Регулирование и стабилизация выходного напряжения инверторов тока

Регулирование выходного напряжения либо его стабилизацию при изменении параметров нагрузки инвертора или напряжения питания можно осуществить с помощью:

• — управляемого выпрямителя;
• — импульсного преобразователя постоянного напряжения;
• — импульсного преобразователя переменного напряжения;
• — регулирования изменением частоты инвертора;
• — обратного выпрямителя;
• — индуктивно-тиристорного регулятора;
• — сложения напряжений двух или нескольких инверторов;
• — широтно-импульсного регулирования с помощью тиристоров инвертора.

Управляемый выпрямитель является наиболее простым и эффективным устройством для регулирования напряжений. Он позволяет получить большой диапазон регулирования без использования дополнительных силовых элементов. Однако при глубоком регулировании выходного напряжения с помощью управляемого выпрямителя существенно снижается коэффициент мощности со стороны питающей сети и для сглаживания пульсаций требуется фильтр с большим коэффициентом фильтрации, ухудшающий массогабаритные и динамические показатели преобразователя.

Импульсный преобразователь постоянного напряжения применяют, когда первичный источник питания является нерегулируемым (аккумуляторная батарея, неуправляемый выпрямитель). При этом число силовых элементов получается большим, чем в управляемом выпрямителе. Однако следует учитывать, что: рабочая частота импульсного преобразователя может быть выбрана выше частоты первой гармоники выпрямленного напряжения при питании выпрямителя от сети (это может заметно снизить габариты сглаживающего фильтра и улучшить быстродействие системы); импульсный преобразователь может выполнять функции быстродействующего выключателя при перегрузках в срывах инвертирования; коэффициент мощности преобразователя со стороны питающей сети значительно улучшается (при наличии неуправляемого выпрямителя). Недостаток импульсного преобразователя заключается в том, что он должен быть рассчитан на полную мощность нагрузки. Недостатком способов регулирования напряжения по цепи постоянного тока является то, что при изменении напряжения питания в широких пределах затруднена работа схем искусственной коммутации тиристоров.

Импульсный преобразователь переменного напряжения, включенный на выходе инвертора тока, позволяет регулировать напряжение на нагрузке в широких пределах. При этом регулирование переменного напряжения на нагрузке осуществляется либо тиристорным преобразователем переменного напряжения с естественной или искусственной коммутацией, либо изменением коэффициента трансформации выходного трансформатора с помощью тиристорных ключей переменного тока. Данному способу регулирования присущи все недостатки тиристорных преобразователей переменного напряжения.

Регулирование выходного напряжения инвертора тока можно осуществлять изменением выходной частоты инвертора, что приводит к компенсации изменения эквивалентного сопротивления нагрузки. При этом не требуются дополнительные силовые элементы. Из выражения (2.11) видно, что при неизменных величинах Х_н и С выходное напряжение инвертора является функцией выходной частоты. При чисто активной нагрузке (<р = 0) из выражения (2.11) получаем:

Данному способу присущ ограниченный диапазон регулирования; при изменении входного напряжения затруднена возможность поддержания заданного режима работы инвертора; изменение выходной частоты в широких пределах допустимо лишь для некоторых потребителей.

Из выражения (2.11) видно, что выходное напряжение инвертора тока зависит от активной и реактивной мощностей, потребляемых от инвертора, т. е. от созф. Эту зависимость можно использовать для стабилизации выходного напряжения при 1)₍₁ = уаг с помощью обратного выпрямителя (диоды УО₁—VI) ₄ на рис. 2.10, а). Обратный выпрямитель подсоединяют к отпайкам выходного трансформатора (собирают по той же схеме, что и инвертор) и включают встречно напряжению источника питания. Дроссели в цепи обратного выпрямителя обеспечивают режим непрерывного тока ^_в. При и_ав < и_<1 обратный выпрямитель заперт (1/^_в = к_ии'_нПо — выходное напряжение выпрямителя; и'_н = и_н / п — напряжение на нагрузке, приведенное к первичной обмотке трансформатора; п₀ = а)₂/°⁾1 — коэффициент отпайки; п_Отах = соз5_тЬ1; 5_т,_п = к₃соГ_ВОССТ; к₃ = 1,2 ч- 1,5 — коэффициент запаса; п = со_н/со₁ — коэффициент трансформации). При разгрузке инвертора действующее значение напряжения П_н в соответствии с внешней характеристикой (рис. 2.10, б) возрастает и обратный выпрямитель откроется, когда приведенное неравенство превратится в равенство. Дальнейшее уменьшение коэффициента нагрузки В почти не вызывает увеличения напряжения П_н вследствие роста входного тока выпрямителя, представляющего по отношению к инвертору активную нагрузку. На рис. 2.10, в приведена векторная диаграмма токов и напряжений для схемы рис. 2.10, а при двух значениях тока нагрузки (1_н1 и 1_н2). При изменении параметров нагрузки изменяются ток обратного выпрямителя /_в выходной ток инвертора /1(2), а ток коммутирующего конденсатора 1_С, угол [3 и напряжение и_к остаются постоянными до тех пор, пока обратный выпрямитель открыт, т. е. пока и_ав >

