Инверторы
Тиристорные инверторы – это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты. Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 1).
Рис.1 Диаграмма постоянного и переменного тока.
Применение:
1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).
2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ).
3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.
4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.
5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.
Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.
Инверторы подразделяют на:
1. Автономные инверторы и преобразователи частоты.
2. Инверторы, ведомые сетью.
Автономные инверторы и преобразователи частоты.
Автономные инверторы — это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет другого источника энергии той же частоты, кроме самого инвертора.
Преобразователи частоты — это устройства, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты.
К автономным инверторам и преобразователям частоты, работающим в конкретной установке, предъявляются следующие требования:
1) обеспечение максимального к. п. д.;
2) минимальная установленная мощность отдельных узлов и элементов;
3) возможность широкого регулирования выходного напряжения;
4) обеспечение стабильности выходного напряжения при изменении величины и характера нагрузки, а также входного напряжения;
5) обеспечение синусоидальной или близкой к синусоидальной формы кривой выходного напряжения;
6) возможность регулирования в определенных пределах выходной частоты, что прежде всего необходимо в установках вентильного электропривода;
7) отсутствие срывов инвертирования при перегрузках;
8) возможность работы в режиме холостого хода;
9) обеспечение максимальной надежности и устойчивости. Естественно, что требования, предъявляемые к схемам автономных инверторов, зависят от конкретного назначения инвертора. Поэтому оптимальный вариант схемы инвертора необходимо выбирать, учитывая режим работы питающихся от него нагрузок.
Автономные инверторы можно классифицировать по следующим основным признакам:
1) по схеме преобразования;
2) по способу коммутации (запирания);
3) по способу управления;
4) по характеру протекания электромагнитных процессов.
Различают следующие основные схемы преобразования:
1) одновентильную (рис. 2.1, а);
2) однофазную с нулевым выводом (рис, 2.1, б);
3) однофазную с нулевым выводом источника питания (рис. 2.1, в);
4) однофазную мостовую (рис. 2.1, г);
5) трехфазную мостовую (рис. 2.1, д);
6) трехфазную с нулевым выводом (рис. 2.1, е).
Все остальные схемы являются производными перечисленных групп. Наибольшее распространение в преобразовательной технике находят мостовые схемы. По способу коммутации автономные инверторы можно разделить на несколько групп.
Рис. 2.1. Схемы преобразования
Инверторы с индивидуальной коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для запирания одного тиристора (вентильного плеча) инвертора. К данному типу инверторов относятся инверторы на полностью управляемых вентилях — двухоперационных тиристорах и силовых транзисторах.
Инверторы с пофазной коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания тиристоров двух вентильных плеч, относящихся к одной фазе инвертора.
Инверторы с групповой коммутацией. В таких инверторах для запирания всех вентильных плеч одной группы (анодной или катодной) служит отдельное коммутирующее устройство.
Инверторы с общей коммутацией. Коммутирующее устройство является общим для всех вентильных плеч инвертора. В коммутирующем устройстве инвертора содержится один коммутирующий конденсатор.
Инверторы с межвентильной коммутацией. В таких инверторах запирание каждого рабочего тиристора происходит при отпирании следующего по порядку работы тиристора другой фазы, но этой же группы.
Инверторы с межфазовой коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания двух тиристоров разных фаз.
По способу управления инверторы разделяются на инверторы с самовозбуждением и с внешним (независимым) возбуждением.
В инверторах с самовозбуждением управляющие импульсы, подаваемые на тиристоры, формируются из выходного напряжения инвертора. Частота выходного напряжения определяется параметрами нагрузки.
В инверторах с независимым возбуждением управляющие импульсы формируются внешним генератором, который и задает частоту выходного напряжения. Ввиду того что частота выходного напряжения не зависит от параметров нагрузки, данный тип инверторов получил наиболее широкое распространение в преобразовательной технике.
В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы можно разделить на три основных типа: инверторы тока (рис. 2.2, а); инверторы напряжения (рис. 2.2, в); резонансные инверторы (рис. 2.2, д).
Для инверторов тока характерно то, что они формируют в нагрузке ток (iвых) а форма и фаза напряжения зависят от параметров нагрузки.
Источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включается реактор Ld с большой индуктивностью. Кроме того, реактор Ld выполняет функции фильтра высших гармонических напряжения, так как к нему в любой момент времени прикладывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора; препятствует разряду конденсатора на источник питания во время коммутации тока в тиристорах и обеспечивает апериодический режим работы инвертора, характерный малыми пульсациями входного тока. Следует отметить, что при питании инвертора от источников с характеристиками, близкими к источнику тока, дроссель Ld может отсутствовать.
