Автономные инверторы.

В автономном (независимом) инверторе в отличие от зависимого инвертора частота получаемого переменного тока определяется исключительно режимом работы его вентилей. Инвер­тор подключается к источнику постоянного тока G (рис. 107) и от него постоянный ток через тиристоры V1 —V4 поочередно подается на нагруз­ку R_H. Когда включены тиристоры V1, V3, ток i в нагрузке идет от точки А к точке В, когда включены тиристоры V2, V4, ток идет от точ­ки В к точке А. Следовательно, через нагрузку протекает переменный ток, частота которого определяется частотой подачи управляющих импульсов на тиристоры V1 — V4.

Автономные инверторы в зависимости от схемы соединения их тиристоров с источником постоянного тока под­разделяют на инверторы тока и инверторы напряжения. В инверторе тока (рис. 107, а) тиристоры подключают к источнику G через входной реактор L_bx с большой индуктивностью. При этом ток во входной цепи инвертора при переключении тиристоров остается неизменным. В инвер­торе напряжения (рис. 107, б) параллельно источнику G подключен входной конденсатор С_вх с большой емкостью. В результате этого при переключении тиристоров напряжение на входе инвертора остается неизменным.

В автономных инверторах тиристоры открываются в соответствую­щие моменты времени подачей импульсов тока на их управляющие выводы. Запираются же они с помощью различных схем искусственной коммутации. В зависимости от этого различают инверторы: параллель­ные, в которых коммутирующие конденсаторы подключены параллель­но нагрузке и разряжаются посредством включения одного из рабочих тиристоров; последовательные, в которых коммутирующие контуры LC включены последовательно с нагрузкой и тиристоры запираются в резу­льтате колебательного изменения их анодных токов; с отдельной емко­стью, где искусственная коммутация осуществляется вспомогательными тиристорами, которые подключают коммутирующие конденсаторы параллельно рабочим тиристорам.

В однофазном параллельном инверторе тока (рис. 108, а) при открытии тиристоров V1, V3 ток i₁, от источника постоянного тока G начинает проходить через первичную обмотку трансформатора Т от точ­ки а к точке х. Через определенное время T/2 открывается вторая пара тиристоров V2, V4 и ток i₁, проходит по первичной обмотке от точки х к точке а. При этом в сердечнике трансформатора создается переменный магнитный поток и во вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение, которое подается на нагрузку R . Частота переменного тока i_H проходящего по вторичной обмотке и через нагрузку, равна частоте отпирания тиристоров VI, V3 и V2, V4.

Коммутация токов в тиристорах обеспечивается коммутирующим конденсатором С_к. Когда через тиристоры V1, V3 проходит ток, конден­сатор заряжается, приобретая полярность, которая показана на схеме без скобок. В момент открытия тиристоров V2, V4 конденсатор разряжа­ется, при этом на тиристоры VI, V3 подается обратное напряжение, в результате чего они запираются. В период коммутации (угол у) ток про­ходит через обе пары тиристоров. При этом ток разряда конденсатора / вызывает быстрое спадание до нуля тока, проходящего через тиристо­ры VI, V3, и нарастание до установившегося значения тока, проходящего через тиристоры V2, V4. После закрытия тиристоров VI, V3 конденсатор перезаряжается и приобретает полярность, показанную в скобках. При этом он оказывается подготовленным для коммутации тока с тиристо­ров V2, V4 на VI, V3 в следующий полупериод. Время, в течение которо­го на тиристоры действует обратное напряжение, определяется време­нем разряда конденсатора С_к.

Оно должно быть достаточным для восста­новления запирающих свойств тиристоров.

В общем случае кривые первичных и вторичных токов в автономном инверторе несинусоидальны. Не синусоидально и напряжение на нагрузке, которое: определяется в основном изменением напряжения на конденсаторе С_к в процессе его заряда и разряда. В момент коммутации напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно, и напряже­ние u_н на нагрузке достигают максимума, а затем спадают, сохраняй прежнее направление (в течение времени, определяемого углом β благодаря разряду конденсатора С_к (рис. 108, д). После изменения полярности конденсатора эти напряжения изменяют свой знак и по мере его за ряда возрастают.

С помощью специальных мер (включение фильтров, подбор индуктивностей L_H и L_BX и емкости С_к, обеспечивающих условия резонанса, и др.) можно приблизить форму напряжения на нагрузке к синусоиде.

Если изменить частоту подачи управляющих импульсов на тиристоры V1, V3 и V2, V4, то можно менять и частоту выходного переменного напряжения. Максимальная частота, с которой может работать инвертор, ограничена временем восстановления тиристорами своих запирающих свойств. Поэтому для автономных инверторов, работающих на высоких частотах, применяют специальные тиристоры с малыми временами включения и выключения.

Автономные инверторы могут быть созданы на основе как схем с нулевым выводом, так и мостовых схем включения тиристоров.

Автономные инверторы позволяют также преобразовывать постоян­ный ток в трехфазный переменный с регулируемой частотой. В этом случае представляется возможным применить на э.п.с. простые и надежные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. На схеме трехфазного автономного инвертора напряжения (рис. 109, а) для простоты не показаны устройства для искусственной коммутации тиристоров (коммутирующие конденсаторы, вспомогательные тиристоры, реакто­ры) и элементы фильтров, которые обычно устанавливают на входе и выходе инвертора. Инвертор выполнен по мостовой схеме и состоит из шести тиристоров V1-V6 и шести обратных диодов V7-V12.

