Контрольні запитання

1. В чому полягає принцип інвертування ?

2. Які основні властивості інвертора струму?

3. Чому інвертор струму повинен працювати з випереджаючим кутом зсуву між вихідним струмом та напругою?

4. Чи може працювати інвертор струму в режимі холостого ходу?

5. Чим пояснюється покращений гармонічний склад кривої вихідної напруги трифазного інвертора струму?

Короткі теоретичні відомості

Автономні інвертори – це напівпровідникові перетворювачі, що перетворюють постійний струм в змінний та працюють на автономне навантаження. В таких перетворювачах зі сторони навантаження відсутні будь-які сторонні джерела живлення.

По кількості фаз вихідної напруги автономні інвертори поділяються на одно- та трифазні і виконуються за схемою з нульовою точкою, мостовою або напівмостовою.

В залежності від характеру перебігу електромагнітних процесів та способу формування вихідної напруги та струму, автономні інвертори розподіляють на три типи: інвертори струму, резонансні інвертори та інвертори напруги.

Для інверторів струму характерне те, що формують в навантаженні струм (як навантаження слід розуміти паралельне з’єднання та Ск), а форма напруги залежить від параметрів навантаження. Джерело постійної напруги працює в режимі генератора струму, для чого у вхідне коло інвертора вмикається дросель з великою індуктивністю. Окрім того, дросель виконує функції фільтра вищих гармонічних складових вихідної напруги, оскільки на нього припадає різниця між вхідною та вихідною напругами. Він же перешкоджає розряду конденсатора Ск на джерело живлення під час комутації струму в тиристорах, а також забезпечує стійкий режим роботи інвертора, характерний малими пульсаціями вхідного струму.

На рис. 2.39,а зображена принципова схема однофазного інвертора струму. Він може працювати тільки на активно-ємнісне навантаження, коли між анодом та катодом тиристора, що вимикається, на протязі деякого часу підтримується від’ємна напруга, потрібна для відновлення вимикаючих властивостей тиристора. Цей час називають часом відновлення (див. рис. 2.39,б). В разі активно-індуктивного навантаження баланс реактивної потужності забезпечується комутуючими конденсаторами Ск.

Для створення реверсу струму та напруги на навантаженні тиристори інвертора повинні перемикатися в певній послідовності. В схемі рис. 2.39,а попарно вмикаються VT1,VT3 та VT2, VT4. Якщо вмикається пара VT1,VT3, струм i_d протікає через тиристори і розгалужується на струм навантаження і_н і струм заряду конденсатора і_с . За цієї умови конденсатор заряджається з полярністю, вказаній без дужок. Через півперіод вихідної напруги вмикається наступна пара тиристорів VT2, VT4 і конденсатор Ск виявляється закороченим усіма чотирма тиристорами. Конденсатор починає розряджатись, і струм його розряду, протікаючи назустріч робочому струму тиристорів VT1,VT3, миттєво зменшує його до нуля, оскільки опір в контурі розряду конденсатора через тиристори дуже малий . Внаслідок цього обидва вказані тиристори вимикаються.

Для забезпечення їх надійного запирання після спаду анодного струму до нуля, до тиристорів VT1 та VT3 прикладається зворотна напруга тривалістю , що є частиною напруги на комутуючому конденсаторі (див. рис. 2.39,б). Тривалість цієї напруги повинна бути не меншою часу відновлення робочих властивостей тиристорів. Якщо ця умова не виконується, то після зміни знаку напруги на конденсаторі Ск тиристори VT1 та VT3 можуть самовільно увімкнутись, внаслідок чого виникне аварійний режим роботи інвертора.

Після вимкнення тиристорів VT1 та VT3 конденсатор Ск перезаряджається від джерела живлення через тиристори VT2 та VT4, отримуючи протилежну полярність (на рис. 2.39,а вказана в дужках).

При наступному вмиканні тиристорів VT1 та VT3 процес повторюється і попередньо ввімкнута пара VT2 та VT4 вимикається. Таким чином, саме конденсатор Ск відіграє головну роль у процесах вимикання обох пар тиристорів. Він же визначає форму вихідної напруги інвертора.

В режимі холостого ходу інвертор струму недієздатний внаслідок ускладнення перезаряду конденсатора Ск. Унеможливлення перезаряду конденсатора Ск призводить до різкого зростання накопичуваної на ньому енергії і, як наслідок до зростання напруги внаслідок чого відбувається пробій обох пар перемикаючих тиристорів. В режимі перевантаження його робота ускладнена через скорочення інтервалу . Вихідна характеристика інвертора струму ‘‘м’яка’’, тобто рівень вихідної напруги залежить від опору навантаження, оскільки саме на цей опір розряджається та перезаряджається комутуючий конденсатор Ск.

а)

б)

Рисунок 2.39. Принципова схема однофазного інвертора струму та його

часові діаграми

Розглянемо роботу трифазного паралельного інвертора струму, схема якого досліджується в лабораторній роботі і зображена на рисунку 2.40.

Рисунок 2.40

Принцип роботи трифазного інвертора аналогічний роботі однофазного. Послідовність вмикання тиристорів в інверторі така ж, як і в мостовому трифазному випрямлячі. Кожний тиристор (наприклад VT1) працює 1/6 періоду в парі з тиристором VT6 і 1/6 частину періоду з тиристором VT2 (див. діаграму перемикання тиристорів на рис. 2.41). Комутація тиристорів в інверторі здійснюється за допомогою комутуючих конденсаторів С1, С2 і С3, з’єднаних в трикутник або зірку. Конденсатори, як і в однофазному інверторі, повинні забезпечувати компенсацію реактивної потужності навантаження та створювати необхідний кут випередження . В інверторі здійснюється міжфазова комутація, тобто вимикання кожного тиристора здійснюється при вмиканні наступного, за порядком роботи, тиристора іншої фази, в тій же групі. Наприклад, для вимкнення тиристора VT1 повинен ввімкнутись тиристор VT3. При цьому за рахунок розрядного струму конденсатора С1 , протікаючого назустріч анодному струму тиристора VT1, останній практично миттєво вимкнеться в момент рівності цих струмів (контур розряду конденсатора утворюється колом : VT1 - С1 – VT3 - С1 ). Напруга потрібної полярності була набута конденсатором С1 на інтервалі одночасної роботи тиристорів VT1 та VT6 . До вимкнутого тиристора VT1 прикладається від’ємна складова напруги конденсатора С1 і він відновлює свої вимикаючі властивості. Одночасно ця напруга формує частину лінійної напруги UAB.

На діаграмах рисунку 2.41. зображені миттєві значення усіх струмів та напруг інвертора. Напруга на кожному тиристорі являє собою напругу двох фаз, що йдуть одна за одною. Наприклад, після вмикання тиристора VT3, коли його провідність стає рівною нулеві, потенціал аноду тиристора VT1 дорівнюватиме потенціалу точки В. Тобто, на інтервалі відкритого стану тиристора VT3 до тиристора VT1 прикладена напруга UBA= - UAB. Через наступну третину періоду, вмикається тиристор VT5. Як наслідок , потенціал анодів вимкнутих тиристорів VT1 - VT3 стає рівним потенціалу точки С і на черговому інтервалі тривалістю третину періоду до тиристора VT1 прикладається напруга UCA . В момент вимкнення до кожного з тиристорів прикладається від’ємний імпульс напруги перезаряду конденсатора, тривалість якого повинна задовольняти нерівність . Ця напруга виникає тільки у тому випадку, коли струм відповідної фази буде випереджати на кут β напругу тієї ж фази. У випадку порушення цієї умови здійснюється “перекидання” інвертора, тобто виникає аварійний режим в його роботі. Таким чином, кут β є в першому наближенні кутом зсуву фаз між першою гармонікою інвертованого струму та напругою однойменної фази. Незалежно від характеру та потужності навантаження, він повинен носити випереджаючий характер, що забезпечує стійкість роботи АІС. Це означає, що реактивна потужність конденсаторів Ск завжди більша за реактивну потужність навантаження .

Якщо знехтувати втратами в тиристорах інвертора, а також врахувати, що інвертований струм кожної фази має форму, зображену на діаграмах рис.2.41, то діюче значення першої гармоніки фазного струму буде дорівнювати:

. (2.34)

За умови відсутності втрат в інверторі, отримуємо рівність вхідної та інвертованої потужностей , тобто:

(2.35)

де: - діюче значення першої гармоніки фазної напруги інвертора.

Підставляючи в вираз (2.35) значення струму з виразу (2.34), отримаємо:

або (2.36)

де: і - коефіцієнти схеми інвертора.

Крива вихідної напруги в трифазному мостовому інверторі має форму більш наближену до синусоїдної порівняно з однофазним інвертором. В кривій вихідної напруги відсутня третя та кратні їй гармоніки. Склад вищих гармонік в кривій вихідної напруги можна визначити з виразу:

q = 6K 1,

де: q – номер гармоніки,

К= 0, 1, 2… ряд натуральних чисел.

Покращена форма кривої вихідної напруги є головною перевагою інвертора струму. Його недоліком, що стримує широке запровадження, є “м’якість” вихідної характеристики, що очевидно з виразу (2.36). Будь – яка зміна співвідношення між та призводить до коливань кута β, що в свою чергу викликає зміну рівня лінійної та фазної напруги на виході АІС. Причина цього, як уже зазначалось, обумовлена відсутністю в таких інверторах обміну реактивною потужністю між споживачем та джерелом живлення.

Рисунок 2.41

Існують вдосконалені схеми АІС, в яких комутуючі конденсатори відділені від навантаження додатковими діодами, а також вмикаються або регулятор відбору реактивної потужності, або міст реактивного струму, які забезпечують баланс реактивної потужності між навантаженням та комутуючими конденсаторами. Такі схеми є достатньо складними і у більшості випадків їх використання є економічно не обґрунтованим.

На даний час найбільше розповсюдження інвертори струму отримали в гарантованих джерелах живлення, які живлять відповідальних споживачів (радіорелейні лінії зв’язку, освітлення тунелів та таке інше).

В автоматизованому електропроводі застосовують АІС на повністю керованих тиристорах для живлення асинхронних двигунів, що працюють на підвищених, але фіксованих частотах.