Входной ток обратного выпрямителя можно определить из уравнений, составленных по векторной диаграмме:

откуда

Рис 2.10. Однофазный инвертор тока с обратным выпрямителем: а — схема; б — внешняя характеристика; в — векторная диаграмма с обратным выпрямителем

Если в качестве вентилей обратного выпрямителя применить тиристоры, то выходное напряжение U_H при U_d — const можно плавно изменять, изменяя угол управления а управляемого выпрямителя. При изменении входного напряжения инвертора U_d путем изменения угла управления а можно поддерживать постоянным выходное напряжение U_H.

При этом обратный выпрямитель будет представлять по отношению к инвертору активно-индуктивную нагрузку, так как входной ток обратного выпрямителя i_B будет отставать по фазе от напряжения 17_н на угол а. В этом режиме обратный выпрямитель потребляет от инвертора реактивный ток, компенсирующий избыточный ток конденсатора, и активный ток, создающий дополнительную нагрузку инвертора. Для получения наиболее выгодных соотношений между реактивной и активной составляющими тока выпрямителя угол управления а необходимо увеличивать. Данное условие выполняется, если обратный выпрямитель подключен на напряжение, большее 17_и, т. е. необходимо, чтобы п₀ > 1. В этом случае cosct = cosp/n₀.

Недостатком данного способа регулирования (стабилизации) выходного напряжения инвертора является большая установленная мощность основных элементов инвертора, так как при уменьшении коэффициента нагрузки В (разгрузка инвертора) ток через вентили обратного выпрямителя значительно увеличивается.

Регулирование (стабилизация) выходного напряжения с помощью индуктивно-тиристорного регулятора (рис. 2.11, а), состоящего из тиристоров VS₇—VS_n и дросселей L, включенных параллельно нагрузке, заключается в том, что при изменении величины эквивалентной индуктивности 1_экв, вводимой в преобразователь параллельно нагрузке, изменяется угол сдвига фаз р между инвертируемым током /_и и выходным напряжением инвертора и_и. При принятых допущениях тангенс угла Р определяется выражением

где Q_c =3U^_JI(oC — реактивная мощность коммутирующих конденсаторов; Q_H = 317^ / gjL_h — реактивная мощность нагрузки; Р_н=3и^_л/г_н — активная мощность нагрузки; (7_НЛ— действующее значение линейного напряжения на нагрузке; _ _{огт Т} 3U^L 2а sin2a)

Q_l = 3t/_HJ1/_L(1) = —— 1----— реактивная мощность ин-

X_L V л nJ

_т U„_n(J 2a sin 2а дуктивно-тиристорного регулятора; /_L(1) — 1----—

^XL I Л nJ действующее значение первой гармоники тока дросселей L; a — угол управления тиристорами VS₇—VS₁₂, отсчитываемый от точки максимума линейного напряжения (а - 0 - а/2).

Из выражения (2.25) видно, что дроссели L можно рассматривать как переменные индуктивные сопротивления с эквивалентной индуктивностью, изменяющейся с изменением угла а:

Рис. 2.11. Трехфазный параллельный инвертор тока с индуктивно-тиристорным регулятором: а — схема; б — векторная диаграмма

Параметры элементов регулятора (дросселей L и тиристоров VS₇—VS₁₂) определяются максимальной реактивной мощностью, которую он должен потреблять от инвертора. Максимальная реактивная мощность потребляется при минимальном угле управления а тиристорами VS₇—VS₁₂, т. е. при неизменном коэффициенте мощности нагрузки coscp ток I_L дросселей L наибольший в режиме холостого хода инвертора. Это необходимо для компенсации избыточного тока 1_С коммутирующих конденсаторов (рис. 2.11, б). При номинальной нагрузке ток I_L близок к нулю. Данный способ регулирования (стабилизации) выходного напряжения эффективен, так как избыточный ток 1_С компенсируется током I_L в месте его возникновения и поэтому тиристоры инвертора не перегружаются током.

