Инвертор с последовательным соединением резонансного контура и нагрузки

Вариант классической схемы последовательного резонансного инвертора на базе традиционных тиристоров приведен на рис. 4.12,а. Для того чтобы процессы в резонансном контуре имели колебательный характер при включении тиристоров VS 1 и VS2, необходимо выполнение условия R < 2yjL/Cj где L = L1= L2. Для обеспечения естественной коммутации необходимо, чтобы включение очередного тиристора происходило после окончания предыдущего переходного процесса, т.е. ток в контуре L—R—C должен иметь прерывистый характер. В этом случае частота управляющих импульсов тиристоров должна быть меньше собственной частоты контура (cov5). На рис. 4.12,6 представлены эквивалентные схемы замещения инвертора на разных интервалах работы схемы. Процессы изменения тока ic и напряжения на конденсаторе ис показаны на рис. 4.12, в. Предположим, что к моменту подачи импульса на включение тиристора VS1 конденсатор С был заряжен на предыдущем интервале до напряжения Uco. После включения тиристора VSI процессы в инверторе протекают согласно схеме замещения для интервала I в соответствии со следующим уравнением: Последовательный резонансный инвертор

Рис. 4.12. Последовательный резонансный инвертор:

а — схема; б — эквивалентные схемы замещения; в — диаграммы тока и напряжения

на конденсаторе

Решение уравнения (4.27) с учетом начального условия Uc(0) = Ua) имеет вид

где Ъ = YL' “"л = Vе0»-8"'

Из уравнения (4.28) с учетом ic(t{) = 0 на интервале I определяем момент tv после которого схема переходит в режим работы в соответствии со схемой замещения на интервале II. В течение этого интервала ток гс=0, а напряжение сохраняется равным uc(t) = uc(tt) = UC1. Значение его также определяется уравнением (4.28).

В момент t = TJ2 поступает импульс управления на тиристор VS2, и он включается, переводя инвертор в режим работы, которому соответствует схема замещения на интервале III. Процессы, протекающие на этом интервале, также определяются уравнением (4.27), но при условии отсутствия в нем ЭДС Е и нового начального условия для напряжения на конденсаторе, которое равно Ucv так как его величина не изменяется на интервале II. Решение этого уравнения имеет следующий вид на интервале III:

Допустим, что в установившемся режиме работы инвертора значение напряжения на конденсаторе в начале и в конце периода равны (в начале интервала 1 ис = 1/с0). Далее рассмотренные процессы периодически повторяются. Рабочая частота инвертора в прерывистом режиме ограничена резонансной частотой контура со0, которая теоретически может быть достигнута при R = 0 и нулевом значении времени выключения тиристоров Р51 и VS2. В реальной схеме необходимо обеспечивать большую длительность бестоковой паузы на интервале II, чем время выключения тиристора, г.е. tq«Js-TR)/2.

В то же время режим прерывистого тока ic повышает величину максимального мгновенного значения тока относительно его среднего значения, потребляемого от источника питания, и ухудшает его гармонический состав. Одновременно ухудшается гармонический состав выходного напряжения инвертора uR. Эти недостатки частично могут быть устранены введением трансформаторной связи между дросселями L и L2, как показано пунктиром на рис. 4.12, а. В этом случае включение одного из тиристоров вызывает появление ЭДС на индуктивности, подключенной к другому тиристору, что приводит к принудительному выключению тиристора, проводившего ток на предыдущем интервале. В этом случае можно обеспечить более высокую частоту коммутации тиристоров, т.е. работать с cos > кз.

Более эффективным способом снижения пульсаций входного тока п улучшения синусоидальности выходного напряжения является применение полумостовых и мостовых схем (рис. 4.13). В свою очередь, полумосто- вая схема может быть выполнена со средней точкой в цепи питания или посредством образования общей точки за счет разделения последовательно соединенных конденсаторов (рис. 4.13,6).

Резонансные инверторы на основе

Рис. 4.13. Резонансные инверторы на основе:

а, б — полумостовых схем; в — мостовой схемы

Использование двунаправленных ключей (рис. 4.14, а) позволяет выполнять последовательные резонансные преобразователи на основе схем со свойствами инвертора напряжения. В этом случае возможен обмен реактивной энергией между резонансным контуром и входным источником напряжения. В результате может обеспечиваться работа преобразователя в режимах с непрерывным током контура в сравнительно широком частотном диапазоне. При этом частично снижаются коммутационные потери при включении или выключении ключей.

