Введение

Значительная часть курса дисциплины «Силовая электроника» посвящается изучению схемотехники, принципов работы, элементов расчета и проектирования устройств силовой полупроводниковой преобразователь­ной техники. К этим устройствам относятся, в первую очередь управляемые выпрямители на тиристорах, транзисторные преобразователи напряжения, преобразователи напряжения на базе автономных инверторов, выполняемые с использованием тиристоров и транзисторов в качестве ключевых элемен­тов.

Автономными инверторами принято называть силовые полупроводни­ковые устройства, осуществляющие преобразование энергии источника пи­тания постоянного тока. В тех случаях, когда нагрузка требует для своего пи­тания отличных от сетевых параметров напряжения и частоты, применяются автономные инверторы переменного напряжения (или тока). Исторически ав­тономные инверторы большой мощности нашли первоочередное применение при создании регулируемого электропривода переменного тока, где глубокое регулирование скорости может обеспечиваться только одновременным изме­нением частоты и величины напряжения, питающего двигатель. В настоящее время автономные инверторы, основное свойство которых состоит в возмож­ности вырабатывать напряжение любой частоты, находят самое широкое применение в промышленности. При этом одновременно с совершенствова­нием силовых транзисторов и тиристоров расширяются области применения мощных преобразователей вплоть до создания мощных устройств, работаю­щих на ультразвуковых частотах.

В настоящем методическом пособии на примерах трех основных схем силовой части автономных инверторов приводится методика анализа принципа работы и элементы расчетов величин напряжений и токов в отдельных участках схемы.

Методика расчета и проектирования мостовой схемы однофазного ин­вертора напряжения изложена в разд. 2. Расчетные формулы этого раздела при­менимы к любому типу инверторов. Схемы, принцип работы и индивиду­альные особенности проектирования инверторов, выполненных на транзи­сторах, рассмотрены в разд. 3, а схемы широтно-импульсных регуляторов постоянного напряжения на тиристорах приведены в разд. 4.

Исходные данные для выполнения расчетных заданий в количестве 50 вариантов приведены в каждом расчётном задании. Номер варианта для сту­дентов дневного отделения выдается на практических занятиях преподавате­лем, а студенты заочного факультета его вычисляют, разделив номер зачет­ной книжки на 50. Получившийся при этом неделимый остаток будет номе­ром варианта.

1. Классификация автономных инверторов

В общем случае процесс преобразования энергии источника постоян­ного тока в переменный ток принято называть инвертированием, а электрон­ные устройства, осуществляющие такое преобразование, называются инвер­торами. Инверторы, вырабатывающие переменный ток заданной постоянной или регулированной частоты и питающие автономную нагрузку, носят на­звание автономных инверторов (АИ). Автономные инверторы, в отличие от электронных генераторов переменного напряжения, являются устройствами силовой электронной преобразовательной техники и служат, главным обра­зом, для питания мощных потребителей, работающих на переменном токе. Среди многочисленных областей практического применения автономных ин­верторов можно выделить следующие характерные приме­ры:

1. Питание устройств, работающих на переменном токе, где источни­ком питания служит аккумуляторная батарея.

2. Регулируемый электропривод переменного тока с частотным упра­вле­нием.

З. Вторичные источники электропитания (ВИП), передающие электро­энергию нагрузке на повышенной частоте, реализуют принцип преобразова­ния напряжения промышленной электросети без сетевого согласующего трансформатора, но имеют такой трансформатор на выходе инвертора.

4. Устройства электропитания различных технологических процессов, в которых допускается использование нестандартной, чаще всего повышен­ной частоты (мощные ультразвуковые установки, устройства индукционного нагрева, электросварочные аппараты и др.).

Принцип работы всех многочисленных схем автономных инверторов прост и заключается в периодическом переключении с заданной частотой выходных зажимов источника постоянного напряжения к входным зажимам потребителя непосредственно или через согласующий трансформатор.

Основной проблемой при практической реализации силовой части пре­образователей является обеспечение надежной работы электронных ключей, в качестве которых используются тиристоры и силовые транзисторы. Естественно, что к автономным инверторам предъявляются и общие требо­вания для силовых устройств электропитания: высокий КПД; минимальная установленная мощность отдельных узлов и элементов; возможность регули­рования в заданных пределах выходного напряжения и частоты и их стабили­зацию при случайных изменениях характера нагрузки или входного напря­жения; получение синусоидальной (или близкой к синусоидальной) формы выходного напряжения; устойчивость работы при перегрузках на выходе и в режиме холостого хода.

Рис.1.1. Схемы мостовых однофазных автономных инверторов и соответствующие графики формирования напряжения и тока нагрузки:а – инвертор тока;б – инвертор напряжения; в – резонансный инвертор (тока или напряжения)

С учетом перечисленных требований к силовым электронным преобразовательным устройствам, автономные инверторы подразделяются на группы по характеру протекания в них электромагнитных процессов. На рис. 1.1, а, б, в приведены три мостовые схемы АИ, относящихся к разным классификационным группам.