Емкость коммутирующих конденсаторов должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить режим работы инвертора, при котором инвертор и нагрузка потребляют максимальную реактивную мощность. В этом режиме индуктивно-тиристорный регулятор должен иметь минимальную реактивную мощность (<2_Л = 0 и ?_экв = оо), а нагрузка — потреблять максимальную мощность. Такой режим будет иметь место при максимальном значении угла опережения р, которое определяется при и_а = и_ат[п.

Недостатком рассмотренного способа регулирования (стабилизации) выходного напряжения является наличие дополнительных силовых элементов (дросселей I и тиристоров У5₇—У5₁₂), а также увеличение емкости (мощности) коммутирующих конденсаторов.

В трехфазном преобразователе со сложением выходных напряжений двух инверторов (рис. 2.12) два параллельных инвертора тока И], И₂ (инверторные блоки) соединены по цепи постоянного тока параллельно, а по цепи переменного тока — последовательно.

Для стабилизации выходного напряжения каждого из инверторов последние снабжены обратными выпрямителями. Величину выходного напряжения и_и можно изменять путем изменения угла сдвига фаз (см. рис. 2.12) между напряжениями и₁ и и₂. Это достигается путем изменения угла сдвига ц/ между управляющими импульсами обоих инверторов. Напряжения на вторичных обмотках выходных трансформаторов равны, т. е. | и_г | = 117₂|.

На рис. 2.13 приведена векторная диаграмма рассматриваемого трехфазного преобразователя с учетом принятых допущений. Нижняя часть диаграммы относится к инвертору И_р верхняя — к инвертору И₂. Выходной ток обратных выпрямителей обеспечивается непрерывным за счет дросселей Л_с/в. При этом обратный выпрямитель должен создавать на выходе напряжение, равное напряжению источника питания 11у

где П_в(1)1 — расчетное напряжение выпрямителя (основная гармоника).

Рис 2.12. Схема трехфазного преобразователя со сложением выходных напряжений двух инверторов

При одинаковых схемах инвертора и обратного выпрямителя расчетное напряжение выпрямителя П_в(1)1 равно расчетной ЭДС инвертора Ецд (действующее значение расчетной ЭДС представляет собой активную составляющую основной гармоники выходного напряжения инвертора т. е. Е₍₁₎₁ — = и_а/к_и = Цд-цсозр. Угол определяем из круговой диаграммы, сделав засечку радиусом Е₍₁₎₁ на левой полуокружности (значение П_в(1)1 находим по выражению (2.27)). Вектор расчетного тока инвертора Ц совпадает по направлению с вектором Е’(₁)₁. Во вторичных обмотках трансформаторов протекает одинаковый ток нагрузки 1_Н. Расчетный ток инвертора складывается из тока нагрузки 1_Н, тока коммутирующих конденсаторов 1_С и тока обратного выпрямителя 1_в1.

Поскольку выходные напряжения инверторных блоков равны: | и_г I = I и₂1, токи 1_С1 и 1_С2 также равны по абсолютной величине. Действующее значение напряжения на нагрузке и_н = = 217^05

Как видно из последнего выражения, преобразователь со сложением выходных напряжений двух инверторов позволяет плавно регулировать выходное напряжение от двойного значения выходного напряжения инвертора до нуля. К недостаткам относятся: необходимость установки обратных выпрямителей на каждом инверторе; значительная перегрузка по току тиристоров отдельных инверторов и обратных выпрямителей в процессе регулирования напряжений; наличие выходных трансформаторов.

Рис. 2.13. Векторная диаграмма к схеме рис. 2.12

Сущность широтно-импульсного регулирования выходного напряжения инвертора тока с помощью тиристоров инвертора заключается в следующем. На интервале 0—а на инвертор подается часть напряжения источника питания или нулевое (рис. 2.14, а, б), а на интервале а—л — все напряжение питания. Плавно изменяя продолжительность первого интервала от 0 до а, можно плавно регулировать выходное напряжение и мощность инвертора.

