5.1.3. Однофазный параллельный инвертор тока с выводом

средней точки и обратными диодами

Для снижения зависимости напряжения инвертора от величины нагрузки и возможности работы инвертора на холостом ходу в исходную (базовую) схему однофазного параллельного инвертора тока включают обратные диоды VD1, VD2. Полученная схема однофазного параллельного инвертора с обратными диодами, приведенная на рис. 5.4. Для этой схемы не обязательно поддержание постоянства тока I_d, поэтому ряд авторов считают ее инвертором напряжения.

Основным недостатком базовой схемы является рост напряжения на конденсаторе С_К и нагрузке при увеличении сопротивления нагрузки и, соответственно, нестабильность выходного напряжения инвертора. Обратные диоды VD1,VD2 ограничивают заряд емкости, подключая ее, при возрастании напряжения, к источнику питания минуя индуктивность L_d. Для эффективной рекуперации избытка энергии, накопленной в индуктивности L_d, обмотки трансформатора имеют дополнительные секции (отводы) w₁’,w₂’ с коэффициентом трансформации n_О = w_i’/w_i, где i=1, 2. Коэффициент трансформации отводов выбирается порядка 0,1,...,0,2.

Рис. 5.4. Однофазный параллельный инвертор с обратными диодами:

а) принципиальная схема;

б) схема замещения для интервала переключения;

в) схема замещения для периода рекуперации.

Для упрощения анализа схемы примем следующие допущения:

• Трансформатор считаем идеальным без потерь в обмотках и магнитопроводе.

• Диоды и тиристоры идеальны, то есть не пропускают ток в закрытом состоянии и имеет нулевое падение напряжения в открытом состоянии.

• Выполняются соотношения для витков обмоток трансформатора

. (5.6)

• Реактор в цепи постоянного тока идеален и обладает только индуктивным сопротивлением L_d.

Временные диаграммы напряжений и токов однофазного параллельного инвертора с обратными диодами приведены на рис. 5.5.

Рассмотрим установившиеся процессы в инверторе, когда переходные процессы, вызванные скачкообразным изменением напряжения питания при включении, закончились. До момента включения тиристора VS1 был открыт тиристор VS2, и на нагрузке присутствовало напряжение с полярностью, показанной на рис. 5.4, а без скобок.

В момент времени t₀ открывается тиристор VS1, к тиристору VS2 через трансформатор приложено отрицательное напряжение коммутирующей емкости С_К.

После запирания тиристора VS2 инвертору соответствует схема замещения, приведенная на рис. 5.4, б. Возникает колебательный процесс, обусловленный наличием емкости C_К, индуктивности L_d, активного сопротивления R_H, источника питания E_d, начальным (на момент t₀) зарядом емкости С_К и начальным током в индуктивности L_d. Ток в индуктивности L_d возрастает, так как напряжение на нагрузке меньше напряжения питания и эта разница приложена к индуктивности. Колебательный процесс длится до момента времени t₁, при котором напряжение на нагрузке и коммутирующей емкости достигает величины

. (5.7)

Рис.5.5. Диаграммы токов и напряжений автономного инвертора с обратными диодами

В интервале времени от t₁ до t₂ открыт диод VD1, так как напряжение на его аноде пытается стать больше, чем на катоде. Этому интервалу соответствует схема замещения рис. 5.4, в. Открытый диод VD1 подключает источник питания E_d к обмотке w₁, это обеспечивает неизменное напряжение (1 + n_o)E_d на нагрузке и коммутирующей емкости в течение всего интервала. С другой стороны диод VD1 подключает индуктивность, в которой накоплена избыточная энергия и ток значительно больше тока нагрузки, к обмотке w₁’. Ток диода перераспределяется между обмотками w₁ и w₁’ таким образом, чтобы суммарная намагничивающая сила этих обмоток равнялась нулю (суммарная намагничивающая сила всех обмоток идеального трансформатора должна быть нулевой). Соответственно ток диода i_VD1 перераспределится в обмотках так, как это показано на рис. 5.4, в.

Для тока в индуктивности L_d, подключенной к е.д.с. обмотки w₁’, справедливо уравнение

. (5.8)

Согласно уравнению (5.8) ток в индуктивности L_d линейно уменьшается, а избыточная энергия индуктивности возвращается через трансформатор в источник питания E_d, и ток источника питания остается меньше тока нагрузки. Из уравнению токов для точки В (смотри рис. 5.4, в) следует, что

. (5.9)

Для точки А справедливо следующее уравнение для токов

,

а ток диода VD1 соответственно равен

. (5.10)

В момент времени t₂ ток в индуктивности становится равным току нагрузки и диод VD1 закрывается. Схема замещения соответствует рис.5.4, б, полярность напряжения на коммутирующей емкости С_К показана в скобках. Напряжение на емкости С_К в момент t₂ определяется выражением (5.7) и больше напряжения источника питания. Возникает колебательный переходный процесс, который заканчивается примерно в момент времени t₃. После завершения этого переходного процесса напряжение на нагрузке и коммутирующей емкости становиться равным напряжению источника питания , а ток индуктивности становится равным току нагрузки .

В момент времени t₄ открывается тиристор VS2 и протекает процесс аналогичный описанному выше, но с противоположной полярностью напряжения на нагрузке.

Достоинством схемы с обратными диодами является жесткое ограничение напряжения на нагрузке и, соответственно, независимость этого напряжения от сопротивления нагрузки. Значения коммутирующей емкости С_К и индуктивности L_d могут быть значительно уменьшены, так как колебательные процессы устраняются диодами, а величины емкости и индуктивности выбираются только из условия достаточного времени запирания тиристора. Схема работает как инвертор напряжения, поэтому ряд авторов относят ее к инверторам напряжения.

Общим недостатком обоих вариантов является необходимость наличия силового трансформатора с двумя вторичными обмотками, необходимыми для получения средней точки, что увеличивает вес и габариты инвертора.