4.2. Инверторы напряжения

Инверторами напряжения называются автономные преобразователи, в которых переменное напряжение на нагрузке образуется в результате ее периодического подключения с помощью ключей к источнику постоянного напряжения, причем с помощью ключей обеспечивается чередующаяся полярность импульсов напряжения на нагрузке. Инверторы напряжения выполняются на полностью управляемых приборах (транзисторах, двухоперационных тиристорах, однооперационных тиристорах, снабженных цепями коммутации).

На рис. 4.3, а приведена схема однофазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых вентилях (обратить внимание на изображение запираемого тиристора).

При включенных тиристорах VI и V4 и выключенных V2 и V3 нагрузка подключается левым концом к положительной шине питания, а правым — к отрицательной и ток течет, как показано на рисунке. Если VI и V4.выключить, a V2 и V3 включить, то напряжение и ток нагрузки изменят направление. При активной нагрузке (L_H=0) ток нагрузки повторяет по форме напряжение на нагрузке . На рис. 9.6, 6 штриховой линией показаны кривая тока нагрузки и входного тока инвертора i при L_H=0. Ток и напряжение имеют прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке ток нагрузки i'_н изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени . При запирании VI и V4 в момент t₂, несмотря на поступление отпирающих импульсов на V2 и V3, ток нагрузки i'_н из-за присутствия индуктивности L_H будет стремиться сохранить свое направление. Для того чтобы после запирания VI и V4 открыть путь току нагрузки, тиристоры шунтируют диодами V10—V40. Поэтому ток нагрузки i'_н при t₂<t<t₃ протекает через V20 и V30 и возвращает часть энергии, запасенной в индуктивности, обратно в источник Е.

При t= t₃ ток нагрузки i„ становится равным нулю, а при t>t₃ ток начинает протекать в противоположном направлении через V2 и V3, на управляющих электродах ко­торых продолжают присутствовать отпирающие сигналы. Аналогично на интервале to<i<t₁, т. е. после запирания V2 и V3, ток нагрузки протекает через V10 и V40.

Выходное напряжение инвертора напряжения из-за малой длительности процесса коммутации (запирание вентилей, даже с учетом процессов в коммутационных узлах, если инвертор выполнен на однооперациоиных тиристорах, длится не более 200 мкс) по форме близко к прямоугольному и не зависит от, тока нагрузки. В связи с этим внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора напряжения представляет собой прямую линию с очень малым наклоном.

Pиc. 4.3. Схема и временные диаграммы однофазного мостового инвертора напряжения

Входной ток инвертора i^/ (рис. 4.3,б) при становится знакопеременным, что говорит о периодическом энергообмене между цепью нагрузки и источником питания: запасание энергии в индуктивности нагрузки при работе тиристоров и возвращение энергии в источник на интервале работы обратных диодов. Если источник питания Е представляет собой выпрямитель, то для создания в нем обратной проводимости, позволяющей принять энергию из инвертора, его шунтируют конденсатором С большой емкости, как показано на рис. 4.3, а.

Найдем выражение для тока нагрузки. Контур тока включает в себя Е, R_н и L_н, Считая, что ток нагрузки состоит из принужденной и свободной составляющих, имеем

(4..3)

где - постоянная времени цепи нагрузки; — ток нагрузки при или при L_H=0.

Так как напряжение на нагрузке периодически повторя­ется, то

(4.4)

что позволяет определить постоянную А.

После подстановки (4.3) в (4.4) и преобразований получаем

(4.5)

Максимальное значение тока нагрузки находим из (4.5) при t = Т/2:

(4.6)

Для регулирования выходного напряжения инверторов напряжения либо изменяют ЭДС питающего напряжения Е, либо используют так называемые внутренние средства, а именно изменяют форму выходного напряжения. С этой целью в схеме рис. 4.3, а сдвигают управляющие импульсы на V3 и V4 относительно управляющих импульсов на VI и V2 на угол управления а (на временных диаграммах рис. 4.4 представлены интервалы проводимости всех тиристоров и форма тока и напряжения на нагрузке).

На интервале t₀<t<t₁ открыты VI и V4, на нагрузке . В момент t₁ , VI запирается и подается управляющий импульс на V2, в результате чего ток i„ замыкается в контуре V4-V20-R_н L_H, а напряжение на нагрузке, закороченной тиристорами V4 и V20, и_н=0. В момент t₂ поступает отпирающий импульс на V3, V4 прекращает работать и нагрузка подключается к источнику питания: . Из-за индуктивности нагрузки первое время на интервале t₂—t₃ ток L протекает в прежнем направлении по контуру R_HL_H-V30-E-V20. затем после спада тока к нулю при t=t₃ ток изменяет свое направление и течет в контуре E-V3-RнLн.,-V2.

Таким образом, в кривой u_H(t) появляется регулируемая пауза. Порядок подачи сигналов управления на вентили инвертора получил название алгоритма управления. Алгоритм управления и характер нагрузки в инверторе напряжения определяют характер и продолжительность работы вентилей — алгоритм переключения.

Рис. 4.4. Временные диаграммы тока, напряжения и интервала проводящего состояния вентилей в схеме рис.4.3 при регулировании выходного напряжения

Рис. 4.5. Трехфазный мостовой инвертор напряжения (а) и временные диаграммы напряжений в инверторе (б)

На рис. 4.5,а приведена схема трехфазного инвертора напряжения. Рассмотрим простейший режим, когда каждые два тиристора одной фазы открываются попеременно. Если положить потенинал отрицательного полюса источника питания Е равным кулю, то потенциалы точек А, В, С будут принимать значения либо Е, либо 0. На рис. 4.5,б показаны кривые изменения потенциалов , как обычно в трехфазных системах, они сдвинуты относительно друг друга на 120°. К нагрузке приложено линейное напряжение , форма которого также приведена на рис. 4.5, б. Выходное напряжение (линейное) трехфазного инвертора представляет собой в рассматриваемом режиме знакопеременные прямоугольные импульсы длительностью 120°.