Контрольные вопросы

1. Объясните принцип многозонного регулирования напряжения.

2. Изобразите форму выпрямленного напряжения на первой и высшей зоне регулирования

3. Объясните назначение импульсов управления ₀, _0з и _р в режиме тяги.

4. Назовите особенности процесса перехода со второй на третью зону регулирования.

5. Назовите особенности работы многозонного выпрямителя в режиме рекуперации.

6. Обоснуйте ограничения на формирование управляющих импульсов в режиме тяги и рекуперации.

Раздел 4 автономные инверторы

Рекомендуемая литература: [6, 8, 11, 13].

Автономным (независимый) инвертором называется преобразователь параметров электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Выходные параметры инверторов (форма, амплитуда и частота тока или напряжения) определяются схемой преобразователя и системой его управления.

В настоящее время не существует единой классификации схем автономных инверторов. По характеру протекающих в схеме электромагнитных процессов автономные инверторы подразделяются на инверторы тока, инверторы напряжения и резонансные инверторы. Такое разделение инверторов является условным, поскольку определяющим признаком является характер источника, включенного в цепь постоянного тока инвертора.

Особенностью схемы инвертора тока является наличие во входной цепи реактора L_d большой индуктивности, включенной последовательно с источником питания E_d. При таком большом входном сопротивлении источник E_d работает в режиме источника тока, поэтому такой инвертор называют инвертором тока.

Во входной цепи инвертора напряжения параллельно источнику E_d устанавливают конденсатор C_d большой емкости. Он поддерживает постоянной величину напряжения на входе инвертора, что определяет режим работы источника питания инвертора E_d как источник напряжения. Поэтому такой инвертор называют инвертором напряжения.

В схеме резонансного инвертора нагрузка включена в цепь колебательного LC–контура. Ток в элементах схемы в течение полупериода носит колебательный характер, который определяет форму тока нагрузки. По этой причине этот инвертор получил название резонансного инвертора.

4.1. Автономный инвертор тока

Принцип действия автономного инвертора тока (АИТ) рассмотрим на примере упрощенной схемы инвертора (рис. 4.1, а).

Источник напряжения E_d работает в режиме источника тока, поскольку последовательно с ним включен реактор L_d с бесконечной величиной индуктивности. В этом случае пульсациями входного тока I_d можно пренебречь и считать его идеально сглаженным. Переключения в схеме инвертора осуществляются с помощью ключей S1–S4. Их функция сводится к периодическому изменению направления тока i_н в цепи нагрузки z_н. Диаграмма работы ключей приведена на рис. 4.1, б, в.

Рис. 4.1. Автономный инвертор тока: а – схема инвертора, б–e – диаграммы напряжения и токов

Алгоритм управления ключами сводится к поочередному замыканию и размыканию диагональных ключей S1, S4 и S2, S3. При рассмотрении электромагнитных процессов в схеме инвертора принимаем, что коммутация (изменение направления) тока нагрузки i_н с помощью ключей S1–S4 происходит мгновенно и не приводит к разрыву токовой цепи.

Рассмотрим работу схемы АИТ на отдельных интервалах времени. При замыкании ключей S1, S4 на интервале 0 – Т/2 ток нагрузки i_н протекает от источника E_d через ключи S1, S4 и сопротивление нагрузки z_н. Величина и форма этого тока определяются током I_d источника E_d, поэтому на этом интервале ток нагрузки i_н = I_d. Принимаем такое направление тока i_н положительным, ему соответствуют положительные значения ординат этого тока (рис. 4.1, г).

В момент времени t = T/2 происходит коммутация ключей. Теперь в замкнутом положении на интервале T/2 – T находится другая пара ключей S2, S3. При этом направление тока нагрузки i_н, замыкающегося через входную цепь инвертора и ключи S2, S3, меняет направление на противоположное, чему соответствуют отрицательные значения ординат этого тока (рис. 4.1, г). Поэтому для этого интервала времени ток нагрузки i_н = –I_d. Таким образом, переменный по форме ток нагрузки инвертора имеет прямоугольную форму с амплитудой I_d, равной входному току инвертора. Частота этого тока определяется периодом Т замыкания (размыкания) ключей инвертора (рис. 4.1, б, в).

В прямоугольной форме тока нагрузки i_н можно выделить первую (основную) гармонику тока i_н1 с частотой ω₁=2π/T. Амплитуда этой гармоники для прямоугольной формы тока определяется известным соотношением: I_1m=4I_d/π [2]. Поэтому первая гармоническая составляющая тока нагрузки i_н1 определяется по формуле

. (4.1)

Если в схеме АИТ в качестве ключей используются тиристоры, то необходимо принимать меры, обеспечивающие их закрытие. Это связано с тем, что, после закрытия тиристора и уменьшения прямого анодного тока до нуля, к нему необходимо прикладывать обратное напряжение в течение интервала времени t_β, превышающего паспортное время выключения тиристора t_выкл [16]. Только в этом случае обеспечивается надежное закрытие ранее проводивших ток тиристоров. В противном случае после открытия очередных тиристоров в проводящем состоянии окажутся все тиристоры инвертора, что приведет к срыву процесса инвертирования тока.

Поскольку обратное напряжение прикладывается к очередной паре закрытых тиристоров со стороны нагрузки через другую открытую пару тиристоров, необходимо, чтобы напряжение на зажимах нагрузки u_н отставало по фазе от тока нагрузки i_н на некоторый угол β (рис. 4.1, д). В этом случае после закрытия очередной пары тиристоров в моменты времени Т/2*к они будут находиться в течение времени t_β под обратным напряжением, достаточным для их надежного закрытия. Для этого результирующее сопротивление цепи нагрузки должно иметь преимущественно ёмкостной характер, обеспечивающее опережение емкостного по характеру тока нагрузки i_н напряжения u_н. Это реализуется путем подключения к активно-индуктивной нагрузке z_н коммутирующего конденсатора С_к соответствующей ёмкости. В этом случае напряжение нагрузки u_н, определяемое напряжением на обкладках конденсатора С_к, будет отставать на угол t_β от результирующего тока нагрузки, образованного токами активно-индуктивной и емкостной ветвями цепи. Так с помощью коммутирующего конденсатора создается емкостной характер нагрузки, а напряжение на его обкладках обеспечивает в течение заданного времени необходимые потенциальные условия для закрытия тиристоров.

Напряжение на входе инвертора u_и (рис. 4.1, е) определяется напряжением нагрузки u_н. Выясним величину и форму напряжения u_и при нулевом падении напряжения на ключевых элементах схемы S1-S4. В течение первого полупериода (интервал 0 – Т/2) положительная полуволна напряжения нагрузки u_н (рис. 4.1, д) через ключи S1, S2 передается на вход инвертора, поэтому величина и форма напряжения u_и повторяет напряжение нагрузки u_н. Полярность напряжений u_н и u_и для этого полупериода показана сплошными стрелками (рис. 4.1, а). На втором интервале времени Т/2 – Т напряжение нагрузки u_и имеет преимущественно отрицательные значения. В этой связи вектор напряжение u_н (рис. 4.1, а) меняет направление на противоположное (показан пунктиром). Однако через замкнутые на этом интервале ключи S2, S3 отрицательная полуволна напряжения u_н поступает на вход инвертора с прежней полярностью. Поэтому во втором полупериоде форма напряжения u_и имеет ту же полярность, что и на первом интервале. Таким образом, с помощью ключей S1–S4 происходит процесс, подобный процессу выпрямления переменного напряжения. Поэтому в цепи постоянного тока инвертора формируются преимущественно положительные полуволны входного напря­же­ния u_и. Среднее значение этого напряжения U_и зависит от величины угла β и определяется для синусоидальной формы напряжения u_н выражением

, (4.2)

где U_н – действующее значение напряжения на нагрузке.

С другой стороны, постоянная величина напряжения U_и на входе инвертора должна быть равна напряжению источника постоянного тока E_d. Разность этих напряжений прикладывается к реактору L_d цепи постоянного тока. Так как в установившемся режиме на реакторе не может быть постоянного напряжения, то для входной цепи инвертора:

. (4.3)

Действующее значение напряжения на нагрузке связано с током нагрузки соотношением

, (4.4)

где I_н – действующее значение тока нагрузки; z_н – сопротивление цепи нагрузки.

Таким образом, на основании изложенного выше можно сделать следующие выводы:

1) источник питания инвертора E_d работает в режиме источника тока, для чего во входную цепь инвертора включают дроссель L_d с большой индуктивностью;

2) эквивалентная нагрузка инвертора тока может иметь только ёмкостной характер;

3) коммутирующий конденсатор, подключаемый параллельно цепи нагрузки, обеспечивает запирание ранее проводивших вентилей и поддерживает в течение некоторого времени отрицательное анодное напряжение тиристора, необходимое для восстановления их управляющих свойств.