Общие сведения о преобразователях постоянного напряжения в переменное

Для нормального функционирования устройств промышленной электроники при их питании от первичных источников, вырабатывающих энергию постоянного тока только одного напряжения, требуются преобразователи постоянного напряжения. С их помощью получают либо требуемое переменное напряжение, либо постоянное напряжение заданного значения, либо несколько постоянных напряжений разных значений.

Преобразователи, у которых на выходе имеется переменное напряжение, называют инверторами. Преобразователи, имеющие на выходе постоянное напряжение одного или нескольких значений, называют конверторами.

Прогресс в области разработок и применения МГД-генераторов и нетрадиционных, источников электроэнергии – топливных элементов, термоэлектрических и солнечных батарей – вызвал потребность в преобразователях постоянного напряжения.

Основными элементами инверторов и конверторов являются коммутирующие приборы (устройства), которые периодически прерывают ток или изменяют его направление. В качестве коммутирующих приборов в настоящее время применяют «бесконтактные ключи» – транзисторы и тиристоры, работающие в режиме «открыт – закрыт», благодаря чему к. п. д. инверторов и конверторов очень высок и может достигать 99 %. К этому следует добавить, что полупроводниковые ключи и преобразователи на них имеют малые габариты, массу и стоимость, большой срок службы.

Инверторы

Инверторы классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются:

1) тип коммутирующих приборов – тиристорные и транзисторные инверторы;

2) принцип коммутации – ведомые сетью и автономные инверторы;

3) род преобразуемой величины – инверторы тока и инверторы напряжения.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

На рис. 9.12, a изображена схема такого инвертора, представляющая собой однофазный двухполупериодный инвертор с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Между средней точкой О и узлом С включен источник постоянной э. д. с. Е. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол управления α < 90° (рис. 9.12, б). При α = 90° среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю.

~U₁

Рис.9.12. Схема однофазного двухполупериодного ведомого интервала, работающего выпрямителем (а), временные диаграммы напряжений при фиксированных углах управления α (б)

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы токи вторичных обмотоки напряжение U₁находились в противофазе (см. рис. 9.12, а ). Подобный сдвиг фаз возможен в том случае, если тиристоры V1,V2 поочередно будут открываться при отрицательной полярности напряжений и_2aи u_2b(см. рис. 9.12, а). При этом происходит поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е.

Однако здесь надо учитывать следующие обстоятельства: если очередной тиристор отпирать точно при угле управления α=180°, то при этом другой тиристор не успеет закрыться, так как для этого ему нужно время, равное t_выкл. Тогда запирающийся тиристор за это время создаст короткое замыкание по цепи, вторичная обмотка трансформатора — источник Е. Указанное явление называют, срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы устранить этот нежелательный процесс, необходимо сделать угол управления αменьше 180° на угол β, называемый углом опережения отпирания (см. рис. 9.12, б). Запирание и отпирание тиристоров происходит под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Поэтому такой инвертор называют инвертором, ведомым сетью.

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоянного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие электроэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекуперацией.

Для перевода устройства из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо, чтобы генератор Е включался с полярностью, обратной полярности при выпрямлении, и при этом обеспечивалось появление токов через открытые тиристоры при отрицательной полярности напряжений u2а, u2в.

Следует отметить еще один способ перехода от выпрямления к инвертированию и наоборот, который широко применяется для управления скоростью и направлением вращения двигателей. Этот способ, являющийся наиболее экономичным, используется в реверсивных преобразователях (рис. 9.13). При этом способе тиристоры подключены к двум вторичным трехфазным обмоткам силового трансформатора, соединенных зигзагом. Выходы преобразователей П1 и П2 соединяют с зажимами машины М встречно, т. е. аноды тиристоров П1 подключают к минусовому зажиму машины, ааноды тиристоров П2 – к плюсовому зажиму. При указанном соединении преобразователь П1 работает ввыпрямительном режиме, а преобразователь П2 — в инверторном режиме, который и обеспечивает генераторное торможение двигателя, а следовательно, изменение частоты вращения.

Рис. 9.13. Схема преобразователя для реверсивного электропривода постоянного тока

Для изменения направления вращения, двигателя (реверс) изменяют функции преобразователей, т. е. преобразователь П1 будет работать как инвертор, а преобразователь П2 – как выпрямитель.

Для обеспечения безаварийной работы нельзя допускать, чтобы постоянное напряжение генератора Е увеличивалось, а переменное напряжение сети уменьшалось.

На рис. 9.14 представлено семейство внешних характеристик инвертора, ведомого сетью: U_н = f(I_н) при фиксированных значениях угла β. Эти характеристики имеют нарастающий ход, т. е. с ростом тока увеличивается напряжение на инверторе. Отметим, что инвертор при значительных углах β может работать при больших нагрузочных токах.

Предел

коммутации























U

нβ

Iн

Рис. 9.14. Семейство внешних характеристик инвертора, ведомого сетью, при фиксированных значениях угла опережения β

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо иметь переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии – топливные элементы, МГД-генераторы, термо и фотоэлектрические генераторы, контактная сеть электрического транспорта, аккумуляторы и т. д.

Автономный резонансный инвертор (АИР) применяют для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (10^3-5 Гц). АИР используют в электротермических установках для плавки и нагрева металлических и других изделий. Процессы, происходящие в АИР, характеризуются колебательными процессами в резонансном контуре. Такой контур получается при параллельном или последовательном подключении конденсатора к активно-индуктивной нагрузке. На практике чаще применяют последовательное или последовательно-параллельное включение конденсаторов.

АИР выполняют по однофазной мостовой схеме с использованием транзисторов, радиоламп и тиристоров рис. 9.15. Тиристоры включены по мостовой схеме. Управляющие импульсы открывают поочередно пары тиристоров V1, V4и V2, V3. Форма кривой нагрузочного тока i_a определяется колебательным процессом в контуре. При этом чем выше добротность LC-контура, тем ближе к синусоидальной будет форма нагрузочного тока.

СУ

-

+

Е

V

V

-

+

(+

)

(

-

)

С

L

н

R

н

L

V

V

U

у1

U

у2

Рис. 9.15. Схема автоматического резонансного инвертора с последовательным включением конденсатора

С приходом первого управляющего импульса, когда открыта пара тиристоров V1и V4, ток от плюсового зажима источника питания Е через нагрузку и конденсатор Снаправлен к минусовому зажиму источника, заряжая при этом конденсатор С (знаки заряда на обкладках конденсатора указаны без скобок). При появлении второго управляющего импульса, который открывает тиристоры V2, V3, конденсатор Сразряжается через нагрузку и открытые тиристоры V2иV3. В это же время напряжение на конденсаторе С через открытые тиристоры V2,V3подключается к тиристорам V1,V4обеспечивая их запирание. После запирания тиристоров V2иV4начинается перезарядка конденсатора, по окончании которой знаки заряда на обкладках конденсатора указаны в скобках; далее процессы повторяются.

В рассматриваемом инверторе частота управляющих сигналов U_у должна быть меньше собственной частоты последовательного контура ω₀. Это необходимо для того, чтобы перезарядка конденсатора заканчивалась до отпирания очередной пары тиристоров в инверторе. При этом в нагрузочном токе создаются паузы, в течение которых очередная пара тиристоров должна успеть закрыться.