3 Инверторы тока

Рисунок 31. Однофазный мостовой инвертор тока параллельного типа

Рассмотрим работу инвертора тока, выполненного на однооперационных вентилях (тиристорах), что позволяет строить на основе инверторов тока на мощные преобразовательные установки. Применение однооперационных вентилей определяет необходимость осуществления в инверторах принудительной коммутации за счет внутренних коммутирующих ЭДС, источником которых являются статические конденсаторы. Принято говорить, что в этом случае ста­тические конденсаторы являются источником реактивной мощности, необходимой для принудительной коммутации вентилей инверторов [2]. Вторая функция конденсаторов в схемах инверторов - компенсационная, т.е. конденсаторы являются источником реактивной мощности для нагрузки. В основном все нагрузочные устройства характеризуются значением cosφ_нг<1и отстающей от напряжения реактивной составляющей то­ка нагрузки.

Для инверторов тока ха­рактерным схемным признаком является наличие большой входной индук­тивности в цепи постоянного тока L_d, приводящей к постоянству мгно­венного значения входного тока i_d=const.

Резонансные инверторы от инверторов тока схемно не отличаются. Выбор конечной индуктивности L_d и параметров других элементов схемы в них осуществляется так, чтобы обеспечить настройку колебательного режима в нагрузочной цепи на частоту, близкую к частоте коммутации вентилей. В инвесторах то­ка и резонансных инверторах конденсаторы устанавливаются для осущест­вления коммутации и компенсации реактивной мощности нагрузки.

В зави­симости от способа включения конденсаторов по отношению к сопротив­лению нагрузки инверторы тока подразделяются на ин­верторы параллельные, последовательные и последовательно-параллель­ные.

3.1. Инверторы тока параллельного типа

Параллельные инверторы находят практическое применение в одно­фазном и трехфазном вариантах. Принципиально они могут быть построены по всем известным структурам силовой схемы, однако практическое применение в основном нашли однофазная и трехфазная двухтактные (мо­стовые) схемы. Подсоединение нагрузки в них выполняется как непосред­ственно к вентильному блоку, так и через трансформатор. При этом ком­мутирующие конденсаторы могут включаться как на первичной, так и на вторичной стороне трансформатора.

Принцип действия и основные свойства инверторов тока параллельного типа [2].

Рассмотрим работу парал­лельного инвертора на примере однофазной двухтактной (мостовой) схе­мы без трансформатора, которая представлена на рисунке 31. Будем считать, что сглаживающая индуктивность в цепи постоянного тока L_d настолько велика, что отсутствуют пульсации входного тока и мгновенное значение его i_d=const. На рисунке 32 по­строены временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу рассматриваемого инвертора. Для обеспечения ее на управляющие элек­троды тиристоров VI, V2, а также тиристоров V3, V4 необходимо одно­временно, попарно в противофазе пода­вать импульсы тока управления i_уv1, i_уv2 и i_уv3, i_уv4, максимальное значение которых не должно быть меньше тока спрямления тиристоров. Выполнение указанных условий обес­печивает поочередное открытие вентилей VI, V2 и вентилей V3, V4 с частотой f, определяемой частотой следования импульсов тока управления.

Предположим, что нагрузка инвертора активная (cosφ_нг=1; Z_нг=R_нг) и в некоторый момент времени, условно принимаемый за начало отсчета, от­крываются вентили VI, V2. В результате через сопротивление нагруз­ки Z_нг и конденсатор С будет протекать ток, конденсатор будет за­ряжаться на полярность, указанную на рисунке 31. Сумма тока конденсато­ра i_c и тока нагрузки i_нг, равная общему инвертированному току i= i_c + i_нг, остается в течение полупериода постоянной и равной i= i_d =const. Такую же величину в течение полупериода имеют построенные на рисунке 28 токи вентилей i_v1=i_v2=i_d=const..

При открытии через полпериода в момент π управляющими импульса­ми тиристоров V3, V4 происходит практически мгновенное закрытие вентилей VI, V2 (γ=0), так как к ним оказывается приложенным в обратном направлении напряжение конденсатора, а индуктивных сопротивлений в контурах коммутации нет. С этого момента времени изменя­ется направление инвертирован­ного тока i=i_d=const и тока конденсатора i_c. Конден­сатор начинает перезаряжаться на противоположную полярность, подготавливаясь к последующей коммутации тока на вентили VI, V2. Изменение направления тока нагрузки i_нг произойдет несколь­ко позднее - в момент, когда на­пряжение на конденсаторе u_c, равное напряжению на нагрузке u, станет равным 0. Вследствие принятых условий (L_d=∞; Z_нг=R_нг) процесс перезаряда конденсатора является апериоди­ческим, что в итоге определяет несинусоидальность выходного на­пряжения u, форма кривой кото­рого на временном интервале, равном периоду, представляет со­пряжение двух экспонент (смотри рисунок 32,д).

