9 Напишите ключевые слова к теме лекции 23.

После изучения лекции 24 студент должен знать : принцип работы тиристорных инверторов и преобразователей и их характеристики.

Уметь: пояснить работу тиристорных инверторов и преобразователей, а также уметь произвести выбор элементов тиристорных схем инверторов .

План ( логика ) изложения материала

2.8.4 Двухтактные инверторы на тиристорах

Дополнительный материал к лекции 24 для самостоятельной работы

2.8.4 Двухтактные инверторы на тиристорах

В отличие от транзисторов тиристоры обладают рядом преимуществ, а именно коммутируют значительно большие токи и выдерживают значительно большие прямые и обратные напряжения. В связи с этим тиристорные инверторы целесообразно применять для преобразования больших мощностей.

Тиристорные инверторы в зависимости от того, каким образом осуществляется коммутация тиристоров, делятся на две группы - ведомые сетью и автономные.

Ведомые сетью инверторы выполняют функцию преобразования энергии источника постоянного тока ( напряжения), входящего в состав инвертора, в энергию сети переменного тока. Схемы ведомых (зависимых) тиристорных инверторов не отличаются от схем управляемых выпрямителей на тиристорах, различие заключается лишь в направлении преобразования энергии.

Автономные инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока (напряжения) в энергию переменного тока, потребитель которой не связан с питающей сетью переменного тока.

Тиристорные инверторы применяются при значительных более высоких мощностях преобразования, чем транзисторные ( единицы – сотни киловольт-ампер).

Автономные инверторы в зависимости от характера протекания электромагнитных процессов делятся на инверторы тока, напряжения и

150

резонансные. Существует значительное число схемных модификаций автономных инверторов. Рассмотри некоторые из них, получивших широкое применение в ИВЭП. При этом будем считать, что тиристоры идеальные, а потери в элементах схем отсутствуют.

а- В инверторе тока (рисунок 2.78,а) источник питания работает в режиме генератора тока, который формируется путем включения дросселя большой индуктивности в цепь питания. Характер нагрузки инвертора - емкостной.

Схема инвертора тока состоит из трансформатора TV с нулевым выводом ( средний вывод трансформатора), тиристоров переключающих VS₁ и VS₂, для уменьшения влияния нагрузки и ее характера на выходное напряжение и на его форму применяют обратные диоды VD₁ и VD₂, коммутирующий конденсатор С_к , который включается параллельно первичной обмотке трансформатора и он заряжается двойным напряжением от источника питания U_о. Дроссель L_др. включен последовательно с источником питания , и предназначен для защиты источника питания от помех возникающих в инверторе. СУ – схема управления, которая предназначена для выработки прямоугольных импульсов и которые поступают на управляющие электроды тиристоров VS₁ и VS₂.

а- схема инвертора тока ;

б- форма сигнала на конденсаторе и на нагрузке

Рисунок 2.78 - Принципиальная схема тиристорного инвертора тока

Принцип работы схемы заключается в следующем. В первый полупериод под действием управляющего импульса открывается тиристор VS₁. При этом в обмотках трансформатора под действием возрастающего тока i₁ наводится ЕДС. Под действием этой ЭДС конденсатор С_к перезаряжается до напряжения, равного

151

приблизительно 2U_о (полярность показана без скобок ). В начале второго полупериода на управляющий электрод второго тиристора подается сигнал и тиристор VS₂ открывается. Конденсатор С_к через открытый тиристор VS₂ подключается параллельно тиристору VS₁ и он закрывается под воздействием обратного напряжения. В течение второго полупериода конденсатор С_к перезаряжается, знаки потенциалов на обкладках конденсатора меняются на обратные ( показаны в скобках). В начале третьего полупериода вновь включается тиристор VS₁. Конденсатор оказывается подключенным через тиристор VS₁ параллельно VS₂. Под действием обратного напряжения тиристор VS₂ запирается. В дальнейшем процесс повторяется. Диоды VD₁ и VD₂ необходимы для возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной нагрузке и в реактивных коммутирующих элементах в источник питания инвертора. Введение диодов делает работу этой схемы более надежной при холостом ходе и при большом изменении реактивных нагрузок.

Токи нагрузки протекают в следующем направлении, когда открыт тиристор VS₁ протекает ток i₁ в следующем направлении : от +U_о , через обмотки w_{о ..1..3} трансформатора TV , через открытый тиристор VS₁ , дроссель L_др и -U_о. На нагрузке возникает положительная полуволна. Когда открыт тиристор VS₂ протекает ток i₂ в следующем направлении : от +U_о, через обмотки w_0..2..4 трансформатора ТV, через открытый тиристор VS₂, дроссель L_др и –U_о. На нагрузке возникает отрицательная полуволна и т.д.

Величины элементов L_др и С_к определяют необходимый режим переключения, значение их можно определить по формулам :

С_к=( t_в·I_ком) / 1,7 U_о ; ( 2.71)

L_др=( t_в·I_ком)/ 0,425 . (2.72)

где t_в - номинальное время восстановления тиристоров ;

I_ком- наибольшее значение тока нагрузки в момент коммутации ;

U_о - напряжение источника питания.

В автономных инверторах напряжения ( рисунок 2.79,а) источник энергии работает в режиме генератора напряжения, форма выходного напряжения U_вых близка к прямоугольной (рисунок 2.79,б), а форма нагрузочного тока i_н(t) (рисунок 2.79,б) определяется реакцией потребителя ( обычно она активная или активно-индуктивная).

Пусть в первоначальный момент времени подаются импульсы на тиристоры VS₁ и VS₄, которые открываются и протекает по активно-индуктивной нагрузке экспоненциально нарастающий ток по цепи +U_о – VS₁ – R_н,L_н – VS₄ - -U_о, к нагрузке приложено напряжение источника U_о. На катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая постепенно возрастает по величине и как только Е_L=U_а тиристоры VS₁ иVS₄ закроются, так как Е_L является обратным напряжением для тиристоров VS1 и VS2. Токи тиристоров VS₁ и VS₄ скачком снижаются до нуля, а нагрузочный ток, уменьшаясь, продолжает в силу реактивного ( индуктивного ) характера нагрузки протекать

152

в прежнем направлении ( для чего параллельно тиристорам установлены в обратном направлении диоды) по цепи +U_L - VD₃ – Uо – VD2- R_н - -U_L и за малое время, ЕДС самоиндукции наколенная в индуктивности L_н, разрядится. Как только она разрядится, станет равное нулю, поступают импульсы на управляющие электроды тиристоров VS₂ и VS₃ и они открываются. Ток нагрузки будет теперь протекать по цепи +U_о – VS₃ –L_н – R_н - VS2- -U_о. до тех пор, пока Е_L = U_а. и тогда тиристоры VS₂ и VS₃ закроются. Токи тиристоров VS₂ и VS₃ скачком снижаются до нуля, а нагрузочный ток продолжает протекать в силу реактивного характера нагрузки по цепи +U_L- R_н – VD₁ – U_о- VD₄- -U_L. до тех пор, пока Е_L=0. Дальше цикл продолжается. Через нагрузку R_н токи протекают в разных направлениях, поэтому на нагрузке возникает переменное напряжение прямоугольной формы.

а- принципиальная схема мостового инвертора напряжения ;

б- форма напряжения и тока на нагрузке

Рисунок 2.79 - Принципиальная электрическая схема мостового инвертора

напряжения

Резонансные инверторы имеют в своем составе колебательный LC- контур. Источник энергии может работать как в режиме генератора тока, так и в режиме генератора напряжения. Колебательный контур образуется индуктивностью нагрузки и емкостью конденсатора, включенного параллельно, последовательно или параллельно - последовательно с нагрузкой. Простейшая схема последовательного резонансного инвертора изображена на рисунке 2.80. Нагрузка инвертора (первичная обмотка трансформатора) включена между средней точкой дросселя и емкостным делителем, образованный коммутирующими конденсаторами С₁ , С₂. Тиристоры переключаются импульсами, поступающими на их управляющие электроды с выхода схему управления СУ. Инвертор работает на собственной резонансной частоте, нагрузка инвертора чисто активная. При включении тиристора VS₁ к

153

первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение, полярность которого показана на рисунке 2.80,а ( без скобок). Через нагрузку протекает ток (рисунок 2.80,б), длительностью полупериода которого зависит от резонансной частоты, определяемой индуктивностью и емкостью элементов схемы. В момент времени t₁, когда ток в нагрузке меняет свое направление, включается тиристор

а - схема ;

б – диаграмма напряжений и токов

Рисунок 2.80- Последовательный резонансный тиристорный инвертор

VS₂ и напряжение на нагрузке меняет свой знак (полярность показана на схеме рисунок 2.80,а в скобках), одновременно в нижней обмотке дросселя наводится ЭДС такой полярности, при которой катод тиристора VS₁ становится отрицательным по отношению к аноду. Это исключает одновременное отпирание тиристоров VS₁, VS₂.

На рисунке 2.80,б приведены кривые напряжений и токов в схему последовательного инвертора, работающего на резонансной частоте.

Дополнительный материал к лекции 24 для самостоятельной работы

Регулирование выходного напряжения инверторов. Выходные напряжения инверторов можно регулировать, изменяя напряжение электропитания (амплитудный способ), фазу управляющих импульсов (фазовый способ) и изменяя ширину импульсов (широтно-импульсный способ).

При амплитудном способе регулирования (рисунок 2.81,а) напряжение питания инвертора можно изменить, питая инвертор от регулируемого выпрямителя, от импульсного регулятора напряжения либо используя вольтдобавочные устройства. При использовании регулируемого выпрямителя источником питания является сеть переменного тока. При использовании второго и третьего способов источников питания может быть как сеть

154

переменного тока, так и аккумуляторные батареи. При питании от сети переменного тока при этих способов регулирования напряжение сети выпрямляется выпрямителем и фильтруется фильтром.

Если в качестве регулятора напряжения использовать ключевой регулятор на тиристорах, то этот способ имеет ряд недостатков, а именно регулятор должен рассчитывать на полную мощность и фильтр регулятора имеет большие габариты и большую массу.

Вольтдобавочное устройство представляет собой инвертор, выполненный по одной из ранее приведенных схем. Вольтдобавочный инвертор включается последовательно с источником питания, и напряжение на входе основного инвертора равно сумме напряжений . Регулировка выходного напряжения основного инвертора осуществляется изменением напряжения вольдобавочного инвертора. Это достигается с помощью управляемого выпрямителя или ключевого регулятора, включенного на выходе вольтдобавочного инвертора. В этой схеме мощность вольтдобавочного инвертора незначительна и тем меньше, чем меньше диапазон регулирования выходного напряжения. Амплитудный метод регулирования применяется как для инверторов тока, так и для инверторов напряжения.

а - амплитудный способ;

б - фазовый способ;

в - широтно-импульсный способ

Рисунок 2.81 - Способы регулирования напряжения в тиристорных

преобразователях

Фазовый способ регулирования напряжения можно осуществить при помощи схемы (рисунок 2.81,б). В схеме последовательно включены вторичные обмотки двух инверторов - основного и дополнительного. При изменении фазы управляющих импульсов напряжение на зажимах вторичной обмотки дополнительного инвертора U_2доп изменяет свою фазу относительно напряжения вторичной обмотки U_2осн основного инвертора. Выходное напряжение U₂ равно геометрической сумме напряжений U_2осн. и U_2доп. и при изменении фазы напряжение U₂ изменяется.

Фазовый способ регулирования применяется для инверторов тока.

На рисунке 2.81 ,в приведена структурная схема широтно-импульсного способа регулирования напряжения. При широтно-импульсном регулировании

155

генератор прямоугольных импульсов ( ГПИ ) подает импульсы на линию задержки ( ЛЗ ), которая обеспечивает сдвиг управляющих импульсов на время t_зад.. Изменяя t_зад, можно, при постоянном периоде коммутации Т, изменять длительность протекания тока через транзисторы и нагрузку, а следовательно, среднеквадратическое значение и первую гармонику выходного напряжения инвертора.

Широтно-импульсный способ регулирования приемлем только для инверторов напряжения.

Вопросы для самопроверки

1. На какие группы делятся тиристорные инверторы ?

2. В чем отличие ведомых инверторов от автономных ?

