Автономные инверторы тока

Автономные инверторы

Автономные инверторы (АИ) – это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток. На его выходе можно получить переменный ток теоретически любой частоты, плавно регулировать частоту и напряжение.

АИ классифицируются по характеру обмена электроэнергией между источником питания и потребителем. По данному принципу различают автономные инверторы тока (АИТ), автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР).

Для схем АИТ характерно питание от источника тока (в цепь источника включён дроссель значительной индуктивности), обмен реактивной энергии нагрузки с коммутирующим конденсатором, зависимость формы кривой напряжения на выходе и входе инвертора от характера нагрузки.

Характерными признаками АИН является питание от источника напряжения, замыкание контура реактивной энергии через вспомогательные цепи, независимость формы кривой напряжения на выходе инвертора от характера нагрузки.

В схемах АИР цепь нагрузки образует последовательный резонансный контур, при этом ток в нагрузке по форме близок к синусоидальному.

АИ выполняются как на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах (силовые транзисторы, запираемые тиристоры), так и на незапираемых тиристорах, дополненных узлами принудительной коммутации.

Автономный инвертор тока представляет собой преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока, источник питания, на входе которого обладает большим индуктивным внутренним сопротивлением, обеcпечивающим постоянство потребляемого тока.

Схема однофазного инвертора на незапираемых тиристорах с параллельным коммутирующим конденсатором приведена на рис. 4.1а.

В этой схеме принудительное выключение тиристоров осуществляется предварительно заряженным конденсатором С. Конденсатор С заряжается через открытый тиристор VS1 и вторую половину первичной обмотки выходного трансформатора. Когда отпирается тиристор VS2 напряжение на конденсаторе обеспечивает обратное напряжение на запираемом тиристоре VS1. Интервал существования этого напряжения на VS1 должен быть не менее времени выключения тиристора (рис. 4.1б).

Дроссель L цепи постоянного тока имеет достаточно большую индуктивность, чтобы пульсации подводимого постоянного тока были незначительными. Поэтому токи тиристоров VS1 и VS2 имеют прямоугольную форму. Ток активно-индуктивной нагрузки имеет плавное изменение, и разность токов тиристора и нагрузки компенсируется током конденсатора. Конденсатор заряжается на интервале, когда ток тиристора превышает ток нагрузки, и разряжается, если ток нагрузки превышает ток источника. В результате конденсатор перезаряжается дважды за период выходного напряжения. Напряжение конденсатора накладывается на э.д.с. источника Е, и напряжение на выходе инвертора содержит постоянную составляющую Е и переменную составляющую, определяемую напряжением на конденсаторе. Напряжение на входе имеет значительные пульсации, возрастающие с уменьшением ёмкости конденсатора С при неизменных параметрах RL-нагрузки.

Мостовая схема инвертора тока приведена на рис 4.2а.

Она включает в себя мост тиристоров VS1-VS4, коммутирующие конденсаторы C1, C2, отсекающие диоды VD1-VD4 и RL-нагрузку. Тиристоры управляются попарно (VS1, VS2 и VS3, VS4) со сдвигом по фазе на 180⁰. Коммутирующие конденсаторы выполняют функцию источников напряжения, прикладываемого в обратном направлении к тиристорам во время выключения, и обеспечивают обмен реактивной энергией с индуктивностью нагрузки.

На интервале включены тиристоры VS1 и VS2. Ток нагрузки постоянный, замыкается по цепи: VS1 – VD1 – Lн – Rн – VD2 – VS2. Конденсаторы С1 и С2 заряжены так, как указано на рис. 4.2б без скобок.

В момент включаются тиристоры VS3 и VS4. Под действием напряжения конденсаторов С1 и С2 происходит мгновенное переключение тока нагрузки с тиристоров VS1, VS2 на тиристоры VS3, VS4. Ток нагрузки замыкается по цепи: VS3 – C1 – VD1 – Lн – Rн – VD2 – C2 – VS4. Напряжение на конденсаторах С1, С2 изменяется линейно в процессе перезаряда постоянным током нагрузки. В момент конденсаторы разряжены, обратное напряжение, приложенное к тиристорам VS1 и VS2, равно нулю. Интервал должен быть достаточным для восстановления тиристорами защитных свойств. В момент напряжение на конденсаторах равно напряжению на нагрузке и имеет полярность, указанную в скобках (рис. 4.2б). Дальнейшее повышение напряжения приводит к смещению диодов VD3, VD4 в прямом направлении и начинается вторая ступень коммутации, сопровождающаяся изменением направления тока в нагрузке. Ток источника перераспределяется между нагрузкой и конденсаторами, дополнительно заряжая их и вызывая изменение тока нагрузки. Ток диодов VD3, VD4 увеличивается до I, а VD1, VD2 уменьшается до нуля. В этот момент коммутация инвертора заканчивается.

Благодаря отсекающим диодам конденсаторы C1, C2 оказываются “отделёнными” от нагрузки на интервале между коммутациями и не участвуют в энергообменном процессе. Обмен энергией между нагрузкой и конденсаторами происходит на интервале коммутации. Ёмкость конденсаторов должна быть достаточной для обеспечения необходимого времени для запрания тиристоров. Ёмкость конденсаторов также определяет значение напряжения, до которого они заряжаются.

Схема трёхфазного мостового инвертора тока приведена на рис. 4.3а.

Принцип действия и схемные решения аналогичные однофазному АИТ. Особенностью является то, что в процессе коммутации конденсаторы C1, C3, C5 и C2, C4, C6 включены в контур тока в виде двух параллельных ветвей (один конденсатор и два последовательных конденсатора).

В межкоммутационный интервал перед коммутацией тиристора VS3 включены тиристоры VS1 и VS2. Ток нагрузки замыкается через VS1, VD1, фазы а и с, VD2, VS2. Конденсаторы С1, C5 заряжены, конденсатор С3 разряжен. После включения VS3 конденсатор С1 подключается параллельно VS1 и запирает его обратным напряжением. Ток нагрузки переводится в цепь VS3. Ток тиристора VS3, равный I, разделяется в отношениях 2/3 и 1/3 между конденсатором C1 и C3, C5. Конденсатор C1 разряжается постоянным током . При этом ток через отсекающий диод VD3 не протекает до тех пор, пока напряжение U_C1 не станет ниже значения . При дальнейшем уменьшении U_C1 диод VD3 открывается и его ток нарастает от нуля до I, а ток диода VD1 уменьшается до нуля. При этом ток фазы a переходит в фазу b.

Следующая коммутация происходит при включении тиристора VS4 и аналогичные процессы происходят в группе конденсаторов C2, C4, C6. В результате этой коммутации ток переходит из фазы с в фазу а в обратном направлении.

Трёхфазные АИТ находят применение в бесколлекторном электроприводе.