Инверторы тока и инверторы напряжения

Все названные в п. 1.3 типы АИ, независимо от способа коммутации, могут быть разделены на две большие группы: а) инверторы тока и б) инверторы напряжения.

Преобразовать постоянное напряжение в переменное наиболее просто можно с помощью вентилей с полной управляемостью, например тиристоров, запираемых по управляющему электроду. Эти приборы можно уподобить ключам с последовательно включенными диодами для получения односторонней проводимости. На рис. 1.13, а показана схема такого инвертора (в однофазном мостовом варианте), в данном случае ключи К2—К4, включаясь и выключаясь попарно (сначала Кх и К3, затем К2 и К4), периодически переключают постоянное напряжение питания Ео и напряжение Пн, на зажимах нагрузки Ин имеет прямоугольную форму. Подобный инвертор получил название инвертора напряжения.

С помощью тиристоров обычного типа, не имеющих полной управляемости, инвертор напряжения, строго говоря, построить нельзя. Однако с той или иной степенью приближения такой инвертор можно получить, если каждый из тиристоров снабдить коммутирующим устройством, обеспечивающим его запирание в нужный момент времени. Так, рассмотренные ранее схемы (см. рис. 1.1, а и в; 1.3, а и б; 1.5, а и б) могут быть включены в каждое плечо моста на рис. 1.13, а вместо ключей.

Однофазная мостовая схема инвертора напряжения

Рис. 1.13. Однофазная мостовая схема инвертора напряжения

на ключах К,—К4 и обратных вентилях —И04(о); графики тока и напряжения

на выходе инвертора напряжения при активно-индуктивной нагрузке (6);

однофазная мостовая схема инвертора тока (в); графики тока и напряжения на выходе инвертора тока при активно-индуктивной нагрузке (г)

При активно-индуктивной нагрузке, когда моменты перехода через нуль выходного напряжения ин и тока 1Н не совпадают (рис. 1.13, 6), параллельно управляемым вентилям в инверторе надо включить «обратные» неуправляемые вентили УОг— УО4. За счет ЭДС самоиндукции, наводимой в индуктивности нагрузки протекающим через нее током, эти вентили оказываются открытыми на тех интервалах, когда ток и напряжение нагрузки имеют противоположные знаки. При этом обеспечивается периодический обмен энергии между индуктивностью цепи нагрузки и накопителем, имеющимся в цепи постоянного тока достаточно большой емкости, включенным параллельно входным зажимам инвертора (пунктир на рис. 1.13, а). Такой конденсатор особенно необходим при питании АИ от выпрямителя; при питании от машины постоянного тока или от аккумуляторной батареи такой конденсатор нужен для уменьшения внутреннего сопротивления источника питания для переменной составляющей результирующего входного тока, причем в случае аккумуляторной батареи емкость С обычно может быть весьма небольшой.

Работа инвертора напряжения при активно-емкостной нагрузке, как правило, оказывается невозможной, поскольку при этом в моменты включения вентилей получаются недопустимые броски тока.

Поскольку в инверторах напряжения на зажимах нагрузки действует непосредственно напряжение питания, внешняя (нагрузочная) характеристика 1/н = /(/н) у таких инверторов получается достаточно жесткой (линия 1 на рис. 1.14).

Внешние (нагрузочные) характеристики инвертора напряжения (7) и инвертора тока (2)

Рис. 1.14. Внешние (нагрузочные) характеристики инвертора напряжения (7) и инвертора тока (2)

Нагрузочные свойства инвертора напряжения, в частности возможность работы при перегрузке и в режимах, близких к короткому замыканию, определяются коммутирующей способностью полностью управляемых вентилей (величиной предельного отключаемого тока). При использовании в инверторе напряжения вентилей с неполной управляемостью перегрузочная способность определяется принятым способом коммутации и параметрами коммутирующих элементов.

Инвертор тока получают из схемы (см. рис. 1.13, а) при добавлении параллельно нагрузке коммутирующего конденсатора Сив цепь постоянного тока последовательно коммутирующего и сглаживающего дросселя I. При этом получается общеизвестная схема параллельного инвертора (см. рис. 1.13, в), который обычно строится с использованием вентилей с неполной управляемостью (тиратронов, тиристоров). В таком

АИ при достаточно большой индуктивности Ь вентили переключают постоянный ток I = Ц, потребляемый от источника питания. Суммарный выходной ток 1вых = 1н + 1с (поскольку конденсатор С можно считать относящимся к цепи нагрузки) имеет прямоугольную форму (см. рис. 1.13, г).

Конденсатор С выполняет в инверторе тока следующие функции: во-первых, он обеспечивает при отпирании очередного вентиля (или в схеме рис. 1.13, в очередной пары вентилей) в запирание ранее проводившего вентиля (вентилей), во-вторых, он поддерживает на аноде закрывшегося вентиля (вентилей) в течение некоторого времени отрицательное напряжение, необходимое для восстановления управляемости, и в-третьих, он является источником реактивной мощности, потребляемой активно-индуктивной нагрузкой.

