11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки

и колебательного контура или его элементов

Классическим вариантом схемы инвертора с параллельным соединением колебательного контура и нагрузки является инвертор тока на основе тиристоров (рис. 11.5, а). Входной реактор в такой схеме имеет большую индуктивность Ld и обеспечивает непрерывный и практически сглаженный ток в широком диапазоне изменения активной нагрузки. Поэтому его схема замещения может рассматриваться, согласно общепринятой терминологии в электротехнике, как дуальная (рис. 11.5, б).

a б

Рис. 11.5. Резонансный инвертор с параллельным соединением элементов колебательного контура и нагрузки: а — схема; б — эквивалентная схема в установившихся режимах работы

Следовательно, процессы изменения выходного напряжения в инверторе тока подобны процессам изменения выходного тока в инверторах напряжения. Согласно схеме замещения инвертора тока, процессы в схеме будут описываться следующим уравнением:

^,

где — мгновенное значение выходного напряжения (на нагрузке R) инвертора тока; — амплитуда входного тока в форме меандра в установившемся режиме работы.

Решение этого уравнения с учетом начальных условий имеет вид

,

где δ=R/2L; .

Из формул (11.6) и (11.7) следует, что процесс изменения тока i_c в последовательном резонансном инверторе напряжения аналогичен процессу изменения напряжения Uн в параллельном инверторе тока, что соответствует их дуальности. Согласно принципу действия инвертора тока его схема должна выполняться на однонаправленных ключах. Если в качестве ключей используются транзисторы, не способные выдерживать обратное напряжение, то последовательно с ними включается диод. Поэтому схема хорошо согласуется с применением тиристоров, способных выдерживать высокое обратное напряжение, что определило ее распространение на ранних этапах развития резонансных инверторов. Схема параллельного инвертора тока на обычных тиристорах может работать не только в режимах прерывистых напряжений, возникающих в резонансном контуре под воздействием входного тока, но и в режимах непрерывного напряжения при . При этом должно соблюдаться соотношение

^,

где — время выключения тиристора; 𝞫 — угол сдвига между первыми гармониками тока и напряжения, имеющий емкостной характер.

На практике минимально допустимое значение угла 𝞫min мало, особенно для быстродействующих тиристоров. В этой связи вполне приемлемо допущение работы при . Достоинствами схемы рассматриваемого инвертора являются:

• ограничение входным реактором максимальных значений входных и, следовательно, коммутируемых тиристорами токов;

• высокие фильтрующие свойства инвертора, обусловленные параллельным включением конденсатора;

• способность работать в режиме малых нагрузок, включая холостой ход.

При этом необходимо учитывать, что амплитуда переменного тока в установившемся режиме без учета потерь в элементах схемы является функцией активной мощности нагрузки:

^,

где Uн — действующее значение напряжения на нагрузке R.

Естественно, что практическая реализация этих зависимостей для частот более 5 кГц возможна только в инверторах тока, выполненных на полностью управляемых ключах, например, транзисторах. Однако если ключи не способны выдерживать обратное напряжение, то требуется последовательно с транзистором включать диод.

Мостовая схема инвертора тока на транзисторах с параллельным резонансным контуром приведена на рис. 11.6. В этой схеме можно применять не только частотное управление выходным напряжением, но и метод ШИР входного тока, аналогичный рассмотренному для мостового инвертора напряжения с последовательным резонансным контуром. Недостатком инвертора тока с параллельным контуром является его неспособность работать в режимах, близких к короткому замыканию, в отличие от инвертора с последовательным резонансным контуром, функционирование которого ограничено в режимах, близких к холостому ходу.

Инвертор тока с резонансным контуром на выходе (рис. 11.6) рассматривался при допущении большого напряжения индуктивности входного реактора Ld, когда →. Однако изменяя схемы этого вида инвертора, можно существенно изменить его характеристики, т.е. токи и напряжения в схеме. Для этого достаточно уменьшить индуктивность входного реактора до значения, дополняющего индуктивность выходного резонансного контура. Кроме того, индуктивность входного контура может быть небольшой для создания режима прерывистого входного тока инвертора. Такой режим позволяет уменьшить коммутационные потери в ключах инвертора, но при этом ограничиваются диапазоны допустимого изменения нагрузки и регулирования выходного напряжения.

Рис. 11.6. Схема мостового резонансного инвертора с параллельным соединением элементов резонансного контура и нагрузки

Следует отметить, что возможности регулирования напряжения инвертора тока могут быть улучшены без использования частотного или широтно- импульсного метода регулирования. Для этого используется регулирование индуктивности реактора, соединенного последовательно со встречновключенными тиристорами. Принцип действия этой схемы основан на изменении интервалов проводимости тиристоров. Цепь, содержащая реактор и тиристоры, подключается параллельно основному конденсатору колебательного контура на выходе инвертора тока (рис. 11.7). Кроме того, нагрузка может параллельно подключаться к одному из элементов последовательного резонансного контура.

Рис.11.7. Колебательный контур с

регулируемой индуктивностью на

основе тиристора

Обычно подключение нагрузки производится относительно конденсатора колебательного контура непосредственно или через трансформатор Тр (рис. 11.8, а). В таких случаях, как правило, используются инверторы напряжения с двунаправленными ключами, что позволяет обеспечить работу и регулирование выходного напряжения в более широком частотном диапазоне. Эквивалентная схема инвертора с параллельным подключением нагрузки приведена на рис. 11.8, б. Из схемы видно, что инвертор может работать в режимах малых нагрузок, включая режим холостого хода. Максимальное значение выходного напряжения достигается при работе на резонансной частоте ω₀, когдa частота коммутацииω_s=ω₀.

a

Рис. 11.8. Последовательный резонансный инвертор с параллельным подключением нагрузки к конденсатору колебательного контура: а — схема; б — эквивалентная схема замещения

Максимальное значение выходного напряжения определяется значением добротности последовательного контура 1/Qs. Для регулирования напряжения при малых нагрузках повышают рабочую частоту напряжения выше резонансной