Рис 2.14. Формы напряжения, подаваемого на инвертор тока при широтно-импульсном регулировании выходного напряжения (а, 6) и кривая входного тока (в)

На рис. 2.15, а приведена схема однофазного последовательно-параллельного инвертора тока с двумя дополнительными тиристорами У?₅, У?₆ позволяющая производить широтно-импульсное регулирование выходного напряжения. Фильтровые конденсаторы С_ф1 = С_ф2 делят входное напряжение пополам. Сглаживающий дроссель обеспечивающий непрерывный входной ток инвертора, включен между фильтровыми конденсаторами.

В установившемся режиме инвертор работает таким образом. На интервале 0—а (см. рис. 2.15, а, в) открыты тиристоры У5₆ и У3₂. Ток протекает по цепи +С_ф — — У5₆— нагрузка (точки а — б) — У3₂— (~С_ф2). При этом напряжение, подаваемое на инвертор, равно и_а1 = 1^/2.

Запирание тиристора У5₆ происходит при отпирании тиристора в момент времени и = ос под действием обратного напряжения 1^/2 с конденсатора С_ф1. При отпирании тиристора ток протекает по цепи С_ф1 — — (а — б) — У5₂ —

Сф2 — — СфГ

Очевидно, на втором интервале а—л преобразуется все напряжение источника питания 1)₍₁ = + 17^. В следующий полупериод отпираются тиристоры У5₃ и У?₅ (преобразуется напряжение 1^/2 конденсатора С_ф1), а затем — тиристоры У5₃ и УБ₄ (тиристор УБ₅ запирается), и преобразуется все напряжение источника питания

Рис. 2.15. Схемы однофазных последовательно-параллельных инверторов тока, осуществляющих широтно-импульсное регулирование выходного напряжения

Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы напряжение и_аб в моменты коммутации (0, л, 2л, ...) было больше и_а/2: 1/_аб(0) = П_обр > ^/2.

Преимуществом данного инвертора является то, что при широких пределах регулирования выходного напряжения (теоретически от номинального до половины номинального) обеспечивается надежная коммутация всех тиристоров. Недостатком инвертора является необходимость в фильтровом дросселе который шунтирует входной дроссель на интервале сх—л.

Если имеются два источника питания и_а1 и и_а2, то можно применить схему рис. 2.15, б. Принцип работы этого инвертора аналогичен рассмотренному выше. Соотношения между напряжениями и и_а2 могут быть произвольными.

При П_с/1=0 схема рис. 2.15, б превращается в схему рис. 2.15, в. В установившемся режиме на интервале 0—ос открыты тиристоры 7$! и У?₅. Ток протекает по цепи Ь_с1 — — (а —

б) — У5₅ — Ь₍₁ за счет электромагнитной энергии, запасенной в дросселе На этом интервале энергия от источника питания не потребляется и приложенное напряжение равно нулю (см. рис. 2.14, б, в). В момент времени о = ос отпирается тиристор У5₂ (вспомогательный тиристор У?₅ запирается обратным напряжением [7Д и инвертор работает как обыкновенный мостовой инвертор. В следующий полупериод отпираются тиристоры УБ₆ и У5₃, а затем тиристор У3₄. При отпирании тиристоров У5₃ и УБ₆ тиристор запирается обратным напряжением и_аб = П_обр, приложенным к нему через тиристор УБ₃, а тиристор УБ₂ — напряжением 17_аб, приложенным через тиристор УБ₆ и источник питания и_а. Очевидно, нормальная работа инвертора возможна, если П_аб(0) = и_обр > и_а. Это неравенство определяет границы регулирования выходного напряжения инвертора.

Рассмотренный инвертор прост и имеет широкий диапазон регулирования выходного напряжения.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Как изменить частоту выходного напряжения АИТ?
• 2. Каково назначение элементов С_к, Е₍₁ в автономных инверторах тока?
• 3. Объясните вид внешних характеристик автономных инверторов тока.

• 4. Почему выходное напряжение в АИТ может быть больше, чем входное?
• 5. Как снимаются внешние характеристики автономных инверторов?
• 6. Как зависит напряжение на выходе автономных инверторов тока от частоты?
• 7. Что такое опрокидывание инвертора и каковы его причины? Как прервать аварийный ток при опрокидывании инвертора?
• 8. От каких параметров и как зависит время С₅ в автономных инверторах тока?
• 9. Как определить КПД АИТ?
• 10. Какой аварийный режим возникает при сбросе нагрузки до холостого хода в автономном инверторе тока?
• 11. Какой аварийный режим возникает при сбросе нагрузки до холостого хода в последовательно-параллельном АИТ?