|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы в схеме на рис. 3.8,6 источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается как бы от источника переменного напряжения. Такая схема классифицируется как инвертор напряжения. Нагрузка в этом случае должна носить активный или активно-индуктивный характер (если на выходе инвертора не установлены фильтры), так как при емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имели бы место всплески токов. Для устранения перенапряжений на элементах схемы часть энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, возвращают в источник постоянного напряжения. Для этого ключевые элементы шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды иногда называют «обратными» диодами (на рис. 3.8,6 они не показаны). Законы изменения токов в цепи нагрузки инвертора напряжения при определенных условиях подобны законам изменения узловых потенциалов на шинах нагрузки инвертора тока. Такое соответствие законов известно в электротехнике как принцип дуальности (двойственности) цепей. В рассматриваемом случае дуальными элементами в схемах инверторов (см. рис. .3.8) являются: а) источник напряжения и источник тока; б) сопротивление и проводимость нагрузки; в) индуктивность и емкость. Используя принцип дуальности, можно результаты анализа процессов в схеме инвертора одного типа, например инвертора тока, путем определенных преобразований распространить на схему инвертора другого типа-инвертора напряжения, и наоборот. Индуктивность сглаживающего реактора Ьц в инверторе тока имеет конечное значение и оказывает существенное влияние на динамические характеристики инвертора. В частности, чем меньше эта индуктивность, тем меньше всплески и провалы выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки инвертора. В цепи постоянного тока некоторых инвергоров напряжения имеется индуктивность, обеспечивающая коммутацию тиристоров. Поэтому наличие индуктивности в цепи постоянного тока еще не является достаточным признаком для определения типа схемы (инвертор тока или инвертор напряжения.) Необходимо знать характер изменения входного тока инвертора. Как правило, считают, что в инверторах тока входной ток непрерывен или прерывается на незначительное по сравнению с межкоммутационным интервалом время. 118 По характеру протекания электромагнитных процессов можно выделить еще один тип инверторов, занимающих как бы промежуточное место между инверторами тока и напряжения,- резонансные инверторы. В схемах этого типа инверторов нагрузка входит в состав колебательного контура и ток в коммутирующих элементах в течение всего интервала их проводимости носит колебательный характер. Тип резонансных инверторов также объединяет довольно большое количество разнообразных типов схем, различающихся конфигурацией, способом соединения конденсаторов с источником питания и рядом других признаков. Кроме того, для резонансных инверторов характерно соединение нескольких инверторов для получения напряжения высокой частоты (так называемые многоячейковые инверторы). Количество ячеек тоже служит признаком для классификации резонансных инверторов. Наличие или отсутствие в цепи постоянного тока реактора иногда служит формальным признаком для разделения резонансных инверторов также на инверторы тока и напряжения. Однако такое разделение резонансных инверторов нецелесообразно, так как характер изменения токов и напряжений на коммутационных элементах отличен от характера аналогичных процессов в инверторах тока и напряжения. Основным элементом многих схем инверторов является тиристор, который в автономных инверторах требует для своего выключения принятия специальных мер, обеспечивающих спадание протекающего через него тока до нуля и задержку подачи прямого напряжения. В автономных инверторах отсутствие сетевого напряжения (или переменного напряжение каких-либо других источников) приводит к необходимости * использовать различные способы принудительной или искусственной коммутации тиристоров. Для автономных инверторов характерны следующие способы искусственной коммутации тиристоров [12]. 1. Коммутация посредством конденсатора, подключаемого другим тиристором (рис. 3.9, а). Предположим, что тиристор FSi проводит ток, а конденсатор С заряжен с полярностью, указанной на рисунке. В момент на тиристор VS2 поступает управляющий импульс и-он вклюзается. В результате включения тиристора VS2 конденсатор оказывается подключенным к открытому тиристору VSy. Так как открыты оба тиристора, то возникает ток разряда конденсатора, направленный навстречу току тиристора VS. В цепи разряда конденсатора отсутствует индуктивность, поэтому ток разряда нарастает весьма быстро и тиристор VS практически мгновенно выключается. Через тиристор VS2 начинает протекать ток перезаряда конденсатора С и ток нагрузки (определяемый сопротивлением R2). До тех пор пока конденсатор врезультате vsz VSI -VSk
с l vs   Рис. 3.9. Схемы искусственной коммутации тиристоров и диаграммы изменения токов и напряжений на их элементах перезаряда по цепи -С-FS2 не изменит полярности напряжения на своих обкладках (момент /2). к тиристору VSi будет приложено обратное напряжение и он может восстанавливать свою запираюш}то способность. В момент /3 поступает управляющий импульс на тиристор VSi, в результате чего тиристор VSi включается, а тиристор VS2 выключается и т. д. Рассмотренный способ коммутации характерен для схем инверторов тока. 2. Коммутация посредством подключения к основному тиристору конденсатора через вспомогательный тиристор (рис. 3.9,6). Пусть конденсатор С заряжен, основной тиристор VS проводит ток, тиристор FS, выключен. При подаче в момент ti управляющего импульса на вспомогательный (или коммутирующий) тиристор FS, он включается и ток разряда конденсатора С выключает тиристор VS. Далее происходит перезаряд конденсатора по цепи C-VS - R. На интервале времени от ti до /2 тиристор VS восстанавливает свою запирающую способность. Для того чтобы конденсатор С был заряжен с нужной для следующего включения тиристора VS полярностью, его необходимо повторно перезарядить. Этот процесс перезаряда начинается при включении в момент /3 основного тиристора VS по контуру C-VS-L- VD. Процесс носит колебательный характер, и длительность его определяется параметрами L и С. Перезаряд заканчивается в момент /4. В течение этого процесса ток колебательного контура суммируется в тиристоре VS с током нагрузки. Диод VD предотвращает дальнейшее протекание процесса перезаряда (когда ток колебательного LC-контура начинает изменять свое направление на противоположное), фиксируя тем самым на обкладкаж конденсатора заряд нужной для коммутации тиристора VS полярности. 