На рис. 4.14,6ив приведены типовые схемы резонансных инверторов, построенных на основе двунаправленных ключей и обладающих свойствами источника напряжения. Преобразователь постоянного тока в постоянный (рис. 4.14, г) состоит из двух звеньев: резонансного полумостового инвертора и выпрямителя с выходным емкостным фильтром Сф. Полагая величину емкости Сф достаточно большой, можно считать напряжение на выходе выпрямителя идеально сглаженным и равным среднему значению напряжения на нагрузке. Принцип действия преобразователя состоит в формировании на выходе полумостового инвертора переменного напряжения, поступающего на резонансный LC-контур, ток которого выпрямляется диодным однофазным мостом. Основным способом регулирования выходного напряжения в приведенных схемах является изменение частоты. При этом процессы, определяющие мгновенные значения токов и напряжений, зависят от частоты коммутации ключей cov и собственной частоты резонансного контура соЛ5.

Общим недостатком инверторов, содержащих в последовательном резонансном контуре нагрузку, является ограничение возможностей регулирования выходного напряжения при изменении в широком диапазоне величины сопротивления нагрузки. Этот недостаток очевиден, если учесть, что с ростом величины сопротивления колебательные свойства контура исчезают и при R —* °о инвертор становится неработоспособным. Поэтому инверторы с последовательным резонансным контуром используют при работе на постоянную или мало изменяющуюся нагрузку. Другим возмущающим фактором является изменение напряжения источника питания инвертора, которое приводит к нестабильности напряжения на нагрузке инвертора.

Существуют различные способы регулирования выходного напряжения:

  • • управление напряжением источника питания;
  • • управление частотой коммутации ключей инвертора;
Резонансные преобразователи на основе инверторов напряжения

Рис. 4.14. Резонансные преобразователи на основе инверторов напряжения:

а — двунаправленные ключи на базе транзистора и тиристора; б — полумостовая схема; в — мостовая схема; г — двухзвенный преобразователь постоянного тока

• широтно-импульсное регулирование напряжения, поступающего на резонансный LCR-контур.

Управление частотой коммутации ключей инвертора является распространенным и универсальным способом в схемах с последовательным резонансным контуром. Рассмотрим его более подробно на примере мостовой схемы инвертора напряжения на двунаправленных ключах (см. рис. 4.14, в), воспользовавшись методом основной гармоники.

На резонансный контур мостовой схемы поступает напряжение, имеющее форму меандра с амплитудой Е. Первая гармоника этого напряжения может быть записана в виде

Тогда первая гармоника напряжения на нагрузке определяется соотношением

Согласно соотношениям (4.30) и (4.31) можно определить модуль передаточной функции по напряжению в следующем виде:

где — добротность последовательного контура; v = солУсо0 — коэффициент кратности рабочей и резонансной частот.

На основании формулы (4.32) можно построить зависимости значений выходных напряжений от коэффициента кратности частот v. Для этого целесообразно использовать относительные единицы, приняв за базовые значения действующее значение первой гармоники входного напряжения U{ и резонансную частоту со0. Примеры таких зависимостей для разных значений добротности приведены на рис. 4.15. Регулирование выходного напряжения посредством изменения частоты является эффективным способом, особенно при высоких значениях добротности контура. Однако при низких ее значениях диапазон регулирования становится достаточно широким, что снижает технико-экономические показатели инвертора.

Для устранения указанного недостатка может быть использован метод широтно-импульсного регулирования выходного напряжения. Но в этом случае ухудшается гармонический состав тока в контуре. В то же время его использование одновременно с частотным регулированием — хорошее ком-

Зависимости модуля передаточной функции по напряжению мостового инвертора от рабочей частоты при различных значениях добротности

Рис. 4.15. Зависимости модуля передаточной функции по напряжению мостового инвертора от рабочей частоты при различных значениях добротности

промиссное решение, при котором недостатки обоих методов регулирования не вызывают существенного ухудшения технико-экономических показателей.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >