2. Инверторы, ведомые сетью

Инвертор – устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т. е. выполняет функцию, обратную той, которую выполняет выпрямитель.

На практике часто возникает задача чередования режимов выпрямления и инвертирования. Эти режимы могут быть реализованы в одном и том же преобразователе: если энергия передается от сети к нагрузке, то преобразователь является управляемым выпрямителем; если энергия передается от источника постоянного тока в сеть, то преобразователь называют ведомым сетью инвертором.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности P_d = U_d · I_d преобразователя. Поскольку ток I_d не может изменить своего направления из-за односторонней проводимости тиристоров, изменение знака мощности достигается за счет изменения знака напряжения U_d. Для этого необходимо обеспечить увеличение угла управления до α > 90⁰. Рассмотрим сначала кратковременный режим инвертирования (ключ К на рис. 2.1 замкнут).

Рис. 2.1

Пусть в некоторый момент времени угол управления скачком изменяется от ₁< 90⁰ до ₂> 90⁰. Тогда, благодаря большой постоянной времени нагрузки, ток i_d в течение некоторого времени (до момента t_эм) протекает в прежнем направлении при отрицательной полярности напряжения U_dи (рис. 2.2). В момент t_эм энергия в индуктивности полностью израсходована и ток i_d= 0. При t > t_эм имеет место режим прерывистого тока, при котором U_d= 0. В течение интервала с отрицательным значением U_d энергия, накопленная в индуктивности отдается в сеть – имеет место кратковременный режим инвертирования.

Рис. 2.2

Если на стороне нагрузки имеется дополнительный источник э.д.с. E_d> u_dмах (ключ К на рис. 2.1 разомкнут), который постоянно обеспечивает режим непрерывного тока при отрицательной полярности U_d, преобразователь работает в режиме ведомого сетью инвертора (рис. 2.3).

В инверторном режиме для характеристики управления используют угол опережения  =   . Минимальный угол опережения должен удовлетворять условию _мин> t_вос, где t_вос – время восстановления запирающих свойств тиристора. Если это условие по каким-то причинам не выполняется, происходит опрокидывание инвертора. Это аварийный режим, когда открыты оба тиристора, через которые протекает ток короткого замыкания.

Рис. 2.3

3. Импульсные преобразователи напряжения

Импульсные преобразователи напряжения – это устройства, предназначенные для регулирования напряжения на нагрузке путем периодического подключения к ней источника постоянного или переменного напряжения.

Соответственно напряжение на нагрузке имеет вид импульсов (фрагменты синусоиды у преобразователей переменного напряжения, прямоугольные – у преобразователей постоянного напряжения).

3.1. Импульсные преобразователи постоянного напряжения (иппн)

Основные области применения ИППН – вторичные источники электропитания, мощные стабилизаторы постоянного напряжения.

Регулирование величины выходного напряжения осуществляют, обычно, изменением длительности включенного состояния силового элемента. Отсюда – другое распространенное название – широтно-импульсный преобразователь (ШИП).

Рассмотрим три основные схемы: понижающий преобразователь, повышающий преобразователь, инвертирующий преобразователь.

В качестве силовых элементов в ИППН используют тиристоры или транзисторы.

Схема понижающего преобразователя и временные диаграммы работы приведены на рис. 3.1а, б.

а)

б)

Рис. 3.1

Транзистор VT управляется импульсами длительностью t_и и периодом Т. На интервале 0 < t < t_и транзистор VT открыт, диод VD заперт обратным для него напряжением U_вх. Ток замыкается по контуру VT–L–R_н–U_вх, индуктивность накапливает энергию. Напряжение на индуктивности u_L= U_вх – U_вых. На интервале t_и< t < Т транзистор VT закрыт, но ток, поддерживаемый энергией накопленной в индуктивности, продолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по контуру VD–L–R_н. Напряжение на индуктивности u_L= U_вых.

Конденсатор С выполняет роль дополнительного фильтра и при достаточно большой величине индуктивности может отсутствовать.

Величина выходного напряжения понижающего преобразователя

,

где γ = t_и/T – коэффициент регулирования.

Для работы повышающего преобразователя (рис. 3.2а) принципиально необходимы два накопителя энергии – дроссель L и конденсатор С.

Процессы в схеме протекают следующим образом (рис. 3.2б): на интервале 0 < t < t_и транзистор VT открыт, диод VD заперт обратным для него напряжением U_вых. Ток через дроссель замыкается по контуру LVTU_вх, индуктивность накапливает энергию. Напряжение на индуктивности u_L= U_вх. Конденсатор разряжается по контуру R_нС, отдавая энергию, накопленную в предыдущем цикле работы схемы. На интервале t_и< t < T транзистор VT закрыт, ток через индуктивность продолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по контуру LVDR_нU_вх. Одновременно заряжается конденсатор С. На этом интервале ток через индуктивность уменьшается, напряжение u_L меняет знак, приобретая полярность, противоположную полярности входного напряжения.

В результате выходное напряжение U_вых= U_вх u_L становится больше входного на величину напряжения на индуктивности. Выходное напряжение повышающего преобразователя

.

В схеме инвертирующего преобразователя (рис. 3.3а) выходное напряжение может быть больше или меньше входного, полярность - противоположна полярности входного напряжения. Схема работает следующим образом (рис. 3.3б). На интервале 0 < t < t_и транзистор VT открыт, диод VD закрыт. Ток через индуктивность замыкается по контуру VTLU_вх, дроссель накапливает энергию. Напряжение на дросселе u_L= U_вх. Одновременно конденсатор разряжается по контуру R_нС отдавая энергию, накопленную в предыдущем цикле работы. В момент времени t_и транзистор VT закрывается, ток через индуктивность начинает уменьшаться, соответственно изменяется полярность напряжения на дросселе. Это напряжение через открывшийся диод VD прикладывается к нагрузке. В результате напряжение U_вых имеет полярность, противоположную входному напряжению. Ток через индуктивность на интервале t_и< t < T замыкается по контуру LR_нVD, напряжение на дросселе u_L=  U_вых.

а)

б)

Рис. 3.2

а)

б)

Рис. 3.3

Величина выходного напряжения инвертирующего преобразователя:

,

т. е. при γ < 0,5 инвертирующий преобразователь является понижающим, а при γ > 0,5 – повышающим.