Инвертор тока должен обеспечивать режим работы, при котором между анодом и катодом закрывшегося тиристора в течение некоторого времени поддерживается отрицательное напряжение, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристора. Это время tвыкл называется временем запирания (рис. 2.2, б).
При активно-индуктивном характере потребителя баланс реактивной мощности обеспечивается коммутирующими и компенсирующими конденсаторами. Конденсаторы по отношению к нагрузке могут быть включены параллельно, последовательно, последовательно-параллельно.
Для инверторов тока характерен энергообмен между коммутирующими и компенсирующими конденсаторами, включенными в цепи переменного тока, реактивностями цепи нагрузки и дросселем Ld в цепи входного тока.
В режиме холостого хода инвертор тока неработоспособен вследствие роста амплитуды обратных и прямых напряжений на тиристорах. При перегрузках его работа затруднена из-за недостаточного времени для восстановления запирающих свойств тиристоров. Инверторы тока имеют близкую к синусоидальной форму выходного напряжения, относительно малые пульсации входного тока, возможность реверса направления потока мощности без изменения направления тока (при переходе в выпрямительный режим). Внешняя характеристика инвертора тока мягкая.
Рис. 2.2. Однофазная мостовая схема инвертора тока (а) и инвертора напряжения (в); временные диаграммы тока и напряжения на выходе инвертора тока (б), инвертора напряжения (г) и резонансного инвертора (д) при активно-индуктивной нагрузке
Инверторы напряжения формируют в нагрузке напряжение, а форма и фаза тока зависят от характера нагрузки. Источник питания инвертора напряжения работает в режиме генератора напряжения. Если инвертор питается от выпрямителя, то на его входе ставится конденсатор достаточно большой емкости для обеспечения проводимости источника постоянного напряжения в обратном направлении. Это необходимо, когда в составе нагрузки имеются реактивные элементы любого типа. Через обратный выпрямитель (Д1...Д4) осуществляется энергообмен между накопителями, имеющимися в составе нагрузки, и источником питания или конденсатором С0, а в многофазных инверторах — также и энергообмен между фазами нагрузки. Конденсатор С0 выполняет функции фильтра высших гармонических тока, так как по нему протекает разность между выходным и постоянным в пределах полупериодов входным током. Инвертор напряжения может работать в режиме холостого хода. Работоспособность инвертора напряжения в режиме, близком к короткому замыканию, определяется коммутационными свойствами полностью управляемых вентилей или принятым способом коммутации и параметрами коммутирующих элементов обычных тиристоров. Инверторы напряжения работоспособны, имеют малые изменения формы кривой и величины выходного напряжения при изменении выходной частоты в широких пределах. Коммутационные процессы в них мало влияют на форму кривой выходного напряжения, а установленная мощность коммутирующих элементов сравнительно небольшая. Внешняя характеристика инвертора напряжения жесткая.
Основными областями применения инверторов тока и инверторов напряжения являются: стабилизированные по выходным параметрам преобразователи частоты; вторичные источники питания переменным током; установки частотно-регулируемого электропривода.
В резонансных инверторах нагрузка, имеющая, как правило, значительную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. Выключение тиристоров инвертора происходит благодаря плавному спаданию до нуля анодного тока тиристора (тока колебательного контура) на каждом полупериоде (рис. 2.2, д). Собственная частота контура в резонансных инверторах должна быть выше или равна рабочей частоте инвертора. Конденсаторы, входящие в состав колебательного контура, могут быть включены последовательно с нагрузкой, параллельно ей или последовательно-параллельно, а дроссели — в цепи входного тока, в анодных цепях вентилей или последовательно с нагрузкой.
Для резонансных инверторов характерен интенсивный энергообмен между накопителями, входящими в состав схемы. Резонансные инверторы могут питаться от источников, работающих в режиме генератора э. д. с. или тока. Инверторы, питающиеся от генератора э. д. с., называются инверторами с открытым входом, а питающиеся от генератора тока — с закрытым входом.
Резонансные инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в нагрузке, плавное нарастание (в большинстве схем без обратных диодов) и спад тока через вентили, что обеспечивает малые коммутационные потери мощности в последних. Данный тип инверторов целесообразно применять при повышенных частотах выходного напряжения (единицы кГц, десятки кГц).
