10.3. Системы управления автономных инверторов
Системы управления инверторов и их структурные схемы могут существенно различаться в зависимости от типа инвертора и принципов регулирования его параметров. Ниже рассматриваются примеры упрощенных структурных схем СУ инверторов тока и инверторов напряжения.
Системы управления инверторами тока.
Среди различных схем инверторов тока наибольшее распространение получила схема параллельного инвертора тока с компенсирующим устройством.
СУ такого инвертора обычно должна обеспечивать стабилизацию частоты и значения выходного напряжения. По принципу синхронизации управляющих импульсов инверторы тока подразделяются на две группы:
инверторы с независимым возбуждением, управляющие импульсы в которых синхронизируются от задающего генератора;
инверторы с зависимым возбуждением, управляющие импульсы в которых синхронизируются от выходного напряжения самого инвертора. \
При использовании в качестве регулирующего органа компенсирующего устройства выделяют третью группу—инверторы тока с комбинированным возбуждением. В инверторах этой группы управляющие импульсы одного звена (собственно инвертора или компенсатора) синхронизируются от задающего генератора, а другого — от выходного напряжения. Обычно в инверторах тока с комбинированным возбуждением импульсы инвертора синхронизируются от выходного напряжения (так же, как и при зависимом возбуждении), а управляющие импульсы компенсатора — от задающего генератора. Регулирование выходных параметров в инверторах тока с компенсаторами может также выполняться различными способами: воздействием на фазу управляющих импульсов инвертора и воздействием на фазу управляющих импульсов компенсатора. В качестве примеров рассмотрим две типовые структуры СУ однофазного : параллельного инвертора тока.
На рис. 10. 5, а представлена структура СУ инвертора с независимым возбуждением. Управляющие импульсы поступают на тиристоры инвертора VS1 — VS4 от формирователей импульсов ФИ1 — ФИ4. Частота следования этих импульсов задается ЗГ. Если бы компенсатор в схеме отсутствовал, то в установившемся режиме работы фаза выходного напряжения инвертора была бы связана с фазой следования импульсов углом β, который зависит только от параметров нагрузки; ZH и емкости конденсатора Ск. Для того чтобы изменять угол β в целях регулирования выходного напряжения инвертора U ВЫХ необходимо воздействовать на проводимость компенсатора, т. е. на фазу управляющих импульсов тиристоров VS5 и VS6. Регулирование этой фазы (угла управления компенсатором α осуществляется посредством фазосдвигающих
Рис. 10.5. Система управления однофазного инвертора тока с независимым возбуждением: а—структурная схема; б—диаграммы управляющих импульсов и выходного напряжения инвертора
устройств ФУ1 и ФУ2. На их входы поступают сигналы от ЗГ и АРН. Сигналы ЗГ обеспечивают синхронность управляющих импульсов инвертора и компенсатора, а сигнал с выхода АРН определяет фазовый сдвиг между этими импульсами, т. е. угол α.
По принципу регулирования рассматриваемая СУ является статической. Отклонение выходного напряжения от заданного уровня вызывает такое изменение угла α, что происходит процесс уменьшения этого отклонения до малых значений, определяемых коэффициентом усиления системы регулирования. Частота выходного напряжения при такой структуре СУ зависит только от частоты ЗГ.
На рис. 10.5, б представлены диаграммы управляющих импульсов и выходного напряжения инвертора. В рассматриваемом примере в качестве задающего генератора используется двухтактный генератор с выходным переменным напряжением прямоугольной формы. Для формирования управляющих импульсов инвертора используются как положительный, так и отрицательный импульсы ЗГ.
Структура СУ для инвертора тока с комбинированным возбуждением представлена на рис. 10.6. Формирование
Рис. 10.6. Система управления однофазным инвертором тока с комбинированным возбуждением
управляющих импульсов тиристоров VS1 –VS4 происходит синхронно с выходным напряжением с помощью задатчика углов ЗУ, который обеспечивает неизменность фазового сдвига между выходным напряжением и последовательностью управляющих импульсов инвертора. При таком способе формирования управляющих импульсов угол опережения β не зависит от параметров нагрузки, т. е. инвертор работает в режиме зависимого возбуждения или самовозбуждения.
В этом режиме изменение нагрузки в инверторе без компенсатора вызывает изменение частоты выходного напряжения: при сбросе нагрузки частота уменьшается, а при набросе — увеличивается. Наличие в силовой схеме компенсатора (рис. 10.5, а) позволяет стабилизировать частоту выходного напряжения, если на тиристоры VS5 и VS6 подавать управляющие импульсы, сформированные от ЗГ и не зависящие от режима работы инвертора. При таком способе управления изменение частоты выходного напряжения будет приводить к изменению угла управления компенсатора α. Характер этого изменения такой, что частота выходного напряжения будет восстанавливаться до полного совпадения с частотой ЗГ. Подобная система автоматического регулирования частоты является астатической.
Для стабилизации выходного напряжения (от изменений входного напряжения) в СУ введен канал регулирования, состоящий из датчика напряжения ДН и автоматического регулятора напряжения АРН. Этот канал является отрицательной обратной связью между входным и выходным напряжениями инвертора. Он обеспечивает увеличение угла β при снижении входного напряжения и уменьшение при его возрастании, т. е. стабилизирует выходное напряжение на заданном уровне.
Рассмотренная структура СУ обеспечивает значительно более высокое качество выходных параметров как в статических, так и динамических режимах работы, чем СУ, структура которой изображена на рис. 10.5, а.
Структуры СУ резонансных инверторов во многом сходны со структурами СУ инверторов тока. Следует отметить, что в некоторых схемах резонансных инверторов стабилизация выходного напряжения осуществляется изменением частоты инвертирования. В частности, такой принцип регулирования используется в резонансных инверторах, выполняющих функции промежуточного звена в комбинированных преобразователях постоянного тока. С этой целью в СУ резонансного инвертора вводится ЗГ с переменной частотой, которая регулируется сигналом цепи обратной связи по выходному напряжению.
Системы управления трехфазных инверторов тока по принципу действия сходны с рассмотренными и отличаются обычно числом каналов управления и наличием некоторых дополнительных функциональных звеньев.
Системы управления инверторами напряжения. Рассмотрим СУ тиристорного инвертора напряжения (рис. 10.7, а). В силовой схеме можно выделить два идентичных плеча с LKCK коммутирующими контурами, каждое из которых состоит из основных тиристоров VS1, VS2 или VS5, VS4 и вспомогательных (коммутирующих) тиристоров VS`1, VS'2 или VS'5, VS'4.
Рис. 10.7. Система управления однофазного инвертора напряжения:
а — структурная схема; 6—диаграммы импульсов
Вспомогательные тиристоры управляются короткими импульсами, длительность которых соизмерима с длительностью интервала коммутации тиристоров в такой схеме (50—100 мкс). Управляющие импульсы основных тиристоров должны быть широкими, так как при индуктивном характере нагрузки момент прохождения тока обратных диодов через нуль будет изменяться при регулировании выходного напряжения или изменении нагрузки. Поэтому, чтобы очередной силовой тиристор включился, необходимо присутствие на нем управляющего импульса. Однако длительность этого импульса не должна перекрывать интервал коммутации другого тиристора в одноименном плече.
Импульсы от задающего генератора ЗГ1 первого плеча инвертора поступают на пересчетно-распределительное устройство ПРУ1, осуществляющее деление частоты ЗГ1 на два. С выхода ПРУ1 импульс одновременно поступает на входы ФИХ и ФУ2. Формирователь импульсов ФИ1 формирует короткий управляющий импульс вспомогательного тиристора VS`1. Фазосдвигающее устройство ФУ2 осуществляет фиксированную задержку ∆θ начала формирования управляющего импульса основного тиристора VS2, поступающего на него с выхода ФИ2. Поступление следующего импульса от ЗГ1
приводит к формированию управляющих импульсов для тиристоров VS2 и VSU следующих в таком же порядке. Второе плечо инвертора управляется аналогично.
Для обеспечения нормальной работы инвертора необходима синхронизация ЗГ1 и ЗГ2. В приведенной структурной схеме синхронизация производится через регулируемое фазосдвига-ющее устройство ФУ, что позволяет производить регулирование выходного напряжения по принципу широтно-импульсной модуляции, для чего сигнал uо.с цепи обратной связи по выходному напряжению подается на ФУ. Значение сигнала ∆UP определяет угол фазового сдвига ∆θ' между управляющими импульсами тиристоров VS`1 и VS'4 (или VS`2 и VS'5), а следовательно, и длительность паузы между положительными и отрицательными значениями выходного напряжения.
Система управления трехфазного инвертора подобного типа имеет сходную структуру. Основное отличие заключается в использовании пересчетно-распределительного устройства, осуществляющего сдвиг по фазе управляющих импульсов основных тиристоров каждого плеча относительно друг друга на угол, равный α.