Представленные на рисунке 32 кривые напряжения на вентилях u_v1=u_v2 и u_v3=u_v4 (рисунок 32,е,ж) показывают, что при мгновенной коммутации тиристоров (угол коммутации γ=0) в течение угла β =δ после закрытия каж­дого вентиля к нему приложено отрицательное напряжение, чем обеспечивается необходимое ус­ловие для восстановления управ­ляемости выключаемого тиристора. Очевидно так же, что угол β равен углу опережения общего инвертированного тока i по отношению к выходному напря­жению u (рисунок 32,з). Отметим, что для выключения тиристора необходимо определенное время, t_q, которое указывается в паспорте этого тиристора. При β <ωt_q происходит срыв коммутации то­ка вентилям инвертора, так как они не успевают восстановить запирающих свойств к моменту, когда напряжение на аноде вновь становит­ся положительным. В результате происходит опрокидывание инвертора, т.е. повторное открытие запираемых вентилей и короткое замыкание питающего источника U_d через индуктивность L_d и вентили схемы. Выходное напряжение переменного тока при этом равно нулю. Вследствие того, что в установившемся режиме работы инвертора угол опережения β выбирается так, чтобы β≥β_min=К_зωt_q, можно считать, что для осуществления коммутации тока вентильное звено схемы инвер­тора потребляет реактивный ток. Внутрисхемным источником этого реак­тивного тока, или реактивной мощности коммутации, является конденса­тор С.

Рисунок 32. Временные диаграммы, поясняющие работу инвертора тока параллельного типа

При изменении величины сопротивления нагрузки инвертора проис­ходит, изменение постоянной времени цепи перезаряда конденсатора, ко­торая, как нетрудно показать, равна T_c=R_нгC. В соответствии с изменением T_c изменяется форма кривой выходного напряжения, форма кри­вой напряжения на вентилях и угол опережения β. При больших значениях R_нг выходное напряжение становится близким к треугольной фор­ме (рисунок 33,а); при малых R_нг выходное напряжение приближается к прямоугольной форме (рисунок 33,6). При коротком замыкании нагруз­ки β =0 и инвертор опроки­дывается.

Работа инвертора при ак­тивно-индуктивной нагрузке ха­рактеризуется тем, что конден­сатор С выполняет двойную роль. Он является источником реактивного тока, необходимого для осуществления коммутации, а также источником опережающе­го реактивного тока, компенси­рующего отстающую индуктивную составляющую тока нагрузки. Очевидно, что при cosφ_нг<1 для поддержания необходимого значения угла опережения β емкость кон­денсатора С должна быть увеличена, по сравнению со случаем актив­ной нагрузки инвертора.

Рисунок 33. Форма кривой напряжения нагрузки при различных значениях сопротивления нагрузки: а- при R_нг→∞; б- при R_нг→0.

Векторная диаграмма и основные расчетные соотношения.

Анализи­руя работу инвертора по основной (первой) гармонике выходного напря­жения и токов i, i_с, i_нг можно с достаточной для практики точностью установить расчетные соотношения для определения угла β, емкости коммутирующего и компенсирующего конденсатора С, а также аналити­ческое выражение выходной характеристики U=f(Y_нг), где Y_нг=Z^-1_нг - полная проводимость нагрузки. На рисунке 34 построена векторная диаграмма основных гармоник токов и напряжения инвертора параллельного типа.

Рисунок 34. Векторная диаграмма однофазного инвертора тока

параллельного типа

Рисунок 35. Выходные характеристики инвертора тока параллельного типа

На рисунке 32,и построены основные гармоники общего инвертированного тока i₁ и выходного напря­жения u₁. С достаточной для практики точностью можно при­нять, что угол Ψ определяющий фазовое отставание первой гармоники выходного напряжения u₁ от тока i₁ равен углу опережения инверто­ра β, т.е. Ψ≈β. В соответствии с таким допущением на рисунке 34 выпол­нено построение векторной диаграммы параллельного инвертора для случая активно-индуктивной нагрузки (здесь и в дальнейшем индекс "1", обозна­чающий порядковый номер гармоники, опущен). Из векторной диаграммы имеем

(80)

Умножив в выражении (80) числитель и знаменатель на U будем иметь

, (81)

где Q_c=I_cU - реактивная мощность конденсатора;

Q_нг=I_нгUsinφ_нг- реактивная мощность нагрузки;

P_нг=I_нгUcosφ_нг - активная мощность нагрузки.

