Инверторы тока

Однофазный параллельный инвертор тока

На рис. 2.1, а приведена принципиальная схема однофазного параллельного мостового инвертора тока. Тиристоры отпираются попарно (?5! и ?52, ?53 и ?$4) с относительным фазовым сдвигом, равным 180°. Во входной цепи включен дроссель Ьа, индуктивность которого достаточно велика (в пределе Ц = со), благодаря чему входной ток идеально сглажен, а ток через тиристоры имеет прямоугольную форму (рис. 2.1, б). При отпирании тиристоров ?51, ?52 ток іл, равный в течение полупериода выходной частоты току іВЬІХ, разветвляется по двум ветвям: ток ін протекает через нагрузку, а ток іс через конденсатор С, заряжая его с полярностью, указанной на рисунке без скобок. Через полупериод выходной частоты отпираются тиристоры ?$3, ?54 и конденсатор С оказывается закороченным всеми тиристорами. При этом ток разряда конденсатора, протекая навстречу рабочему току тиристоров ?5! и ?$2, уменьшает его до нуля практически мгновенно, так как сопротивление в контуре разряда конденсатора через тиристоры мало, а индуктивности рассеяния обмоток трансформатора (если последний имеется) находятся вне этого контура. Быстрое нарастание тока в тиристорах, которые отпираются, может вывести их из строя вследствие превышения допустимой величины а/(1?. Поэтому в анодные цепи тиристоров на практике вводят дроссели, ограничивающие допустимую для конкретного типа тиристоров величину нарастания анодного тока.

После спадания анодного тока тиристоров ?51? ?52 до нуля к ним прикладывается обратное напряжение, определяемое напряжением на коммутирующем конденсаторе С. При запирании тиристоров ?51? ?52 конденсатор С перезаряжается от источника питания через тиристоры ?53, ?$4, приобретая противоположную полярность (на рисунке указана в скобках). Отметим, что при отпирании очередной пары тиристоров одновременно с разрядом конденсатора по контуру открытых тиристоров происходит также его разряд на нагрузку. При этом часть энергии конденсатора переходит в энергию индуктивностей контура, а другая часть рассеивается в его активных сопротивлениях. При отпирании тиристоров VSj и VS2 процесс повторяется.

В любой момент времени суммарный ток на выходе инвертора при принятом допущении (Ld—><*>) равен іВЬІХ = ін + іс = = Id = const, но его направление изменяется через каждый полупериод на противоположное (рис. 2.1, б). В течение времени tBblKJ] напряжение на конденсаторе (uc = ин) совпадает по направлению с прежним, ток нагрузки сохраняет свое прежнее направление за счет разряда конденсатора на нагрузку, а ток коммутирующего конденсатора ic с момента коммутации изменяет направление на противоположное. Таким образом, ток конденсатора ic после коммутации имеет максимальное значение и уменьшается по мере его перезаряда, а ток нагрузки ін постепенно спадает до нуля и, реверсируя, совпадает по направлению с током іс.

Дроссель Ld выполняет функцию фильтра высших гармонических составляющих напряжений, так как к нему в любой момент времени прикладывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора (называемым противо-ЭДС инвертора).

Выходное напряжение инвертора повторяет по форме напряжение на конденсаторе и представляет собой в каждый полупериод сумму двух составляющих: постоянной, равной напряжению источника питания, и переменной, возникающей за счет реактивной мощности конденсатора. Поскольку за полупериод выходной частоты реактивная мощность равна нулю, заштрихованные площадки и S2 (рис. 2.1, б), характеризующие интегральные значения переменной составляющей, равны между собой. Среднее значение выходного напряжения за полупериод равно напряжению источника питания Ud.

Напряжение на тиристорах VS15 VS2} 2 на рис. 2.1, б) после коммутации изменяется от отрицательного значения к положительному.

В течение времени гвыкл на тиристорах VSj и VS2 поддерживается отрицательное напряжение и они восстанавливают запирающие свойства.

Однофазный мостовой параллельный инвертор тока

Рис. 2.1. Однофазный мостовой параллельный инвертор тока: а — схема; б — временные диаграммы токов и напряжений

Если Свыкл > Свост, то с восстановлением положительного анодного напряжения тиристоры У51 и У52 (см. рис. 2.1, б) останутся запертыми вплоть до прихода следующего отпирающего импульса. Если же этого времени окажется недостаточно, то указанные тиристоры вновь откроются и произойдет срыв инвертирования.

Коммутирующий конденсатор может быть включен параллельно первичной или вторичной обмотке трансформатора, если такой имеется.

В зависимости от соотношения величин индуктивности входного дросселя 1^, сопротивления нагрузки 2Н, частоты выходного напряжения / и емкости коммутирующего конденсатора С возможны три режима работы параллельного инвертора:

  • 1) входной ток Ц непрерывен и идеально сглажен;
  • 2) входной ток Ц непрерывен, но имеет пульсации;
  • 3) входной ток Ц прерывистый.

Для расчета инвертора воспользуемся эквивалентной схемой, справедливой в течение полупериода выходной частоты и полученной в предположении, что активное сопротивление дросселя и прямое падение напряжения на тиристорах равны нулю, а нагрузка чисто активная (рис. 2.2).

Так как индуктивность дросселя Ь(1 бесконечно велика, ток Ц, потребляемый от источника питания, постоянен. Для схемы рис. 2.2 можно записать следующую систему уравнений (если пренебречь начальными условиями):

Решая эту систему относительно напряжения и в операторной форме, получаем:

Данная функция имеет два полюса: = 0 и р2 = -1/(Сгн). Оригинал находим с помощью обратного преобразования Лапласа:

Рис 2.2. Эквивалентная схема инвертора тока

Для нахождения коэффициентов А3 и А2 воспользуемся следующими условиями:

1) напряжение на нагрузке изменяется по периодической кривой, вследствие чего его значения при коммутациях равны по величине и противоположны по знаку:

2) среднее значение напряжения на дросселе в установившемся режиме равно нулю:

С учетом этих условий определим значения коэффициентов А1 и А2:

где Тн = Сгн.

Подставляя значения коэффициентов А! и А2 в формулу (2.2), получаем выражение для мгновенного значения напряжения на нагрузке

из которого видно, что напряжение на нагрузке изменяется по экспоненциальному закону. С уменьшением нагрузки кривая тока ic приближается к прямоугольной форме, а напряжение на конденсаторе и нагрузке согласно уравнению (2.1) — к треугольной, так как duc/dt — Id/C — const (рис. 2.3, а). Таким образом, при режимах, близких к режиму холостого хода, конденсатор заряжается практически постоянным током. Напряжение на конденсаторе возрастает примерно по линейному закону и его амплитуда может во много раз превышать напряжение Ud, что приводит к выходу из строя тиристоров инвертора.

При увеличении нагрузки напряжение на нагрузке и конденсаторе падает (рис. 2.3, б), так как при этом уменьшается зарядный ток конденсатора и увеличивается его разрядный ток через нагрузку. В результате коммутационная способность конденсатора снижается вследствие уменьшения запасаемой в конденсаторе энергии. Форма выходного напряжения приближается к прямоугольной (рис. 2.3, в).

Формы напряжения на нагрузке однофазного инвертора тока

Рис. 2.3. Формы напряжения на нагрузке однофазного инвертора тока

По известному напряжению на нагрузке можно определить значения токов нагрузки, конденсатора и источника питания:

Из рис. 2.1, б видно, что момент коммутации, т. е. момент прохождения инвертируемого тока 1ВЫХ = 1н + 1с через нуль, опережает напряжение на нагрузке на время, необходимое тиристорам для восстановления своих управляющих свойств. В течение этого времени (времени запирания) к тиристорам, ранее проводившим ток, прикладывается отрицательное напряжение. Время запирания можно определить из выражения (2.3), приравнивая его нулю:

Решая уравнение (2.4) относительно Гвыкл, получаем:

Из выражения (2.5) видно, что время запирания увеличивается с увеличением сопротивления нагрузки и емкости коммутирующего конденсатора.

Рассматривая параллельное соединение коммутирующего конденсатора С и резистора Ин как общую нагрузку, нетрудно видеть, что инвертор тока может работать лишь на общую емкостную нагрузку, когда выходной ток инвертора 1вых опережает напряжение пн на выходе инвертора. В этом случае к тиристорам, которые до коммутации проводили ток, прикладывается обратное напряжение. Время действия обратного напряжения на тиристорах должно быть достаточным для восстановления их запирающих свойств, т. е. Гвыкл > Гвостили Р > 8, где Р = со Гвыкл, 8 = со Гвост, где со — угловая выходная частота инвертора. Приведенное условие выполняется благодаря наличию угла опережения (запирания) Р тока гвых, потребляемого нагрузкой и конденсатором, и напряжения ин. Угол Р создается за счет тока сс коммутирующего конденсатора.

Анализ работы инвертора на активно-индуктивную нагрузку можно провести так же, как и для инвертора при чисто активной нагрузке. Однако зависимости для тока и напряжения получаются сложными, а расчет — громоздким и трудным.

На практике, особенно при анализе многофазных инверторов, очень часто ограничиваются лишь учетом основной гармоники токов и напряжений. При этом характеристики, найденные методом основной гармоники, пригодны для инженерных расчетов, так как мало отличаются от характеристик, полученных путем решения дифференциальных уравнений (расхождение не превышает 10—15 %). Анализ инвертора методом основной гармоники проведем при следующих допущениях: напряжение на выходе инвертора синусоидально, инвертируемый ток идеально сглажен (1Й—> °°), активными потерями в элементах инвертора пренебрегаем, коммутация тока с тиристора на тиристор мгновенная.

Учитывая, что кривая инвертируемого тока имеет прямоугольную форму (рис. 2.4, а), действующее значение его первой гармоники определим из выражения

Пренебрегая потерями в инверторе и учитывая, что при принятых допущениях угол опережения Р = равен углу сдвига фаз между инвертированным напряжением ин и первой гармоникой инвертированного тока 1(1) (рис. 2.4, а), получим, что активная мощность, потребляемая от источника питания, равна активной инвертированной мощности: Р(1 = Рн, т. е.

Из выражений (2.7) и (2.6) находим, что

2д/2

где ки =---= 0,9 — коэффициент, зависящий от схемы инвер-

п

тора. Если нагрузка подключается через инверторный трансформатор, выражение (2.8) приобретает вид 1/н = —, где

исозр

п =2/мі — коэффициент трансформации инверторного трансформатора.

Временные диаграммы однофазного параллельного инвертора тока (о) и его векторная диаграмма (6)

Рис. 2.4. Временные диаграммы однофазного параллельного инвертора тока (о) и его векторная диаграмма (6)

Угол опережения Р зависит от соотношения реактивной и активной мощностей инвертора.

Учитывая только первую гармонику, с помощью векторной диаграммы (см. рис. 2.4, б) найдем, что

где (2С н1с = (соС /п2уи2 реактивная мощность конденсатора; <2Н - 17нІнзіп(р; Рн = ин 1нсоз(р — соответственно реактивная и активная мощности нагрузки; созср — коэффициент мощности нагрузки; ср — угол сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока в нагрузке.

Для описания процессов в нагрузке введем понятие коэффициента нагрузки, которое определяется как отношение полной мощности нагрузки к реактивной мощности коммутирующих конденсаторов:

здесь п = со2/си1 — коэффициент трансформации инверторного трансформатора (для однофазного инвертора со средней точкой п = (02/2соі); Ва = Всозср; Вр =Взіп(р — коэффициенты активной и реактивной нагрузок.

Из выражений (2.8)—(2.10) получаем уравнение внешней характеристики параллельного инвертора тока:

В инверторе без потерь входная и выходная мощности равны, т. е.

Из выражений (2.11) и (2.12) можно найти зависимости входного тока параллельного инвертора от параметров нагрузки, рабочей частоты и емкости коммутирующего конденсатора (входную характеристику):

На рис. 2.5, а и б, приведены внешние (выходные) и входные характеристики параллельного инвертора, построенные по выражениям (2.11) и (2.13). Отличительной особенностью внешних характеристик является крутой спад в области малых значений Ва. Рост напряжения пн при уменьшении Ва объясняется тем, что при холостом ходе и идеальных элементах инвертора в нем не расходуется энергия. При каждой коммутации тиристоров от источника питания потребляется дополнительная энергия на перезаряд конденсатора, которая накапливается в магнитном поле дросселя и электрическом поле коммутирующего конденсатора С. Так как между дросселем Ь(1 и конденсатором С происходит непрерывный обмен энергией, амплитуда напряжения на конденсаторе, а следовательно, и на тиристорах все время возрастает, что приводит к пробою тиристоров и срыву инвертирования.