Поскольку сдвиг в сторону отставания момента перехода через нуль анодного напряжения закрывшегося вентиля (и, следовательно, выходного напряжения) относительно момента коммутации вентилей связан в АИ, как и в ведомом сетью инверторе, с потреблением самим инвертором реактивной мощности, можно сказать, что конденсатор С является источником реактивной мощности, потребляемой не только нагрузкой, но и инвертором. Считая выходное напряжение инвертора тока приближенно синусоидальным, указанный сдвиг можно, как и в инверторе, ведомом сетью, характеризовать углом опережения отпирания |3. В силу того, что в рассматриваемом параллельном инверторе коммутация вентилей происходит практически мгновенно, угол при данной частоте целиком определяет время выключения.

Внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора тока имеет падающий характер (кривая 2 на рис. 1.14). Значительный рост выходного напряжения при уменьшении нагрузки обусловлен следующими двумя условиями:

1) условием равенства среднего за половину периода значения выходного напряжения и напряжения питания (что справедливо для инвертора без потерь):

2) условием периодичности, требующим, чтобы значения напряжения на конденсаторе ис (которое в схеме рис. 1.13, а

равно напряжению на нагрузке ин~) в начале и в конце каждого полупериода были равны по величине и противоположны по знаку:

По мере уменьшения нагрузки, когда напряжения ис и ин приобретают все более и более треугольную форму и эквивалентный угол |э увеличивается (см. рис. 1.15, а—в), одновременное выполнение обоих условий требует все большего и большего увеличения амплитудного [7НМ, а следовательно, и действующего значения ин выходного напряжения.

Кривые выходного напряжения и (сверху) и напряжение на вентиле и (внизу) в однофазном инверторе тока при большой (а), средней (6) и малой (6) нагрузке

Рис. 1.15. Кривые выходного напряжения ин (сверху) и напряжение на вентиле иа (внизу) в однофазном инверторе тока при большой (а), средней (6) и малой (6) нагрузке

При больших напряжениях перезаряд конденсатора от ис^=о~) до Нс(г=г/2) = -(/с(с=0) должен производиться значительным током, в связи с этим при разгрузке инвертора его входной ток Ц растет, что затрудняет коммутацию и увеличивает потери мощности В схеме. В пределе при Ин —» со получаем Пн —> со и 1н —> оо? и коммутация оказывается невозможной.

При больших нагрузках инвертора тока кривая выходного напряжения приобретает почти прямоугольную форму (рис. 1.15, а) и действующее значение выходного напряжения приближается к Ео. При этом время выключения Гвыкл = р/со уменьшается, и когда оно становится меньше времени восстановления управляемости вентилей, происходит срыв инвертирования.

Выпишем для сопоставления наиболее характерные особенности инверторов напряжения и инверторов тока (см. табл. 1.1). Идеальные инверторы тока и инверторы напряжения являются предельными случаями. Практические схемы АИ в большей или меньшей степени приближаются к понятию идеального инвертора тока или инвертора напряжения, в зависимости от способа коммутации тока, соотношения параметров, режима работы и и т. д. Так, параллельный инвертор с полной коммутирующей емкостью может служить типичным примером инвертора тока. Некоторые схемы параллельных инверторов с ограниченной коммутирующей емкостью, многие схемы АИ с двухступенчатой коммутацией, АИ с «феррит-конденсаторной» коммутацией, с импульсной или высокочастотной коммутацией и др. работают в режимах, близких к инвертору напряжения.

Таблица 1.1

Инверторы напряжения

Инверторы тока

1. Выходное напряжение имеет прямоугольную форму и неизменную величину, а кривая тока зависит от характера нагрузки

1. Выходной ток, складывающийся из тока нагрузки и тока коммутирующего конденсатора, имеет прямоугольную форму, а напряжение (как форма кривой, так и величина) зависит от параметров нагрузки

2. Источник питания работает в режиме генератора ЭДС, для чего на практике он должен быть зашунтирован достаточно большим конденсатором

2. Источник питания работает в режиме генератора тока, для чего последовательно с ним должен быть включен достаточно большой дроссель

3. При активно-индуктивной нагрузке для обеспечения баланса реактивной энергии необходим обратный выпрямитель

3. При активно-индуктивной внешней нагрузке баланс реактивной энергии обеспечивается благодаря наличию коммутирующего конденсатора, так что результирующая (полная) нагрузка должна иметь активно-емкостный характер

4. Нагрузочная характеристика Пн = /(1н) идет горизонтально

4. Нагрузочная характеристика мягкая

5. Инвертор выполняется с использованием полностью управляемых вентилей либо при использовании вентилей с неполным управлением они должны быть снабжены дополнительными коммутирующими устройствами

5. В инверторе могут быть использованы вентили с неполным управлением

Окончание табл. 1.1

Инверторы напряжения

Инверторы тока

6. В режимах холостого хода работа инвертора возможна. При перегрузках и, в частности, в режимах, близких к короткому замыканию, работа инвертора затруднена и возможность таких режимов определяется коммутационными свойствами вентилей

6. В режимах, близких к холостому ходу, работа инвертора невозможна из-за затрудненного перезаряда конденсатора, а в режимах, близких к короткому замыканию, затруднена из-за недостаточного времени на восстановление запирающих свойств вентилей

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >