книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

сторов VS1 и VS4 перезаряжается от источника питания через откры­ тые тиристоры VS2 и У55 (полярность напряжения перезаряжен­ ного конденсатора указана в скобках). Энергия коммутирующего конденсатора должна быть достаточной, чтобы в процессе перезаряда обратное напряжение на выключаемых тиристорах падало достаточ­

в энергию индуктивности контура, а другая часть рассеивается в его активных сопротивлениях. При отпирании тиристоров VS1 и IAS4. процесс повторяется.

Напряжение на нагрузке инвертора повторяет по форме напря­ жение на конденсаторе (м„ = ис) и зависит от величины и характера нагрузки. При холостом ходе инвертора весь ток протекает только че­ рез конденсатор, поэтому кривая напряжения м„ = «с имеет треуголь­ ную форму, так как ducldt = id/C = const. Напряжение на конденса­ торе возрастает по линейному закону и его амплитуда может во много раз превышать напряжение 0 п, что может привести к выводу из строя тиристоров инвертора. Сдвиг между ic и £/„ ((3) приближается к 90°.

С ростом тока нагрузки амплитуда напряжения на конденсаторе и нагрузке падает, так как при этом уменьшается зарядный и увеличи­ вается разрядный ток конденсатора, что приводит к уменьшению угла опережения (3. При достижении тока нагрузки значения, при кото­ ром угол опережения |3 становится меньше допустимого, происходит срыв инвертирования. Это объясняется снижением коммутационной

тока может работать только на общую емкостную нагрузку.

Время, предоставляемое тиристору для его запирания при работе на активную нагрузку, определяется из выражения

^ПЫКЛ = C R H I n j •

При работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку комму­ тирующий конденсатор выполняет также роль компенсирующей ем­ кости, которая обеспечивает общую емкостную реакцию нагрузки. Поэтому его величину выбирают из условия компенсации реактивной мощности нагрузки и обеспечения устойчивой коммутации тока.

271

Для уменьшения емкости комму­ тирующего конденсатора в схему мож­ но ввести отсекающие диоды, которые на время отключают коммутирующий конденсатор от нагрузки. Н а рис. 7.2 представлена схема однофазного со сре­ дней точкой параллельного инверто­ ра тока с отсекающими диодами ( VD1 и VD2). При работе инвертора с ак­ тивно-индуктивной нагрузкой, когда зарядный ток конденсатора ic = = С (dujdt) = ix в течение полупери­

ода переходит через нуль, что соответствует его частичному разряду, отсекающие диоды отключают конденсаторот нагрузки. При этом заряд конденсатора прекращается раньше чем заканчивается полупериод и напряжение на конденсаторе остается постоянным, так как дио­ ды VD1 и VD2 препятствуют разряду конденсатора на нагрузку. При низких частотах конденсатор отключается отсекающими диодами на большую часть полупериода, что позволяет уменьшить величину емко­ сти коммутирующего конденсатора по сравнению со схемой без отсекаю­ щих диодов. Наличие отсекающих диодов приводит к повышению напря­ жения на нагрузке по сравнению с напряжением .обычного инверто­ ра, а следовательно, и к изменению кривой напряжения на тиристо­ рах (Uvs), что, в свою очередь, приводит к увеличению времени /вьшл.

Трехфазный параллельный инвертор тока может быть выполнен по схеме без отсекающих диодов (рис. 7.3, а) и с отсекающими диода­ ми (рис 7.3, б), Инвертор без отсекающих диодов состоит из анодной (y$I), VS3, VS5) и катодной (VS2, VS4, VS6) групп тиристоров, ком­ мутирующих конденсаторов (С1, С2, СЗ), дросселя с большой индук­ тивностью (L) и системы управления тиристорами (на рисунке не пока­ зана). Каждый тиристор схемы открыт V3 часть периода, как и в трех­ фазном мостовом управляемом выпрямителе. Например, тиристор анодной группы VS1 Ve часть периода работает в паре с тиристором катодной группы VS4 и V0 часть периода — с тиристором 1AS6. На управляющий электрод каждого тиристора в течение периода поступает либо два коротких импульса с интервалом 60° между ними, либо один импульс длительностью более 60°. Этим обеспечивается одновременная работа одного тиристора анодной и одного тиристора катодной групп. Конденсаторы С1...СЗ осуществляют коммутацию тиристоров. Вклю­ чаться в схеме конденсаторы могут треугольником (рис. 7.3, а) или звездой. Конденсаторы должны быть рассчитаны на компенсацию реактивной мощности нагрузки и обеспечения необходимого угла опе­ режения р. В инверторах, приведенных на рис. 7.3, а, б, осуществля­ ется межвентильная коммутация, т. е. запирание работающего тири­ стора происходит при отпирании следующего по порядку работы тири­ стора этой же группы, но другой фазы.

Рассмотрим коммутацию тиристора VS1. При открытом состоянии тиристоров VS1 и VS4 конденсатор С1 заряжается с указанной на рис. 7.3, а полярностью. При отпирании тиристора VS3 происходит

272

разряд конденсатора Cl через ранее открытый тиристор VS1 и VS3. Разрядный ток конденсатора С1 протекает навстречу анодному току ти­ ристора V\S7, который в момент равенства этих токов практически мгновенно запирается. К тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе С/, и он восстанав­ ливает свои запирающие свойства. Аналогичным образом осуществля­ ется коммутация в катодной группе тиристоров.

Резонансные инверторы разделяются на инверторы с открытым и закрытым входами. На рис. 7.4 приведена схема однофазного резо­ нансного последовательного инвертора с открытым входом (инвертор питается от источника э. д. с.). Принцип работы схемы заключается в следующем. При отпирании тиристоров VS1 и KS2 коммутирующий конденсатор С заряжается от источника постоянного напряжения Ua (индуктивность дросселя в резонансном инверторе имеет значи­ тельно меньшую величину, чем в инверторе тока). Параметры элемен­ тов схемы выбираются таким образом, чтобы заряд конденсатора про­ исходил по колебательному закону и ток тиристоров спадал к нулю

На рис. 7.5, а приведена схема мостового резонансного инвертора с закрытым входом, в одну диагональ моста которого включена через разделительный конденсатор Ср и защитный дроссель L3 нагрузка /?„, а в другую диагональ включен колебательный контур CKLK. При L = со входной ток инвертора id = const и напряжение на конденса­ торе Ср равно напряжению источника питания Un. При отпирании тиристоров VS1 и VS2 происходит заряд коммутирующего конденса­ тора Ск по цепи Ср — VSJ — Ск — Ск — VS2 — Ru — L3 — Ср (рис. 7.5, б). Как только напряжение на конденсаторе станет больше напряжения источника питания и ток через тиристоры VSI и VS2 спадет до нуля (параметры элементов инвертора подобраны таким обра­ зом, что процесс носит колебательный характер), последние запира­ ются. При этом отпираются обратные диоды VD1, VD2 и коммутиру­ ющий конденсатор Ск разряжается на нагрузку до тех пор, пока на­ пряжение иск не станет меньше напряжения Un. В течение времени, когда ток проводят диоды VD1 и VD2, тиристоры VS1 и VS2 восстанав­

274

ливают свои запирающие свойства. В момент ю/ = 2я отпираются тиристоры VS3, VS4 и процесс повторяется. Из временных диаграмм (рис. 7.5, б) видно, что в течение одного цикла работы вентилей инвер­ тора ток нагрузки имеет два полных периода, т. е. в схеме происходит удвоение частоты. Благодаря разделительному конденсатору Ср, не пропускающему постоянную составляющую, ток нагрузки tH имеет форму, близкую к синусоидальной, хотя токи тиристоров и обратных диодов не равны между собой (Icpvs > U P V D на величину входного тока инвертора id). Разделительный конденсатор Ср в процессе рабо­ ты схемы непрерывно заряжается постоянным током и периодически разряжается током, протекающим через тиристоры, что приводит к циркуляции тока на этом интервале между реактивными элемента­ ми внутри вентильной ячейки, минуя нагрузку, и снижает мощность инвертора. Это объясняется тем, что в момент отпирания тиристоров

и в течение некоторого промежутка времени при отпирании тиристоров VSJ и VS2 конденсатор Ск разряжается через обратные диоды VD3 и VD4 на дроссель LK, минуя нагрузку. На повышенных частотах ам­ плитуда этого тока и его di/dt может оказаться выше допустимой вели­ чины.

Чтобы избежать циркуляционного тока, коэффициент распределе­

превышает мощность нагрузки. Поэтому на практике для заметного снижения реактивной мощности выбирают Ср « (3...5) Ск. При этом конденсатор Ср выполняет роль не только разделительного, но и ком­ мутирующего, полная коммутирующая емкость равна (СкСр/Ск + Ср). В этом случае время проводимости тиристоров оказывается больше времени проводимости обратных диодов.

Основными преимуществами данного инвертора являются: работо­ способность при изменении сопротивления нагрузки в широких пре­ делах от холостого хода до короткого замыкания; малая зависимость узла запирания и напряжения на тиристорах от сопротивления на­ грузки; удвоение выходной частоты.

Обратное напряжение на тиристорах на интервале восстановления управляемости близко к нулю (равно падению напряжения на откры­ том диоде), что является недостатком рассмотренного инвертора.

Инверторы напряжения могут быть реализованы как на транзис­ торных, так и тиристорных ключах. На транзисторах и полностью управляемых тиристорах строятся инверторы мощностью не более 1 кВт. Для получения большей мощности в инверторах используются обычные тиристоры с коммутационными узлами. В зависимости от структуры коммутационного узла тиристорные автономные инверторы напряжения делятся на несколько групп: с индивидуальной коммута­

цией; с пофазной коммутацией; с групповой коммутацией; с общей ком­ мутацией; с межвектильной коммутацией; с междуфазной коммута­ цией. Автономные тиристорные инверторы напряжения могут быть как с одноступенчатой, так и с двухступенчатой коммутацией.

На рис. 7.6 приведены схемы однофазных тиристорных инверторов напряжения с межвентильной коммутацией и отсекающими диодами. Коммутация тока тиристоров в данных инверторах осуществляется

В этой схеме коммутирующий конденсатор подключей параллельно нагрузке только в момент его перезаряда. При высоких частотах (свыше 400 Гц) влияние отсекающих диодов ( VD5...VD8) уменьшается, так как время перезаряда конденсаторов становится соизмеримым с периодом переменного напряжения на выходе инвертора. Кроме того, при окончании коммутации тока коммутирующий дроссель L оказы­ вается закороченным через вентили. Например, при переводе тока с тиристоров VS1 и VS2 на тиристоры VS3 и VS4 коммутирующие ин­ дуктивности будут закорочены: верхняя индуктивность закорачи­ вается через вентили 1AS5, VD7, VD3, а нижняя — через VS4, VD4, VD8.

С увеличением рабочей частоты инвертора возрастает скорость на­ копления электромагнитной энергии в индуктивностях, что приводит к увеличению потерь, а следовательно, и уменьшению к. п. д. инверто­ ра. Улучшить работу инвертора можно за счет введения в схему цепей, предотвращающих накопление электромагнитной энергии в индуктив­ ности. Такие цепи показаны на рис. 7.6, а пунктиром (резисторы R1, R2 и вентили VD9, VD10).

Увеличить к. п. д. инвертора напряжения с отсекающими диодами можно, если коммутирующую индуктивность L включить последова­ тельно с конденсатором С (рис. 7.6, б). В этом случае электромагнит­ ная энергия в индуктивности не накапливается, так как через индук­ тивность протекает переменный ток. Однако в такой схеме наблюдаются большие скорости нарастания напряжения на тиристорах и повыше­ ние напряжения на коммутирующих конденсаторах, а значит, и на тиристорах, с ростом тока нагрузки.