При возрастании Ва, т. е. уменьшении Хн, уменьшается время разряда конденсатора на нагрузку, снижается напряжение на нагрузке и уменьшается угол опережения.

Таким образом, параллельный инвертор тока нормально работает только в определенном диапазоне изменения коэффициента нагрузки: при малых значениях Ва возникает опасность появления перенапряжений, при больших значениях Ва угол опережения становится недостаточным и происходит срыв инвертирования.

При уменьшении коэффициента мощности нагрузки без одновременного увеличения емкости коммутирующего конденсатора может произойти срыв инвертирования, так как индуктивность нагрузки компенсирует реактивный ток коммутирующего конденсатора и тем самым уменьшает время запирания гвыкл. При работе инвертора на активно-индуктивную изменяющуюся нагрузку в случае увеличения коэффициента мощности нагрузки при неизменной емкости коммутирующего конденсатора резко возрастает выходное напряжение, что может привести к недопустимым перенапряжениям, обусловленным избыточной реактивной мощностью коммутирующих конденсаторов.

Внешние (а) и входные (6) характеристики параллельного инвертора тока

Рис. 2.5. Внешние (а) и входные (6) характеристики параллельного инвертора тока

Входные характеристики параллельного инвертора тока имеют две ветви: левую (нисходящую) и правую (восходящую) . При Ва 1 имеем минимальные значения входного тока, а с приближением к режимам холостого хода и короткого замыкания входной ток стремится к бесконечности. С ростом нагрузки (Во > 1) увеличивается входной ток инвертора, так как при этом увеличивается ток, отдаваемый в нагрузку. Входной ток в этом случае почти пропорционален Ва, поскольку напряжение на нагрузке изменяется мало. При Ва < 1 резко возрастает напряжение на выходе инвертора, что приводит к увеличению входного тока. Поэтому в этой области значений Ва увеличение сопротивления Ин оказывает меньшее влияние, чем повышение напряжения 1^; в результате ток Ц и мощность, потребляемые от источника, возрастают.

При работе инвертора на активно-индуктивную внешнюю нагрузку последняя должна быть скомпенсирована емкостью конденсатора, включаемого параллельно нагрузке, или коммутирующего, так, чтобы общая реакция цепи была емкостной. Коммутирующий конденсатор при этом выбирают из условия компенсации реактивной мощности нагрузки и обеспечения устойчивой коммутации тока, т. е.

Из выражения (2.14) видно, что при данной величине <2С и низкой рабочей частоте инвертора емкость коммутирующего конденсатора С=(2сп2 / (соП2) получается значительной. Для уменьшения этой емкости в инвертор вводят отсекающие диоды, включаемые между нагрузкой и коммутирующим конденсатором.

На рис. 2.6, а представлена схема однофазного параллельного инвертора тока со средней точкой, содержащего отсекающие диоды УВ1 и УП2.

При работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку, когда зарядный ток конденсатора іс = С(бис / сії) = в течение полупериода переходит через нуль (рис. 2.6, б), что соответствует его частичному разряду, отсекающие диоды отделяют конденсатор от нагрузки (момент времени Гг). При этом заряд конденсатора прекращается раньше, чем заканчивается полупериод, и напряжение на конденсаторе остается постоянным (см. рис. 2.6, б), так как УО} и УО2 препятствуют разряду конденсатора на нагрузку. При низких частотах конденсатор отключается отсекающими диодами на большую часть полупериода, чтопозволяет уменьшить емкость коммутирующего конденсатора по сравнению с инвертором без отсекающих диодов. Наличие отсекающих диодов приводит к повышению напряжения на нагрузке по сравнению с обычным инвертором, а следовательно, и к изменению кривой напряжения на тиристорах ((7В), что в свою очередь вызывает увеличение времени Гвыкл.

Однофазный параллельный инвертор тока со средней точкой и отсекающими диодами

Рис. 2.6. Однофазный параллельный инвертор тока со средней точкой и отсекающими диодами:

а — схема; б — временные диаграммы токов и напряжений

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >