
|
|
|
|||
T
131
В |
противном |
случае |
тиристоры не успеют |
закрыться |
и в точке |
|
|||
(q1 + b) |
откроются |
снова. Открытие всех четырех |
вентилей инвертора |
|
|||||
приведет |
к |
короткому |
замыканию |
источника |
питания |
и |
|||
«опрокидыванию» инвертора. |
|
|
|
|
|
||||
После |
перезарядки |
конденсатораCк |
процессы повторяются |
|
|||||
в точках q2 , |
q3 и т. д. Для изучения основных свойств параллельного |
|
|||||||
инвертора тока воспользуемся методом первой гармоники, |
будем |
|
|||||||
считать, что ток и напряжение на выходе инвертора синусоидаль- |
|
||||||||
ны. Тогда векторная диаграмма |
инвертора имеет |
вид, показанный на |
|
||||||
рис. 4.18. Здесь Iн – ток нагрузки, IC – ток конденсатора, Idi – ток эквивалентного источника переменного тока, которым заменяется реальный источник питания инвертора.
|
Uн |
Edi |
|
IС |
A |
Idi |
Iн |
b |
jн |
Рис. 4.18. Векторная дмаграмма параллельного инвертора тока
При замене реального источника питания с напряжениемUпит эквивалентным источником переменного тока исходим из следующих
соображений: |
|
|
|
|
|||||
|
1. Эквивалентный источник генерирует так же, как и реальный |
||||||||
источник |
питания, только активную |
|
мощностьPи = Edi Idi = Ud Id . |
||||||
Поэтому эти векторы совпадают друг с другом по фазе. |
|||||||||
|
2. Связь между напряжением Edi |
и Uпит |
реального источника |
||||||
устанавливается на основании теории |
выпрямителей( Ed = kсх E2 , где |
||||||||
kсх = |
Ed |
|
– коэффициент схемы, определяемый |
схемой выпрямителя. |
|||||
E2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Для однофазной мостовой схемы kсх = |
2 |
|
2 |
= 0,9 ). |
|
||||
|
p |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
В нашем случае E2 заменяем на Edi , |
Ed на Uпит . |
|||||||
132
Отсюда
Edi = |
Uпит |
. |
(4.23) |
|
kсх |
||||
Из рис. 4.18 находим: |
|
|
||
|
|
|
||
Iнcosjн = Idi cos β, |
|
|||
Edi Idi = Uн Iн cos jн = UнIdi cos β, |
|
|||
Edi = Uн cosβ . |
(4.24) |
|||
Отсюда следует, что в любом режиме векторUн |
представляет |
|||
собой диаметр окружности, по которой |
перемещается |
конец вектора |
||
Edi . Из соотношения активной Pи и реактивной мощности Qи инверто-
ра имеем: |
|
|
|
|
|
Qи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= tgβ , |
|
|
|
|
|
(4.25) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Pи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q =U 2ωC -U |
|
I |
н |
sin j , |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
и |
н |
н |
|
н |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Uн2wC |
Pи =Uн Iн cos jн , |
|
|
|
|||||||
|
|
|
tgβ = |
-UнIн sin jн |
= |
|
1 |
|
- tgjн , |
(4.26) |
||||||
|
|
|
UнIн cos jн |
|
Y * cos j |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|||||||
|
Yн |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
||
где Y * = |
, Y = |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
н |
ωC |
н |
|
Zн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из (4.26) получаем зависимость b = f (Yн* )(риc. 4.19).
b 
jн = 0
jн1
jн2 > jн1
bmin |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Yн*кр2 Yн*кр1 Yн*кр |
|
Yн* |
|
|||
Рис. 4.19. Характеристика устойчивости |
|
||||||
параллельного инвертора тока |
|
||||||
Из (4.24) напряжение нагрузки Uн = |
Edi |
= |
Uпит |
. |
|||
cos β |
kсх cos β |
||||||
|
|
|
|
||||
133
Учитывая, что cosb = |
1 |
|
, тогда |
||
|
|
|
|||
1+ tg2b |
|||||
|
|
|
|||
Uн |
|
1 |
æ |
|
1 |
|
ö2 |
= |
1 + ç |
|
- tgj |
÷ . |
|||
|
|
|
|
||||
Uпит kcх |
çY * cos j |
|
н ÷ |
||||
|
|
|
è |
н |
н |
|
ø |
Это выражение представляет собой характеристики параллельного инвертора, вид которой рис. 4.20.
Uн
Uпит
jн = 0
jн1 jн2 > jн1
Yн*
(4.27)
уравнение внешней представлен на
Рис. 4.20. Внешняя характеристика параллельного инвертора тока
Выше было показано, что IdUпит = IнUн cos jн , где Id – входной
ток инвертора. Отсюда |
|
I |
d |
= |
Uн |
|
|
I |
н |
cos j |
н |
. |
Заменяя I |
н |
= |
Uн |
= U Y , |
||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Uпит |
|
|
|
|
|
|
|
н н |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zн |
||||||
входной ток инвертора |
I |
d |
= |
Uн2 |
Y cos j . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
Uпит |
|
н |
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Умножая обе части уравнения на |
|
|
, получим |
|
|
|
|||||||||||||||
wCUпит |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
Id |
|
= |
|
Uн2 |
|
Y * cos j |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
wCUпит |
Uпит2 |
н |
|
|
н |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
или
Id
wCUпит
|
π |
2 |
é |
æ |
|
1 |
= |
|
ê1 |
+ ç |
|
||
|
|
* |
|
|||
8 |
ê |
ç |
cos jн |
|||
ê |
èYн |
|||||
|
|
|
ë |
|
|
|
|
ö |
2 |
ù |
|
|
|
|
- tgj |
|
úY * cos j |
|
. |
(4.28) |
||
÷ |
|
н |
|||||
|
н ÷ |
|
ú |
н |
|
|
|
|
ø |
|
ú |
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
134
Полученное выражение представляет собой уравнение входной
характеристики инвертора I |
* = f (Y |
*) , вид которой представлен на |
||||
рис. 4.21. |
d |
н |
||||
|
|
|
|
|||
Id* |
|
jн = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
jн1 |
|
> jн1 |
|
|
|
|
jн2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Y |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.21. Входная характеристика |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
параллельного инвертора тока |
|
|
|
|
|
||||||
Общие закономерности параллельного инвертора сводятся к |
||||||||||||||
следующему: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. С увеличением нагрузки уменьшается угол b , т. е. уменьшается |
|
|||||||||||||
время, предоставляемое силовым тиристорам для восстановления их |
|
|||||||||||||
управляющих свойств. Причем эта зависимость тем круче, чем больше |
|
|||||||||||||
угол jн , т. е., чем больше индуктивный характер нагрузки. Поскольку |
|
|||||||||||||
βmin = ωtвыкл , |
то |
существуют |
критические |
значения |
нагрузки для |
|||||||||
каждого jн . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Параллельный |
инвертор |
тока |
имеет |
мягкую |
внешнюю |
|||||||||
характеристику |
Uн = f (Iн ) , |
крутизна |
|
которой |
зависит |
отjн . |
На |
|
||||||
холостом |
ходу (Y * = 0 ) |
эта |
характеристика |
устремляется |
в |
|||||||||
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бесконечность, |
поэтому |
этот |
режим |
является |
|
нерабочим |
из-за |
|||||||
перенапряжения на силовых элементах схемы. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
3. При |
(Y |
* =1) |
потребляемый |
от |
источника |
питания |
токI |
|
||||||
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
минимальный, так как в этом случае имеет место режим, близкий к |
|
|||||||||||||