3. На какие мощности применяют тиристорный инверторы ?

4. В чем отличие инвертора тока от инвертора напряжения ?

5. Нарисуйте схему инвертора тока и поясните принцип его работы.

6. Нарисуйте схему инвертора напряжения и поясните принцип его работы.

7. Нарисуйте схему резонансного инвертора и поясните принцип его работы.

8. Назовите способы регулирования выходного напряжения в тиристорных инверторах.

9. Нарисуйте схему амплитудного способа регулирования выходного напряжения в тиристорных инверторах.

10. Нарисуйте схему фазового способа регулирования выходного напряжения в тиристорных инверторах.

11. Нарисуйте схему широтно-импульсного способа регулирования выходного напряжения в тиристорных инверторах.

Примеры задач до темы лекции 24

Задача 1

Рассчитайте пассивные элементы L и С в тиристорном инверторе

( рисунок 2.78 ), если номинальное время восстановления тиристоров

t_в = 1 мС, напряжение источника электропитания U= 12 В, величина тока нагрузки I_н= 0,1 А.

Решение : 1 Величина ёмкости в тиристорном инверторе равна

С = t_в ·I_н / 1,7 ·U ,

С = 1 ·10^-3 ·0,1/ 1,7 ·12 = 5 мкФ.

Выбираем ёмкость по стандарту К50-35 – 5мкФ – 25 В ± 10%

156

2 Величина индуктивности в тиристорном инверторе равна

L = t_в ·U /0,425 ,

L = 1 ·10^-3 ·12 / 0,425 = 0,028 Гн.

Задача 2

Рассчитайте время заряда конденсатора С_к в тиристорном инверторе ( рисунок 2.78 ) если, ёмкость конденсатора С_к = 5 мкФ, коэффициент трансформации

n= 10, сопротивление нагрузки Rн = 10 Ом.

Решение : Время заряда конденсатора равно

τ_зар.= С_к ·R_н ·n² ,

τ_зар.= 5 10^-6 10 10² = 5 мС.

Задача 3

Рассчитайте частоту f_р резонансного инвертора ( рисунок 2.80 ), если ёмкость колебательного контура С_к = 1 мкФ, индуктивность L_к = 0,05 Гн.

Решение : Собственная частота контура

2πf_р = 1 / √ С_к ·L_к ,

f _р = 1/2π√ С_к ·L_к ,

f _р = 1/ ( 2 ·3,14· √ 1· 10^-6 ·0,05) = 700 Гц

Задачи для самостоятельной работы

1 Рассчитайте время заряда конденсатора С_к в тиристорном инверторе

(рисунок 2.78) если, ёмкость конденсатора С_к = 10 мкФ, коэффициент трансформации n= 5, сопротивление нагрузки Rн = 5 Ом.

2 Рассчитайте пассивные элементы L и С в тиристорном инверторе

( рисунок 2.78 ), если номинальное время восстановления тиристоров

t_в = 10 мС, напряжение источника электропитания U= 24 В, величина тока нагрузки I_н= 0,01 А.

3 Рассчитайте частоту f_р резонансного инвертора ( рисунок 2.80 ), если ёмкость колебательного контура С_к = 10 мкФ, индуктивность L_к = 0,5 Гн.

Литература

1. Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа, 1986. с.228…230.

157

2 Артомонов Б.И.,Бокуняев А.А. Источники электропитания

радиоустройств.-М.: Энергоиздат, 1982. с.249…261.

3 Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та

микросхемотехніка: теорія і практикум.-К.: Каравела,2003. с.252…265.

4 Алексеев О.В. и др. Электротехнические устройства : Учебн. для вузов /

О.В. Алексеев, В.Е. Китаев, А.Я. Шихин; Под общ. ред. А.Я. Шихина.- М.:

Энергоиздат,1981.- 336 с.223…241.

158

Лекция 25

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте принципиальную схему тиристорного инвертора тока.

2 Нарисуйте принципиальную электрическую схему мостового инвертора

напряжения.

3 Нарисуйте принципиальную схему последовательного резонансного

тиристорного инвертора.

4 Нарисуйте схемы регулирования напряжения в тиристорных

преобразователях.