11.2. Преобразователи с резонансным контуром

11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки

В большинстве случаев такие преобразователи предназначены для прямого преобразования постоянного тока в переменный, т. е. являются инверторами. Они также широко используются для непрямого преобразования постоянного тока в постоянный. В зависимости от вида ключей преобразователи принято разделять на две группы, выполненные на основе: однонаправленных ключей; двунаправленных ключей.

Классическая схема последовательного резонансного инвертора на базе традиционных тиристоров приведена на рис. 11.2, а.

Рис. 11.2. Последовательный резонансный инвертор на тиристорах:

а — схема инвертора; б — эквивалентные схемы замещения; в — диаграммы тока и напряжения при частоте коммутации

Для того чтобы процессы в резонансном контуре имели колебательный характер при включении тиристоров VS1и VS2, необходимы выполнение условия , где L=. Рассмотрим более подробно процессы в режиме периодического включения тиристоров VS1 и VS2, полагая процессы установившимися. При этом импульсы управления тиристоров сдвинуты друг относительно друга на время .

Для обеспечения естественной коммутации необходимо, чтобы включение очередного тиристора происходило после окончания предыдущего переходного процесса, т. е. режим тока в LСR-контуре должен иметь прерывистый характер. В этом случае частота импульсов управления тиристоров должна быть меньше собственной частоты контура ω_R, т.е. ω_{s <} ω_R. За начало периода примем момент включения тиристора VS1. Предположим, что к моменту подачи импульса на включение тиристора VS1 конденсатор С был заряжен на предыдущем интервале до напряжения Uс₀.

После включения тиристора VS1 процессы в инверторе протекают согласно схеме замещения для интервала I (рис. 11.2, б) и описываются уравнением

. (11.5)

Решение (11.1) с учетом начального условия имеет вид

, (11.6)

где ; .

Из формулы (11.2) с учетом на интервале I определяется момент времени , после которого схема переходит в режим работы в соответствии со схемой замещения на интервале II. В течение этого интервала ток ic(t) = 0, а напряжение uc(_t) = Uc(_t1) = , значение которого также вычисляется с учетом (11.2).

В момент времени импульс управления поступает на тиристор VS2 и он включается, переводя инвертор в режим работы, которому соответствует схема замещения на интервале III. Процессы, протекающие на этом интервале, также определяются по (11.1), но при условии отсутствия в нем ЭДС Е и нового начального условия для напряжения на конденсаторе, которое равно , так как его значение не изменяется на интервале II. Решение этого уравнения на интервале III имеет следующий вид:

sin. (11.7)

Рабочая частота инвертора в прерывистом режиме ограничена резонансной частотой контура , которая теоретически может быть достигнута при R = 0 и нулевом значении времени выключения тиристоров VS1 и VS2. В реальной схеме необходимо обеспечить длительность бестоковой паузы на интервале II большей, чем время выключения тиристора , т.е. . Режим прерывистого тока ic позволяет увеличить максимальное мгновенное значение тока относительно его среднего значения, потребляемого из источника питания, и ухудшает его гармонический состав. Одновременно ухудшается гармонический состав выходного напряжения инвертора на нагрузке R. Эти недостатки частично могут быть устранены введением трансформаторной связи между реакторами L1 и L2, как показано пунктирной линией на рис. 11.2, а. В этом случае включение одного из тиристоров приводит к появлению ЭДС на индуктивности, подключенной к другому тиристору, вызывая принудительное выключение тиристора, проводившего ток на предыдущем интервале. В этом случае можно обеспечить более высокую частоту коммутации тиристоров, т.е. .

Более эффективным способом снижения пульсаций входного тока и улучшения синусоидальности выходного напряжения является применение полумостовых и мостовых схем (рис. 11.3, б).

а б в

Рис. 11.3. Схемы последовательных резонансных инверторов: а— полумостовая схема со средней точкой в цепи питания; б — полумостовая схема с общей точкой, полученной за счет разделения последовательно соединенных конденсаторов; в — мостовая схема

Полумостовая схема может быть выполнена со средней точкой в цепи питания или посредством образования общей точки за счет разделения последовательно соединенных конденсаторов (рис. 11.3, б). Использование двунаправленных ключей (рис. 11.4, а) позволяет выполнять последовательные резонансные преобразователи на основе схем со свойствами инвертора напряжения. В этом случае возможен обмен реактивной энергией между резонансным контуром и входным источником напряжения, т. е. обеспечивается работа преобразователя в режимах с непрерывным током контура в широком частотном диапазоне. При этом происходит частичное снижение коммутационных потерь при включении или выключении ключей. Наличие обратных диодов позволяет применять обычные тиристоры при условии их принудительной коммутации. Однако наиболее полно преимущества резонансных преобразователей с двунаправленными ключами проявляются при использовании полностью управляемых ключей — транзисторов и запираемых тиристоров со встречновключенными диодами, называемых также «обратными».

На рис. 11.4 приведены типовые схемы резонансных инверторов, выполненных на основе двунаправленных ключей, со свойствами источника напряжения на стороне постоянного тока.

Рис. 11.4. Схемы преобразователей на основе двунаправленных ключей:

а — схемы двунаправленных ключей; б — полумостовой инвертор; в — мостовой инвертор; г - преобразователь постоянного тока

Преобразователь постоянного тока в постоянный (рис. 11.4, г) состоит из резонансного полу мостового инвертора и выпрямителя с выходным емкостным фильтром. Полагая значение емкости Сф достаточно большим, можно считать напряжение на выходе выпрямителя идеально сглаженным и равным среднему значению напряжения на нагрузке . Принцип действия преобразователя состоит в формировании переменного напряжения на выходе полумостового инвертора, поступающего на резонансный LC-контур, ток которого выпрямляется диодным однофазным мостом. Учитывая схожесть характеров процессов, протекающих в приведенных на рис. 11.4 схемах, рассмотрим более подробно полумостовую схему на транзисторах (рис. 11.5, а).

Для упрощения аналитических связей между основными параметрами схемы примем допущения о высокой добротности резонансного контура, при которой затухание тока за один период мало и им можно пренебречь.

Различают следующие установившиеся режимы работы схем:

• прерывистого тока частотой ;

• непрерывного тока частотой ;

• непрерывного тока частотой .

Режим прерывистого тока при . Предположим, что в момент времени t = 0 (рис. 11.5, б) напряжение на конденсаторе Uc = 0 и все ключи выключены. При поступлении импульса управления на транзистор ᵝᵦ1 он включается и в нем протекает ток контура в течение полупериода Так как ключ двунаправленный, то колебания в контуре не прерываются и ток ic продолжает протекать в обратном направлении через диод VD1. В конце периода в момент времени t =t₁ ключ выключен и колебательный процесс прекращается. Следующий период колебаний возникнет при подаче импульса управления на транзистор VT2 (для равномерной нагрузки ключей) в момент времени t2 = Ts /2. Пауза длительностью при пренебрежении временем включения и выключения транзистора может быть равна нулю при условии (этот режим является гранично-непрерывным). При частоте коммутации время паузы возрастает и возможно управление действующим значением тока нагрузки , но в режиме прерывистого тока спектральный состав которого ухудшается при увеличении Несмотря на указанный недостаток режима работы с прерывистым током, он позволяет практически устранить коммутационные потери мощности в ключах за счет их «мягкой» коммутации в нуле тока, т.е. выключение транзистора происходит на интервалах нулевых значений напряжения должна обеспечиваться проводимость тока резонансного контура.

Недостатком этого способа регулирования является ухудшение гармонического состава тока в контуре. В то же время его использование одновременно с частотным регулированием — хорошее компромиссное решение, при котором недостатки обоих методов регулирования не вызывают существенного ухудшения технико-экономических характеристик инвертора. Оценивая в целом рациональную область применения инверторов с последовательным резонансным контуром, включающим в себя нагрузку, можно сделать вывод, что наиболее эффективно они могут использоваться для формирования высокочастотного напряжения в индукторах установок высокого напряжения и с мало изменяющейся нагрузкой, не критичной к гармоническому составу напряжения.