Тиристоры V1-V6 обеспечивают подачу через определенные промежутки времени импульсов напряжения на фазы А, В и С двигателя М, т. е. получение на выходе инвертора трехфазной системы напряжений. Изменяя периодичность включения и выключения тиристоров можно изменять частоту входного напряжения. Обратные диоды V7-V12 передают источнику питания электромагнитную энергию, накапливаемую в индуктивности фаз двигателя, т. е. компенсируют реактивную мощность нагрузки.

Благодаря применению обратных диодов устраняются перенапряжении на элементах инвертора и обеспечиваются независимые друг от друг включение и выключение тиристоров. Обратные диоды, осуществляющие обмен энергией между сторонами переменного и постоянного тока преобразователя, являются характерной особенностью инверторов или напряжения.

Устройства для искусственной коммутации тиристоров могут быть установлены в каждом плече моста (индивидуальная коммутация), каж­дой фазе (межфазная коммутация) или может быть установлено общее устройство для всех тиристоров (общая коммутация).

Рис. 109. Упрощенная схема трехфазного автономного инвертора напряжения (а) и кривые изменения его выходного напряжения при различных способах регули­рования (б - е)

Напряжение переменного тока U, приложенное к двигателю, может регулироваться различными способами:

изменением питающего напряжения U источника постоянного тока (если инвертор питается от управляемого выпрямителя или импульсного регулятора);

при этом напряжение U имеет прямоугольную форму (рис. 109,6);

изменением длительности t_и включенного состояния тиристоров V1-V6 путем изменения интервала между подаваемыми на них вклю­чающими и выключающими сигналами управления; при этом выходное напряжение имеет ступенчатую форму (рис. 109, в);

изменением длительности t_и высокочастотных импульсов, пропус­каемых каждым тиристором в течение полупериода Т_р/2 рабочей часто­ты (широтно-импульсная модуляция). Когда выходное напряжение максимально, импульсы имеют максимальную ширину t_и, а пауза - минимальную (рис. 109, г).

При уменьшении t выходное напряжение уменьшается, но период модуляции Т_м и продолжительность Т 12 каж­дого "пакета" этих импульсов остаются неизменными;

непрерывным изменением (модуляцией) ширины высокочастотных импульсов по синусоидальному закону. Такая модуляция может быть однополярной (рис. 109, д), когда в течение полупериода высокочастот­ные импульсы имеют одну полярность, и двухполярной, когда выходное напряжение формируется импульсами чередующейся полярности и при каждом полупериоде импульсы соответствующей полярности имеют большую или меньшую ширину (рис. 109, е). Выходное напряжение изменяется при регулировании ширины импульсов. Широтно-импульсная модуляция несколько усложняет схему инвертора, но позволяет с по­мощью фильтров легче подавить высшие гармоники в кривой выходного напряжения и приблизить форму напряжения на нагрузке к синусои­дальной.

Преобразователи частоты.

Применяемые в технике полупроводнико­вые преобразователи частоты делятся на два основных типа: преобразо­ватели с промежуточным звеном постоянного тока (инверторные преоб­разователи частоты) и преобразователи с непосредственной связью вход­ного и выходного напряжения (без звена постоянного тока). В преобра­зователе первого типа (рис. 110) переменный ток выпрямляется выпря­мителем Вn и полученный постоянный ток затем преобразуется автоном­ным инвертором АИ в переменный с постоянными или регулируемыми частотой и напряжением. В преобразователе второго типа переменный ток непосредственно преобразуется также в переменный ток постоянной или регулируемой частоты.

В преобразователях частоты с промежуточным звеном постоянного тока имеется большое число вентилей и вспомогательных элементов (реакторов, конденсаторов и др.). Преобразователи без звена постоянно­го тока имеют более простую схему, так как у них совмещены в одних и тех же вентилях выпрямительные и инверторные функции. Такие пре­образователи (рис. 111, а) применяют на некоторых тепловозах для энергоснабжения пассажирских вагонов током стабильного напряжения и частоты. Преобразователь выполнен в виде встречно включенных выпрямителей Bnl и Вn2, состоящих из тиристоров, собранных по трех­фазной мостовой схеме. На вход выпрямителей Bnl и Вn2 подается трех­фазное напряжение от генератора переменного тока повышенной часто­ты (100-200 Гц). Генератор приводится во вращение дизелем тепловоза.

Управляющие импульсы подаются на тиристоры выпрямителей так, что обеспечивается попеременное включение то одного, то другого выпрямителя; в результате на нагрузке Z_н возникает переменное напря­жение. Частота этого напряжения (период Т) определяется частотой включения выпрямителей Bnl и Вn2. В положительный полупериод выходного напряжения работает выпрямитель Bnl, а выпрямитель Вn2 закрыт, в отрицательный полупериод работает выпрямитель Вn2, a Bnl закрыт. Выходное напряжение представляет собой огибающую выпрям­ленных напряжений (рис. 111, б), получаемых от обоих выпрямителей. Выпрямители Bnl и Вп2 сблокированы так, чтобы исключалась возмож­ность одновременного открытия их тиристоров.

Дополнительными фильтрами можно подавить высшие гармоники в кривой выходного напряжения преобразователя и приблизить его форму к синусоидальной. Переменное напряжение можно регулировать, изме­няя время пауз или путем задержки момента открытия очередных тирис­торов, входящих в каждый выпрямитель. Преобразователи частоты трех­фазного тока работают по тому же принципу. Каждая фаза такого преоб­разователя, к которой подключена нагрузка, соединяется с трехфазной питающей сетью двумя встречно-включенными вентильными группами. Эти группы пропускают ток через нагрузку в обоих направлениях и поз­воляют обеспечить двусторонний обмен энергией между входной и вы­ходной цепями преобразователя.