резонансу. |
Резкое |
снижение |
выходного |
напряжения |
инвертора |
в |
||||||||
области |
малых |
|
нагрузок |
объясняется |
избыточной |
реактивной |
||||||||
мощностью конденсатора Cк , выбираемого из расчета компенсации |
|
|||||||||||||
реактивной мощности нагрузки в самых неблагоприятных режимах. Для |
|
|||||||||||||
устранения |
этого |
недостатка иногда |
в |
схему |
вводят |
дополнительные |
|
|||||||
135
отсекающие |
вентили B1 - B4 , |
исключающие |
обмен |
реактивной |
|
энергией между нагрузкой и конденсатором Cк (рис. 4.22). |
|
||||
|
Ld |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
T1 |
Cк1 |
T2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B1 |
Zн |
B2 |
|
|
|
Uпит |
|
|
|
|
|
|
B3 |
|
|
|
|
B4 |
Cк2 |
|
|
|
|
T4 |
|
T3 |
|
|
|
- |
|
|
|
|
Рис. 4.22. Однофазный мостовой инвертор с отсекающими вентилями |
|||||
В этом случае Cк разделяется |
на две |
половиныCк1 и Cк2 и |
||||
отделены от нагрузки вентилямиB1 - B4 , которые называются отсе- |
||||||
кающими, а емкость |
конденсаторов Cк1 и Cк2 выбирается |
только из |
||||
условия |
обеспечения |
коммутации |
силовых |
тиристоров, |
результате |
|
чего |
исключается |
влияниеCк1 |
и |
Cк2 |
на жесткость внешней |
|
характеристики. Параллельный инвертор тока может строиться и по схеме со средней точкой (рис. 4.23).
Zн
+ |
Cк1 |
|
|
T1 |
T2 |
Uпит |
|
Ld
- 
Рис. 4.23. Однофазный параллельный инвертор тока со средней точкой
В этом случае обязательным элементом является трансформатор Тр, имеющий вывод от средней точки в первичной цепи.
136
Точно так же, как и мостовой инвертор, эта схема может быть выполнена и с отсекающими вентилями (рис. 4.24).
Zн
Tp |
|
|
+ |
|
|
B1 |
Cк |
B2 |
T1 |
|
T2 |
Uпит |
|
|
Ld
- 
Рис. 4.24. Однофазный инвертор со средней точкой с отсекающими вентилями
Все вышесказанное справедливо и для трехфазного параллельного инвертора, который чаще выполняется по мостовой схеме (рис. 4.25).
Ld |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
T1 |
T2 |
C2 |
T3 |
Zн |
|
C1 |
|
||
Uпит |
C3 |
|
|
|
T4 |
T5 |
|
T6 |
|
- |
|
|
|
|
Рис. 4.25. Трехфазный мостовой инвертор тока |
||||
4.2.1.2.Последовательные инверторы тока
Впоследовательных инверторах тока конденсатор включается, в отличие от рассмотренного выше параллельного инвертора, тока последовательно в цепь нагрузки (рис. 4.26).
137
Ld |
|
|
|
+ |
|
|
|
T1 |
C |
Zн |
T2 |
Uпит |
|
||
|
Uн |
T3 |
|
T4 |
|
||
- |
|
|
|
Рис. 4.26. Последовательный инвертор тока
Используя тот же метод первой гармоники, что и в предыдущем случае, построим векторную диаграмму последовательного инвертора
(рис. 4.27).
Uн |
Iн , Idi , IC |
Edi UC
Uab
jн
b 
Рис. 4.27. Векторная диаграмма последовательного инвертора тока
Здесь ток нагрузки Iн и входной ток Idi есть одна и та же величина. Поэтому при замене реального источника питания на эквивалентный источник переменного тока имеет место равенство:
Edi Idi = Uн Iн cos jн .
Так как Iн = Idi , то |
|
Edi = Uн cos jн , |
(4.29) |
т. е. ЭДС эквивалентного источника равна падению напряжения на активном сопротивлении нагрузки.