Следует подчеркнуть, что конкретные схемы автономных инверторов зачастую обладают одновременно признаками разных классификационных групп в зависимости от соотношения параметров, режима работы и т. д.
Инверторы, ведомые сетью.
Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение – напряжению сети.
Принцип работы инвертора, ведомого сетью, можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного инвертора, приведенного на рис. 3, а. Цепь содержит источник постоянной инвертируемой э. д. с. Ud. последовательное которым включены тиристор В, дроссель Ld и выходной трансформатор Тр. Первичная обмотка Тр подключена к сети переменного тока, создающего на вторичной обмотке напряжение u2. По отношению к тиристору В это напряжение периодически меняет знак, в одну часть периода складываясь с напряжением Ud в другую — вычитаясь из него. По отношению к инвертируемому напряжению тиристор В всегда включен в проводящем направлении.
Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда, когда направления инвертированного тока iB и переменного напряжения u2; противоположны, т. е. когда u2 и Ud встречны.
Процесс инвертирования возможен, если U2m>Ud .Для инвертирования необходимо отпирать тиристор до момента O1, когда напряжение на аноде будет еще больше нуля. Это имеет место для всех углов управления 
г < < 0, где г — граничный угол управления, при котором достигается предельный режим работы инвертора.
Рис. 3 Схемы однофазного (а) и двухфазного (в) инвертора, ведомого сетью; временные диаграмы токов и напряжений (б, г), семейство входных характеристики инвертора (д).
Пренебрегая потерями в схеме, можно записать
где xd — реактивное сопротивление контура.
Из уравнения следует, что скорость изменения тока iB будет прямо пропорциональна разности Ud - u2.
Если 
, 
, ток iB возрастает (рис. 3, б). При Ud - u2 = 0 iB достигает максимума, при Ud - u2 < 0 iB уменьшается и поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности дросселя Ld. Продолжительность работы тиристора после точки O1 определяется временем, в течение которого эта энергия будет рассеяна. Величина накопленной энергии пропорциональна площадям S1 и S2, а рассеянной — S1’ и S2’. Поэтому прерывание тока в цепи инвертора определится моментом, когда при заданном угле управления обе площади (S1 и S1’ или S2 и S2’) становятся равны между собой.
При изменении угла управления в сторону его уменьшения площадь S1 будет все время возрастать. В соответствии с этим должна возрастать и площадь S1’. Однако рост этой площади при указанных значениях U2m и Ud ограничен участком синусоиды O1…O1'. Как только будет израсходован весь резерв этой площади, тиристор, раз включившись, уже больше выключиться не сможет, и с точки O1’ его ток начнет снова возрастать под действием напряжения Ud - u2 > 0, инвертор перейдет в режим короткого замыкания. Точка O1’, которая определяет границу устойчивой работы инвертора, называется граничной,
Потеря устойчивости инвертором (опрокидывание) в реальных инверторах наступает раньше, чем это определяется точкой O1', так как для восстановления запирающих свойств тиристора после его выключения необходим некоторый промежуток времени (
) для рассасывания электрических зарядов в p-n-переходах. Следовательно, в реальной схеме инвертора тиристор должен выключаться раньше на угол , чем будет достигнута точка O1', причем это опережение должно всегда соответствовать наиболее тяжелому режиму работы тиристора, при котором =max.
Аналогичную картину можно получить и если = const, a Ud = var.
Рассмотренная схема содержит те же элементы, что и управляемый выпрямитель, работающий на противо-э. д. с. Однако роль противо-э. д. с. в инверторном режиме выполняет не Ud, а напряжение сети переменного тока. Для того чтобы это могло иметь место, необходимо при переходе от выпрямительного режима к инверторному изменить знак Ud и увеличить угол управления за пределы граничного.
Соотношения между основными параметрами схемы при этом не изменяются, и, следовательно, рабочий режим инвертора будет описываться теми же уравнениями, что и рабочий режим управляемого выпрямителя, с той разницей, что источник Ud выступает в этом случае не как потребитель, а как генератор активной мощности. За счет этого источника и покрываются все потери в инверторе. Таким образом, обозначив собственную э. д. с. инвертора в режиме холостого хода через Ud получим:
где 
Ux и Ua — реактивные и активные потери напряжения.
В инверторе, ведомом сетью, Ux >> Ua . Простейший однофазный инвертор, ведомый сетью, характеризуется весьма низкими энергетическими показателями из-за плохого использования выходного трансформатора и значительного искажения формы токов как на стороне переменного, так и на стороне постоянного напряжений. По этой причине инверторы, ведомые сетью, как правило, выполняются многофазными.
На рис. 3, в, г представлены двухфазная схема инвертора и временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие его работу.
Выбор требуемых участков рабочего напряжения, при которых обеспечивается поочередный пропуск тока тиристорами В1 и В2 в пределах каждого из периодов переменного напряжения, достигается выбором момента отпирания тиристоров при помощи импульсов управления. При подаче импульса управления на тиристор В1 незадолго до того, как напряжение на фазе А становится отрицательным, этот тиристор отпирается и пропускает ток преимущественно при отрицательном напряжении фазы А.
Встречное направление отрицательного напряжения е21 по отношению к анодному току i21 свидетельствует о приеме данной фазой мощности от источника постоянного тока. Эта мощность в процессе трансформации тока передается через вторичную и первичную обмотки трансформатора в сеть однофазного тока. Такая же передача мощности происходит в следующий полупериод через фазу В вторичной обмотки, когда через нее и тиристор В2 протекает ток.
Переход (коммутация) тока с тиристора В1 на тиристор В2 происходит так же, как и при выпрямительном режиме, в течение некоторого промежутка времени, называемого углом коммутации 
.
Роль тиристоров при инвертировании тока сводится к роли переключателей, попеременно замыкающих цепь источника постоянного тока на одну из вторичных обмоток, а именно на ту, которая обеспечивает в данную часть периода наиболее отрицательное напряжение. Для того чтобы имела место естественная коммутация тока, характеризующаяся переходом тока от одного тиристора к другому, отпирание очередного тиристора должно происходить с некоторым опережением против начала отрицательного полупериода. Это опережение в угловом измерении носит название угла опережения 
.
Угол опережения должен быть достаточен не только для того, чтобы могла совершиться естественная коммутация токов тиристоров (угол ), но и для того, чтобы после коммутации токов оставался до появления положительного напряжения достаточный по величине угол , в течение которого закончивший свою работу тиристор должен успеть восстановить свои запирающие свойства.
Если послекоммутационный угол меньше, чем требуется для восстановления запирающих свойств тиристора, то с появлением положительного напряжения на аноде тиристора, закончившего работу, он вновь отпирается, и ток продолжает протекать при положительном полупериоде переменного напряжения, что приводит к опрокидыванию инвертора.
Таким образом, для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы
или
где — угол опережения (управления), отсчитываемый от точки пересечения фазовых напряжений в сторону опережения; tвосс — время восстановления управляющих свойств тиристора.
Соотношение между токами и напряжениями для ведомого инвертора можно получить из соотношений для аналогичной схемы управляемого выпрямителя, в которых вместо подставлено значение (
— ).
Выражение для расчета тока инвертора имеет вид:
Среднее значение входного напряжения инвертора (собственная противо-э. д. с.) суммируется из напряжения холостого хода и приращения напряжения в период коммутации:
Напряжение холостого хода определяется выражением:
(1)
Приращение напряжения, обусловленное явлением коммутации, равно:
или в функции входного тока
(2)
Из выражения (1) и (2) получаем выражение входной характеристики инвертора:
(3)
Из выражения (3) видно, что в отличие от внешней характеристики выпрямителя, где второе слагаемое определяет ее спад с ростом тока, у инвертора второе слагаемое определяет подъем входной характеристики. Повышение входного напряжения Udb с ростом входного тока Idb объясняется добавлением коммутационной площадки к синусоидальному выходному напряжению холостого хода.
На рис. 3, д приведено семейство входных характеристик инвертора. Начальные точки на оси ординат соответствуют напряжению Холостого хода. Верхнее ограничение характеристик определяется величинами токов, при которых послекоммутационный угол при заданном угле становится min, т. е. углом, достаточным для надежного восстановления запирающих свойств тиристоров (
). Точки A1, A2, А3 на входных характеристиках соответствуют предельным токам нагрузки Idbmax и предельным напряжениям Udbmax . Определяя ограничительную характеристику инвертора.
Характерные особенности инверторного режима следующие:
а) инвертор может быть построен только на управляемых вентилях, так как большую часть нерабочего интервала к ним приложено положительное напряжение;
б) угол отпирания а должен превышать 90°;
в) полярность напряжения на стороне постоянного тока противоположна полярности выпрямителей;
г) во всем диапазоне изменения тока нагрузки и входного напряжения должно быть выполнено следующее условие: > + min.
УЧЕНЬЕ - СВЕТ, А НЕУЧЕНЬЕ - ЧУТЬ СВЕТ И НА РАБОТУ!