3. Коммутация за счет подключения к основному тиристору колебательного LC-контура (рис. 3.9, в). Предположим, что конденсатор С заряжен, основной тиристор VS открыт, а ком-мутир}тощий тиристор FS, и тиристор перезаряда FSn закрыты. В момент ti на тиристор VS2 поступает управляющий импульс; возникающий при этом ток в колебательном LC-контуре направлен навстречу току нагрузки тиристора V и выключает его. Так как скорость нарастания коммутирзтощего тока (тока колебательного контура) ограничена индуктивностью L, то процесс выключения тиристора VS облегчается (по сравнению со схемами с конденсаторной коммутацией) за счет уменьшения максимального значения обратного тока при выключении. Далее начинается процесс перезаряда конденсатора через нагрузку и открытый тиристор Подготовка LC-контура для следующего выключения тиристора VS осуществляется путем включения в момент /3 тиристора пере- заряда VSj,, в результате чего происходит перезаряд конденсатора до напряжения нужной полярности (к моменту 14) и тиристор VS„ выключается. Способы коммутации тиристоров по схемам на рис. 3.9,6 и в характерны для инверторов напряжения. 4. Коммутация за счет резонансного характера сопротивления нагрузки (или сопротивления нагрузки с дополнительно установленными на выходе инвертора реакторами и конденсаторами). Пример схемы с коммутацией по указанному способу приведен на рис. 3.9, г. При подаче в момент управляющего импульса на тиристор VS он включается и к контуру L - C-R„ прикладывается постоянное напряжение Uj. При соответствуюнщх параметрах L, С п R„ ток в контуре будет иметь колебательный характер, и при прохождении тока через нуль (момент t) тиристор VS выключается. Далее процесс периодически повторяется. Рассмотренный способ характерен для резонансных инверторов. Разработано большое количество различных схем, реализующих рассмотренные способы коммутации. Кроме того, существует также ряд других способов коммутации тиристоров, не нашедших широкого применения в схемах автономных инверторов. При классификации автономных инверторов по способам искусственной коммутации иногда различают инверторы с одноступенчатой и двухступенчатой коммутацией. При одноступенчатой коммутации выключение одного основного тиристора обычно связано с включением другого основного тиристора схемы (например, по схеме на рис. 3.9, а) или же включение и выключение основного тиристора связаны общим процессом изменения токов (напряжений) в элементах схемы (например, в схеме на рис. 3.9, г). При двухступенчатой коммутации выключение основного тиристора производится посредством включения вспомогательного (коммутирующего) тиристора, после чего может быть включен снова тот же или другой основной тиристор (например, в схемах на рис. 3.9,6 и в). Отдельные модификации схем с двухступенчатой коммутацией (например, схема на рис. 3.9, в) можно рассматривать как аналоги полностью управляемого ключа, который может быть включен или выключен подачей соответствующих управляющих импульсов (включение производится путем подачи управляющего импульса на основной тиристор, а выключение-подачей управляющего импульса на коммутирующий тиристор). В ряде случаев при классификации инверторов (особенно многофазных) используют принцип связи коммутирующего устройства с основными тиристорами инвертора. При этом обычно различают инверторы: а) с поэлементной коммутацией (к каждому основному тиристору схемы подключено отдельное коммутирующее устройство); 122 б) С пофазной или групповой коммутацией (в схеме для коммутации тиристоров одной фазы или группы тиристоров используется отдельное коммутирующее устройство); в) с включением коммутирующего устройства между фазами; г) с одним общим коммутируюнщм устройством на все основные тиристоры схемы. Инверторы с конденсаторной коммутацией часто классифицируются по способу соединения конденсатора с нагрузкой: параллельный, последовательный или параллельно-последовательный инверторы. Классификация по этому признаку не является чисто формальной, поскольку способ включения конденсатора относительно нагрузки определяет зависимость выходного напряжения инвертора от нагрузки, характер переходных процессов и другие параметры схемы. По схеме преобразования, так же как и в выпрямителях, различают однофазные, трехфазные и многофазные инверторы. Эти схемы могут быть выполнены без нулевого вывода и с нулевым выводом в цепи нагрузки или цепи постоянного тока (схемы со средней точкой). Основными элементами схем инверторов, параметры которых подлежат расчету, являются ключевые элементы, коммутирующие элементы (конденсаторы, реакторы и др.), трансформатор и фильтры, если последние оказывают непосредственное влияние на процесс инвертирования, например сглаживающий реактор в инверторах тока (в других случаях фильтры рассчитывают отдельно как самостоятельные звенья). Исходными данными при расчете схемы обычно являются входное напряжение и диапазон его изменения, параметры выходного напряжения, мощность нагрузки и диапазон ее изменения (как активных, так и реактивных составляющих). 3.2.1. ИНВЕРТОРЫ ТОКА Параллельный инвертор тока. Рассмотрим работу инвертора тока на примере представленной на рис. 3.10, а наиболее распространенной и изученной схемы однофазного мостового параллельного инвертора тока (коммутирующая емкость на выходе инвертора подключена параллельно нагрузке). Примем следующие основные допущения: индуктивность сглаживающего реактора L<,=oo; тиристоры «идеальные», т. е. время включения и выключения их, обратный ток, а также прямое падение напряжения равны нулю; потери энергии в элементах схемы отсутствуют; 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [ 19 ] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 |
|||||||||||||||||||||||||