• На стороне переменного тока;

• На стороне постоянного тока;

• Непосредственным управлением ключевыми элементами схемы.

Неуправляемые выпрямители выполняются на диодах и не содержат каких-либо регулирующих устройств. Первые два способа реализуются введением в схемы регуляторов переменного или постоянного тока. Это позволяет регулировать напряжение в схеме на диодах.

Наибольшее распространение получил третий способ. Задержка момента подачи импульса приводит к соответствующей задержке включения тиристора и уменьшению среднего значения выходного напряжения. Современные системы управления выполняются, как правило, на основе микропроцессоров, программа которых определяет алгоритм формирования импульсов управления.

Следует отметить, что в выпрямителях большой мощности с глубоким регулированием выходного напряжения предпочитают использовать первый способ регулирования, так как он практически не влияет на коэффициент мощности и гармонический состав токов и напряжений. В отдельных случаях оказывается целесообразным комбинированное регулирование, сочетающее первый и третий способы.

Мощные выпрямители выполняются на основе комбинированных трехфазных схем, соединяемых последовательно при высоких напряжениях или параллельно для получения больших токов (рис. 12.14).

В настоящее время широко применяются многоуровневые схемы, которые по своей топологии близки к комбинированным.

Инверторы. Инвертирование — преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «inversio» — переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в силовой электронике был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При этом поток энергии меняет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь инвертором, ведомым сетью. Последнее обусловлено тем, что коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его также иногда называют зависимым инвертором.

Принцип действия инвертора, ведомого сетью, рассмотрим на примере простейшей схемы, представленной на рис. 12.15. Допустим, что элементы схемы идеальные (см. § 12.2), а внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи АБ равно нулю.

Если вывод «плюс» батареи АБ соединен с катодом тиристора VS (как показано на рис. 12.15 штриховой линией), то схема может работать в выпрямительном режиме на нагрузку в виде противоЭДС. В этом режиме включение тиристора VS возможно при условии превышения ЭДС сети e_ab ЭДС, задаваемой аккумуляторной батареей. На рис. 12.15, б представлены диаграммы напряжений и тока, иллюстрирующие работу схемы в выпрямительном режиме. При допущении равенства нулю внутренних сопротивлений источников переменного и постоянного токов можно считать, что их напряжения равны ЭДС, т.е. e_ab = u_ab и E_d = U_d.

При подаче на тиристор управляющего импульса в момент ∂ = ∂₁ определяемый углом управления α, тиристор включается и из сети в батарею АБ начинает поступать ток i_d. Благодаря сглаживающему реактору L_d, ток i_d будет плавно изменяться во времени, увеличиваясь, пока u_ab > U_d, и уменьшаясь при U_d > u_ab. В момент ∂₃ (соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 12.15, б) ток i_d становится равным нулю, а тиристор VS выключается. Протекание через тиристор тока i_d на интервале от ∂₂ до ∂₃, когда U_d > u_ab, обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе L_d. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток i_d направлен встречно ЭДС).

Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить тиристор VS или батарею АБ так, чтобы катод тиристора был соединен с выводом «минус» батареи. Рассмотрим инверторный режим более подробно.

Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети e_ab направлена навстречу току i_d. На рис. 12.15, в представлены диаграммы напряжений и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент ∂₁ на тиристор VS подать управляющий импульс, то тиристор включится, поскольку вплоть до момента ∂₂ напряжение u_ab по абсолютному значению меньше напряжения U_d. Под воздействием разности напряжений U_d - u_ab в цепи начнет протекать ток i_d, противоположный по знаку напряжению сети u_ab. Наличие в схеме сглаживающего реактора L_d ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать через тиристор после того, как напряжение u_ab по абсолютному значению будет больше напряжения U_d и станет равным нулю в момент ∂₃, соответствующий равенству заштрихованных областей на рис. 12.15, в.

Схемы зависимых инверторов по существу не отличаются от схем управляемых выпрямителей. Поэтому они могут рассматриваться как схемы реверсивных преобразователей, способных передавать электрическую энергию из сети в источник постоянного тока (выпрямительный режим) и наоборот (инверторный режим). Для этого необходимо изменить полярность источника постоянного тока по отношению к тиристорам и изменить алгоритм формирования импульсов управления.

Основные характеристики инверторов, ведомых сетью. При анализе нормальных режимов работы инвертора важно знать следующие основные его характеристики: входную и ограничительную.

Входная характеристика представляет собой зависимость входного напряжения инвертора U_d от среднего значения входного тока I_d.

Входное напряжение инвертора при допущении равенства нулю падения напряжения в тиристорах и активных сопротивлениях схемы можно представить в виде суммы двух составляющих. Первая составляющая входного напряжения — это напряжение холостого хода U_d0, равное входному напряжению при мгновенной коммутации вентилей, т.е. при угле коммутации γ = 0. Второй составляющей является среднее значение падения напряжения ΔU на интервалах коммутации. В отличие от выпрямителей, у которых падение напряжения вычитается из напряжения холостого хода, в ведомых инверторах эти составляющие суммируются. На рис. 12.16 представлены входные характеристики однофазного инвертора при различных углах β, (β = π - α), из которых видно, что они в отличие от внешних характеристик выпрямителя, представленных на рис. 6.16 в правой полуплоскости, имеют возрастающий характер (напряжение увеличивается с ростом тока). При этом внешние характеристики выпрямителя являются продолжением входных характеристик инвертора при условии равенства углов α и β.

При увеличении входного напряжения U_d растет ток I_d, и поэтому увеличивается угол коммутации γ, т.е. при неизменном значении угла опережения β уменьшается угол δ выключения тиристоров, определяющий восстановление их запирающей способности. Минимально допустимое значение угла δ_min определяется частотой сетевого напряжения и типом тиристоров.

Напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при I_d = 0 (т.е. на холостом ходу) одинаковы для выпрямительного и инверторного режимов и зависят от угла β или α. Эту зависимость обычно называют регулировочной характеристикой. Рассматриваемые преобразователи обладают свойством обратимости, т.е. путем изменения углов управления и переключения полярности источника постоянного тока можно переходить от выпрямительного режима к инверторному и наоборот. В выпрямительном режиме энергия поступает от сети переменного тока в источник (для данного случая — приемник) постоянного тока. Ограничительная характеристика определяется минимально допустимыми значениями угла восстановления запирающей способности тиристоров δ_min в инверторном режиме.

В электроэнергетике средних и больших мощностей применяются в основном трехфазные комбинированные инверторы, аналогичные по схемотехнике мощным выпрямителям. Основной целью повышения числа фаз выпрямителей и инверторов является улучшение гармонического состава потребляемого переменного тока и снижение уровня пульсаций выходного напряжения. Внедрение мощных полностью управляемых силовых приборов облегчило решение этой задачи посредством использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, перспективными считаются многоуровневые модульные схемы преобразователей, которые в сочетании с ШИМ открыли новые возможности улучшения технико-экономических показателей мощных преобразователей высокого напряжения.

Автономный инвертор (самокоммутируемый, независимый) — инвертор, в котором коммутация вентилей осуществляется либо выключением и включением полностью управляемых приборов (транзисторов и запираемых тиристоров), либо с помощью устройств принудительной коммутации, входящих в состав схемы преобразователя и создающих коммутирующее напряжение, обеспечивающее выключение не полностью управляемых приборов (тиристоров). В автономных инверторах выходные параметры (форма, частота напряжения) определяются схемой инвертора и его системой управления в отличие от зависимых инверторов, выходные параметры которых соответствуют параметрам сети.

В настоящее время не существует единой общепринятой системы классификации схем автономных инверторов. Наиболее часто их классифицируют по следующим признакам:

• характеру электромагнитных процессов, протекающих в схеме;

• способу коммутации тиристоров или схеме включения коммутирующих элементов;

• схеме преобразования (конфигурации соединений элементов силовой части).

В стандарте МЭК на термины силовой электроники для автономных инверторов приводятся следующие определения:

• инвертор напряжения — инвертор, питаемый от цепи постоянного тока с преобладающими свойствами (характеристиками) источника напряжения;

• инвертор тока — инвертор, питаемый от цепи постоянного тока с преобладающими свойствами источника тока.

Автономные инверторы используются преимущественно в автономной энергетике малой и средней мощности.

Преобразователь частоты предназначены для преобразования тока одной частоты в ток другой частоты с возможным изменением значения напряжения и числа фаз.

Преобразователи частоты классифицируются по мощности, напряжению, числу фаз входного и выходного напряжений, схеме преобразования и т.п. Преобразователи частоты выполняются с фиксированным соотношением частот входного и выходного напряжений и с переменным их соотношением или с регулируемой частотой. Преобразователи с регулируемой частотой нашли широкое применение в области электропривода для регулирования скорости асинхронных двигателей.

При классификации преобразователей частоты выделяют два основных типа: