3.11 Принцип работы последовательного резонансного автономного инвертора.

Автономные резонансные инверторы (АИР) предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (от 500 Гц до 10кГц и выше). Основной областью применения таких преобразователей в энергетике является электротермия (индукционные печи). Однако АИР достаточно широко применяется и в передвижных (авиация, судоходство) установках в качестве источников повышенной частоты.

АИР обычно выполняют однофазными и преимущественно по мостовой схеме с использованием одно-операционных тиристоров. Конденсатор в АИР может включаться параллельно нагрузке, но с гораздо меньшим значением индуктивности дросселя L_d, или последовательно нагрузке. В зависимости от этого различают параллельные и последовательные АИР. Процессы, протекающие в АИР, характеризуются колебательным (резонансным) перезарядом конденсатора в цепи с индуктивностью, в которую может входить индуктивность нагрузки.

На практике в АИР чаще используют последовательное или последовательно-параллельное включение конденсаторов. На рис. 3.36 приведена схема АИР, состоящая из инверторного моста на вентилях VS1-VS4 и последовательно включенных в его диагонали конденсатора С, нагрузки R_Н и L_Н дополнительного дросселя L.

Характер зависимости выходного тока инвертора i_Н (тока нагрузки i_Н) обусловлен колебательным процессом перезаряда конденсатора С с частотой ω₀ последовательного

(3.73)

колебательного контура, образованного реактивными элементами выходной цепи.

Благодаря тому, что в схеме соблюдается соотношение ω₀ > ω_p, (ω_p - частота повторения управляющих импульсов VS1-VS4) колебательные процессы перезарядки конденсатора (рис.3.37, в) заканчиваются до отпирания очередной пары вентилей (рис. 3.37,б). Вследствие этого в кривых тока нагрузки и тока источника питания создаются паузы, необходимые для восстановления запирающих свойств выходящих из работы вентилей перед отпиранием очередной пары. Отработавшие свой цикл тиристоры закрываются из за прерывания в них тока, связанного с процессом перезаряда конденсатора. По окончании перезаряда (момент времени ₁) напряжение на конденсаторе U_сm > E, в связи с чем к проводящим вентилям (VS1,VS4) прикладывается запирающее обратное напряжение, равное (U_cmЕ)/2 (рис. 3.37, е), удерживающие закрывшийся вентиль в запертом состоянии, пока действует управляющий импульс. Длительность перезарядных процессов, равная половине периода собственных колебаний контура Т/2t_h, определяет длительности открытого состояния вентиля и двуполярных импульсов кривой напряжения инвертора u_Н. Необходимое различие в частотах ω₀ и ω_p подчиняются условию поддержания на проводивших вентилях требуемой длительности обратного напряжения с целью их запирания:

(3.74)

где t_h  время, предоставляемое вентилю для восстановления запирающих свойств (схемное время); К_зап = 1,2  1,5 - коэффициент запаса; t_q- собственное время выключения вентиля, определяемое по паспортным данным.

Анализ АИР, как и АИТ проводят методом основной гармоники. В этом случае действующее значение первой гармоники напряжения инвертора будет равно:

(3.75)

Действующее значение выходного тока инвертора I_Н и среднее значение потребляемого от источника питания тока I_d связаны соотношением:

(3.76)

Управление баланса активной мощности определяется выражением:

Е I_d = U_Н I_Н cos _НГ. (3.77)

Рис. 3.36. Схема последовательного АИР

Рис.3.37. Временные диаграммы последовательного АИР (а-е)

Рис.3.38. Внешние характеристики АИР

Из уравнений (3.76) и (3.77) определим связь действующего напряжения на нагрузке с действующим значением первой гармоники напряжения инвертора:

(3.78)

Из полученных зависимостей видно, что при уменьшении активного сопротивления нагрузки входной ток инвертора возрастает. Также возрастают напряжения на конденсаторе, вентилях и время t_h. При увеличения сопротивления нагрузки время t_h резко уменьшается, т.е. инвертор теряет работоспособность в режиме холостого хода.

Внешние характеристики АИР показаны на рис. 3.38. Совпадающий характер выходных характеристик при фиксированных значениях cos_НГ объясняется зависимостью E = f(I_d) источника питания, т.е. его внешней характеристикой, а также падением напряжения на вентилях и активном сопротивлении дросселя.

Важной особенностью АИР, в отличие от АИТ и АИН, является его работоспособность в режиме короткого замыкания нагрузки. Ток инвертора при этом ограничивается только суммарным активным сопротивлением дросселя, подводящих проводов, падением напряжения на вентилях.