В инверторе с пофазной двухступенчатой коммутацией (рис. 7.7) коммутирующие дроссели вынесены из силовой цепи в цепь конденса­ тора. Коммутационные процессы рассмотрим, например, для вентилей фазы С. Предположим, что ток нагрузки протекает через тиристор VS5 и коммутирующий конденсатор С заряжен с полярностью, ука­ занной на рисунке без скобок. Для запирания рабочего тиристора V55 отпирается коммутирующий тиристор VS11. Так как последова­ тельно с конденсатором включен дроссель L, то ток нагрузки, имеющий в этот момент времени значение /„о, не мгновенно переходит в цепь VS11 — L — С, а по мере вытеснения тока из тиристора IAS5. Как только ток коммутирующего контура станет равен току через рабочий тиристор VS5, последний запирается и отпирается обратный диод VD5. При этом ic > /«о и напряжение на тиристоре KS5 равно нулю

276

(в реальных схемах к тиристору приложено небольшое отрицательное напряжение, равное падению напряжения на обратном диоде). Конден­ сатор перезаряжается током ic, часть которого, равная /н0, протекает по цепи С — Z,, — VS2 ( VS4) — Un— VS11 — L — С ,а остальная часть

С момента запирания тиристора IAS5 и до момента запирания обрат­ ного диода VD5 напряжение на тиристоре VS1 равно нулю. За это вре­ мя тиристор восстанавливает свои запирающие свойства.

В рассматриваемой схеме при увеличении тока нагрузки увеличи­ вается напряжение на конденсаторе. Для ограничения амплитуды ко­ лебания напряжения на конденсаторе могут быть использованы диод­ но-резисторные цепи сброса избыточной энергии из контура коммута­ ции (на рисунке показаны пунктирной линией). После окончания про­ цесса коммутации, связанного с запиранием, например тиристора KS5, коммутирующий конденсатор С, заряженный до напряжегия, превышающего напряжение {/„, разряжается по цепи С — L — R — VD7 — VD6 — С до напряжения Un. Разрядный резистор R придает разряду конденсатора апериодический характер, что необходимо для того, чтобы конденсатор не разрядился до напряжения, меньшего Ua.

Для установления начального напряжения на конденсаторе при пуске инвертора и обеспечения работоспособности его на холостом хо­ ду (когда отсутствует та часть необходимой для коммутации энергии, которая определяется током нагрузки) применяют цепи заряда и под­ заряда конденсатора от источника питания. Контуры заряда и подза­ ряда создаются накрест лежащими рабочими (1AS.5, IAS6) и зарядными ( VS11-, VS12) тиристорами. Резистор R обеспечивает апериодический характер процесса заряда и подзаряда, что позволяет поддерживать

277

напряжение на конденсаторе перед коммутацией неизменным и рав­ ным Un во всех режимах работы инвертора.

Основные преимущества схемы инвертора с дросселем в цепи кон­ денсатора: а) небольшая установленная мощность коммутирующих дросселей, так как они вынесены из силовой цепи; б) прямые напря­ жения на рабочих тиристорах незначительно превышают напряжение источника питания; в) отсутствие короткозамкнутых контуров; г) плав­ ное нарастание тока в коммутирующих и спад тока в силовых тири­ сторах.

Недостатками схемы являются: а) малая перегрузочная способ­ ность; б) близкое к нулю обратное напряжение на рабочих тиристорах на интервале восстановления запирающих свойств, что приводит к увеличению их реального времени восстановления в 2...5 раз (для по­ лучения отрицательного напряжения на рабочем тиристоре на ин­ тервале его восстановления в цепь обратных диодов можно включить дроссель); в) высокая скорость нарастания прямого напряжения после запирания тиристоров.

7.3.Инверторы, ведомые сетью

Принцип работы инвертора, ведомого сетью, можно рассмотреть на примере двухфазного инвертора со средней точкой- (рис. 7.8, а). Он содержит источник постоянного инвертирующего напряжения Un, выходной трансформатор TV, первичная обмотка которого под­ ключена к сети переменного тока, создающего на вторичных обмот­ ках э. д. с. е2\ и е22, тиристоры VS1 и VS2 и рабочий L и ограничи­ вающие La дроссели. По отношению к U„ тиристоры включены в проводящем направлении, а напряжение на. вторичных обмотках TV периодически меняет знак, в одну часть периода сети склады ­ ваясь с Un, а в другую — вычитаясь из него.

Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда,

278

когда направление инвертированного тока /а и переменного Напря­ жения вч противоположны, т. е. когда е2 и Un встречны. Процесс ин­

ется временем, в течение которого рассеивается энергия, накопленная в дросселе L. Величина накопленной энергии пропорциональна пло­ щади S1, а рассеянной — S2. Поэтому прерывание тока в цепи ин­ вертора определяется моментом, когда при заданном угле управления обе площади S1 и S2 становятся равными друг другу.

Выбор участков рабочего напряжения, при которых обеспечивает­ ся поочередный пропуск тока тиристорами VS1 и VS2 в пределах каж­ дого из полупериодов переменного напряжения, достигается выбором момента включения тиристоров. При подаче импульса управления на тиристор VS1 незадолго до того, как напряжение в точке А становится отрицательным, этот тиристор отпирается и пропускает ток преиму­ щественно при отрицательном напряжении в точке А.

Встречное направление отрицательного напряжения е21 по отноше­ нию к анодному току i21 свидетельствует о приеме данной обмоткой мощности от источника постоянного тока. Эта мощность в процессе трансформации тока передается через вторичную и первичную обмотки трансформатора в сеть однофазного тока. Такая же передача мощности происходит в следующий полупериод через другую обмотку, когда через нее и тиристор VS2 протекает ток.

Переход (коммутация) тока с тиристора VS1 на тиристор VS2 про­ исходит так же, как и при выпрямительном режиме, в течение корот­ кого промежутка времени, называемого углом коммутации у.

Роль тиристоров при инвертировании тока сводится к роли пере­ ключателей, попеременно замыкающих цепь источника постоянного тока на одну из вторичных обмоток, а именно на ту, которая обеспе­ чивает в данную часть периода наиболее отрицательное напряжение. Для того чтобы имела место естественная коммутация тока, характе­ ризующаяся переходом тока от одного тиристора к другому, отпирание очередного тиристора должно происходить с некоторым опережением 'против начала отрицательного полупериода. Это опережение в угловом изменении носит название угла опережения р.

Угол опережения должен быть достаточен не только для того, чтобы могла совершиться естественная коммутация токов тиристоров (угол у), но и для того, чтобы после коммутации тока до появления по­ ложительного напряжения оставался достаточный по величине угол б, в течение которого закончивший свою работу тиристор успел бы восстановить свои запирающие свойства.

Если послекоммутационный угол б меньше, чем требуется для вос­ становления запирающих свойств тиристора, то с появлением положи-, тельного напряжения на аноде закончившего работу тиристора, он вновь отпирается и ток продолжает уже протекать при положительном полупериоде переменного напряжения, что приводит к опрокидыванию

279

инвертора. Из этого следует, что для стабильной работы инвертора угол б должен быть больше некоторой критической величины бкр =

=й)/выкл.Т' Таким образом, для нормальной работы инвертора необходимо,

чтобы имело место соотношение

РY Н- Ю^ВЫКЛ.Т!

ИЛИ

Р -- У = б ^ (О^ВЫКЛ.Т*

Соотношение между токами и напряжениями для инвертора, ве­ домого сетью, можно получить из соотношений для аналогичной схемы управляемого выпрямителя, в которые вместо а подставлено значение

(я - Р).

Выражение для расчета тока инвертора имеет вид id = У I е* .Sin J L [cosф — у) — cosPJ,

где Е2— амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора; т2— коэффициент, характеризующий схему инвер­ тора; Za — полное сопротивление контура.

Среднее значение входного напряжения инвертора (собственная или внутренняя противо-э. д. с.) является суммой напряжений холо­ стого хода и приращения напряжения в период коммутации

U^ = U&0 + Д£/к.

Напряжение холостого хода (внутренняя противо-э. д. с. при Д£/к = 0) определяется выражением

Если учитывать активные потери в цепи постоянного тока и паде­ ние напряжения на тиристорах U0Tк.т, то входная характеристика ин­ вертора, ведомого сетью, будет описываться уравнением

Из выражения (7.2) видно, что в отличие от внешней характеристи­ ки выпрямителя, где второе слагаемое определяет ее спад с ростом то­

280