На основании соотношения (81) очевидно, что для обеспечения устойчи­вой коммутации в инверторе необходим "избыток" реактивной мощности конденсатора над реактивной мощностью нагрузки, что дополнительно свидетельствует о возможности работы инвертора только при опережаю­щем инвертированном токе i.

Представляя выражения для Q_с, Q_нг, P_нг в виде Q_с =U²ωC, Q=U²Y_нгsinφ_нг, P=U²Y_нгcosφ_нг после подстановки в (81) получим

(82)

где

Y*_нг - относительная полная проводимость нагрузки Y*_нг=Y_нгY_c^-1,

Y_c=ωC- реактивная проводимость конденсатора.

Соотношение (82) является основной расчетной зависимостью, позволяющей правильно выб­рать величину емкости конденсатора, обеспечивающую устойчивую комму­тацию в инверторе.

Выходная характеристика.

Пренебрегая потерями в элементах схемы инвертора и рассматривая только первые гармоники переменных токов и напряжений, будем иметь равенство потребляемой и выходной мощности инвертора P_d=P_нг, что с учетом векторной диаграммы (рисунок 34) можно представить

U_dI_d=UI_нгcosφ_нг или

U_dI_d=UIcosβ. (83)

Из последнего выражения получим

(84)

Амплитуда и действующее значение первой гармоники общего инвертированного тока i, имеющего прямоугольную форму (рисунок 32)

(85)

Подставляя (84) в (84) получим

(86)

где К_сх - коэффициент преобразования схемы; для однофазного мостово­го инвертора К_сх =0,9, что совпадает с соответствующим значением для однофазного мостового выпрямителя. При анализе трехфазных однотактных и двухтактных вариантов схемы инвертора в каждом конкретном случае будет получаться свое значение данного коэффициента К_сх, рав­ное значениям, полученным при анализе выпрямительных режимов соответ­ствующих схем. Выражение (86) при подстановке (82) и с учетом соот­ношения

преобразуется к виду

(87)

Последнее соотношение (87) представляет аналитическое выражение выходной характеристики параллельного инвертора, под которой понимают зависимость выходного фазного напряжения инвертора U от полной про­водимости нагрузки Y*_нг при постоянной выходной частоте f=const, емкости конденсатора C=const и коэффициенте мощности нагрузки cosφ_нг=const..

Выходная характеристика параллельного инвертора построена на рисунке 35. Она имеет вид крутопадающей кривой. При малых нагрузках (проводимостях Y_нг) инвертора постоянная времени перезаряда конденсатора Т_с велика, угол β близок к значению β =π/2 и выходное напряжение инвертора быстро возрастает при уменьше­нии нагрузки.

При больших на­грузках инвертора картина резко изменяется: угол β -мал, с увеличением нагрузки он уменьшается, стремясь к β=0 при Y_нг →∞, выходное напряжение однофазного инвертора при этом стремится к пределу U=1,11U_d. При увеличении нагрузки до значе­ния, при котором угол опереже­ния инвертированного тока по от­ношению к напряжению β≤ β_min, происходит опрокидывание инвертора. Таким образом, нагрузочная способность схемы ограничена: предел нагрузочной способности при задан­ных параметрах схемы легко рассчитывается по соотношению (82). Зо­на устойчивой работы инвертора оказывается также ограниченной и в области малых нагрузок, где возрастают максимальные положительное и отрицательное напряжения на вентилях. Эти значения максимального на­пряжения U_vmax не должны превышать номинального напряжения вентилей U_vном, указанного в паспорте.

Выходная характеристика параллельного инвертора при cosφ_нг<1 располагается несколько ниже и представляет более крутопадающую кривую, чем выходная характеристика при активной нагрузке и том же значении емкости конденсатора (рисунок 35). Такой вид характеристики определяется тем, что часть реактивного тока конденсатора компенси­рует реактивный ток нагрузки; при равных значениях проводимости на­грузки в обоих случаях угол β меньше при активно-индуктивной нагрузке; изменение угла β при изменении величины нагрузки происхо­дит быстрее в случае активно-индуктивной нагрузки [2].

Вопросы для самопроверки:

1. Дайте пояснения принципу работы параллельного инвертора - как происходит включение тиристоров и их выключение?

2. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора параллельного типа?

3. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора параллельного типа резко возрастает?