Связь |
между Edi и Uпит |
определяется |
так , жекак |
и |
||||||
параллельного инвертора, из выражения (4.23). |
|
|
|
|||||||
Из (4.29) следует, что |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Uн = |
Edi |
= |
|
Uпит |
|
|
(4.30) |
||
|
cos jн |
kсх cos jн |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
и при постоянномUн |
конец |
вектора Edi должен |
в любом |
режиме |
||||||
перемещаться |
по |
окружности, построенной на |
вектореUн |
|
как |
|||||
138
на диаметре. Соотношение |
(4.25) |
для |
последовательного |
инвертора |
|||||||||||||
с учетом Iн = IC принимает следующий вид: |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
QC |
|
I |
2 |
1 |
-U |
|
I |
|
sin j |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
tgβ = |
= |
|
C ωC |
н |
|
н |
|
н |
= |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Pи |
|
UнIн cos jн |
(4.31) |
||||||||||||
|
|
|
I 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Y * |
|
||||
= |
|
|
|
н |
|
|
- tgj = |
|
н |
- tgj , |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ωCUнIнсosjн |
н |
|
|
|
|
|
н |
|
||||||||
|
|
|
|
|
cos jн |
|
|||||||||||
где Y * = |
Yн |
, Y |
= |
1 |
= |
Iн |
. |
|
|
|
|
|
|||||
н |
ωC |
н |
|
Zн |
Uн |
|
||
|
|
|
|
|||||
Как |
следует |
|
из этого выражения, угол |
,β в отличие от |
||||
параллельного |
инвертора, возрастает с ростом |
нагрузки(рис. 4.28). |
||||||
Поскольку β ³ βmin = ωtвосст , то |
каждому |
значению jн соответствует |
|||||||||||||||||
критическое значение Y * |
, меньше которого нагрузка последовательного |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инвертора быть не может. |
Uн |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||
Из (4.30) следует, что |
|
= |
|
|
|
|
или для однофазной мос- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
товой схемы инвертора |
|
Uпит |
|
|
kcх cos jн |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Uн |
|
= |
|
|
|
π |
|
. |
|
(4.32) |
|
|
|
|
|
|
Uпит |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
2 |
2 cos jн |
|
||||||||||||
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
p |
|
|
|
|
|
jн = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
jн1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
jн2 > jн1 |
|
||||
bmin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Y * |
Y * |
Y * |
|
|
|
|
Y * |
|
|||||||
|
|
|
|
|
н кр |
н кр1 н кр2 |
|
|
н |
|
|||||||||
Рис. 4.28. Характеристика усторйчивости |
|
||||||||||||||||||
|
последовательного инвертора тока |
|
|||||||||||||||||
Поэтому внешняя |
характеристика |
последовательного |
инвертора |
||||||||||||||||
не зависит от нагрузки и имеет, в соответствии с (4.32), вид (рис. 4.29).
139
Uн |
|
jн2 > jн1 |
|
Uпит |
|
|
|
|
|
jн1 |
|
|
|
jн = 0 |
|
Y * |
Y * |
Y * |
Y * |
н кр |
н кр1 |
н кр2 |
н |
Рис. 4.29. Внешняя характеристика |
|||
последовательного инвертора тока |
|||
Перенося |
на рис. 4.29 |
критические значения нагрузок |
для |
||
различных |
значений jн из |
рис. 4.28, получаем |
ограничительную |
||
характеристику |
последовательного инвертора(штриховая линия |
на |
|||
рис. 4.29), разделяющую рабочую и нерабочую области внешних харак- |
|||||
теристик. |
|
|
|
|
|
4.2.1.3. Последовательно-параллельные инверторы тока |
|
||||
В этой |
схеме конденсаторы включаются и последовательно |
||||
с нагрузкой, |
и |
параллельно |
ей(рис. 4.30). Поэтому |
этот инвертор |
|
обладает свойствами как параллельного, так и последовательного инвертора.
Ld |
|
|
|
+ |
C2 |
T2 |
|
T1 |
|||
Uпит |
|
C1 |
|
Zн |
T3 |
||
T4 |
|||
- |
|
|
|
Рис. 4.30. Последовательно-параллельный инвертор тока |
|||
Векторная диаграмма последовательно-параллельного инвертора тока представлена на рис. 4.31.
При малых токах нагрузки Iн коммутация тиристоров происходит за счет параллельного конденсатораC2 (угол b2 ), и этот режим характеризуется левой частью круговой диаграммы, соответствующей параллельному инвертору, а при больших нагрузках (ток Iн2 ) основную
140