Инверторы тока ( рис. 1.1, а) характеризуются тем, что в них при поочередном переключении пар тиристоров (VS1,VS4 или VS2,VS3) в нагрузке Z_н формируется ток прямоугольной формы, а форма и фаза выходного на­пряжения зависят от параметров нагрузки.

Источник питания инвертора тока должен работать в режиме генера­тора стабильного (без пульсаций) тока, для чего между ним и входными за­жимами инвертора включается дроссель L_d с большой индуктивностью. Этот дроссель выполняет также роль фильтра высших гармоник, так как к нему в каждый момент времени приложена разность между постоянным напряже­нием источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора. Кроме того, дроссель препятствует разряду коммутирующего конденсатора С_к на источник питания в моменты коммутации тока между тиристорами, обеспечивая апериодический режим работы инвертора, характеризуемый ма­лыми пульсациями входного тока. В зависимости от способа подключения коммутирующего конденсатора по отношению к нагрузке инверторы подраз­деляют на параллельные, последовательные и последовательно-параллель­ные. Инверторы тока не могут работать в режиме холостого хода из-за роста амплитуды прямых и обратных напряжений на тиристорах. При перегрузках работа параллельного инвертора тока затруднена вследствие уменьшения времени, предоставляемого выходящему из работы тиристору для восста­но­вления запирающих свойств. Подробный анализ процессов в автономных ин­верторах приведен в [1, 2].

В инверторах напряжения (рис. 1.1, б) источник питания работает в ре­жиме генератора напряжения, т. е. имеет малое внутреннее сопротивление. При использовании выпрямителя в качестве источника питания инвертора, на его выходе, параллельно, необходимо установить конденсатор большой емкости для обеспечения хорошей обратной проводимости источника для импульсов обратного тока, характерных при работе инвертора напряжения, когда в цепи его нагрузки есть реактивные элементы любого типа. Через об­ратные диоды VD1....VD4 осуществляется энергообмен между накопите­лями, входящими, как в состав нагрузки, так и источника питания инвертора, а в многофазных инверторах – также энергообмен между реактивностями разных фаз. Инверторы напряжения формируют на нагрузке напряжение прямоугольной формы (U_н), а форма и фазовый сдвиг тока определяется ха­рактером нагрузки. Инверторы напряжения имеют сравнительно «жесткую» внешнюю характеристику.

В резонансных инверторах ( рис. 1.1, в) нагрузка, имеющая значи­тельную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы силовой части (С_к и L_d) колебательный контур. Ток тиристоров, включенных в данный период времени (VS1,VS4 или VS2,VS3), изменяется по колебательному за­кону. Тиристоры резонансного инвертора выключаются, таким образом, са­мостоятельно, когда ток через них спадает до нуля на каждом полупериоде Т₀/2 собственной резонансной частоты ω₀. Следовательно, для выполнения условий выключения и запирания тиристоров необходимо, чтобы собствен­ная частота колебательного контура была выше частоты включения тиристо­ров, задаваемой системой управления инвертором. Питаться резонансные инверторы могут как от источника напряжения (в этом случае их называют инверторами с открытым входом), так и от источников тока (инверторы с за­крытым входом). В зависимости от способа включения конденсатора, обра­зующего искусственный колебательный контур, инверторы могут быть по­следовательными, параллельными и смешанными. Если условия соотноше­ния частот (резонансной и рабочей) не выполняются, т.е. ω₀<ω_р, то тири­сторы не могут запираться самостоятельно, и в этих случаях применяют из­вестные схемы принудительной коммутации. Наибольшая эффективность ре­зонансных инверторов реализуется, естественно, на повышенных рабочих частотах. Рассмотренная работа схем характерна для инверторов, выполнен­ных на транзисторах.

Работа схем, выполненных на тиристорах, усложняется дополнитель­ными цепями принудительной коммутации (запирания) тиристоров силовой части. В большинстве схем автономных инверторов используется способ принудительного запирания тиристоров. Он заключается в том, что к запи­раемому тиристору в нужный момент подключается параллельно предвари­тельно заряженный конденсатор, с полярностью напряжения, обратной по отношению к его прямому току. Разряжаясь навстречу рабочему току, кон­денсатор быстро уменьшает этот ток до нуля, в результате чего тиристор вы­ключается. После выключения тиристора остаточное напряжение конденса­тора оказывается «обратным» по отношению к выключенному тиристору. Если это обратное напряжение существует в течение времени, больше пас­портного времени запирания данного тиристора, то последний восстанавли­вает свои запирающие свойства и, с появлением на нем прямого напряжения, может быть включен только подачей отпирающего импульса на управляю­щий электрод.

По способу коммутации автономные инверторы можно разделить на несколько групп. В однофазных инверторах напряжения и тока используется, в основном, метод межвентильной коммутации, когда выключение и запира­ние каждого рабочего тиристора происходит в результате включения второго или следующего по порядку тиристора другой фазы (в многофазных инвер­торах).