Однофазный мостовой инвертор напряжения

Принцип действия и методику расчёта его параметров рассмотрим на примере однофазного мостового инвертора напряжения на тиристорах с одноступенчатой межвитковой коммутацией. Схема инвертора приведена на рис. 2.17.

Источником постоянного напряжения, питающего инвертор, служит выпрямитель, подключаемый к сети переменного тока непосредственно или через трансформатор.

Рабочие тиристоры (VS1 и VS4, VS3 и VS2) отпираются попарно с относительным фазовым сдвигом, равным 180 электрическим градусам, управляющим напряжением U _у1,4 или U _у3,2.

Отпирающие импульсы вырабатываются системой управления инвертором, которая будет рассмотрена в следующей главе. Коммутирующий конденсатор С ₂, токоограничивающие дроссели L ₁ и L ₂, а также возвратные секции W ″₁первичной обмотки выходного трансформатора выполняют функцию принудительного запирания выходящей из работы пары тиристоров.

Диоды VD1....VD4 образуют обратный выпрямительный мост и предназначены для возврата реактивной энергии из цепи нагрузки в источник питания. Пусть в первый полупериод в интервале 0 < σ < π открыты тиристоры VS1 иVS4, при этом ток источника питания замыкается по контуру: + U_d → L ₁ → первичная обмотка выходного трансформатора → L ₂ → - U_d.

Напряжение питания, за вычетом падения напряжения на двух открытых тиристорах, прикладывается к первичной обмотке выходного трансформатора (рис. 2.17).

                            (2.9)

Коммутирующий конденсатор заряжен до напряжения U ₁ с полярностью указанной на рисунке без скобок.

Напряжение на нагрузке определяется коэффициентом трансформации выходного трансформатора.

.                 (2.10)

Через интервал времени t = π отпирающие импульсы подаются на вторую пару тиристоров (VS3 и VS2). При этом работавшие ранее тиристоры VS1 и VS4 автоматически запираются и выходят из работы. Процесс их принудительного выключения происходит следующим образом. После отпирания тиристоров VS3 и VS2 напряжение заряженного конденсатора С ₂прикладывается в обратной полярности к вентилям VS1 и VS4. Это ведёт к быстрому спаду до минимума тока через эти тиристоры, и они запираются.

После закрытия тиристоров работающей группы коммутационный конденсатор С ₂ начинает перезаряжаться по контуру: + U_d → L ₁ →VS3 → С ₂ →VS2 → - U_d. Диоды обратного моста VD1..VD4 при этом закрыты. В процессе перезаряда отрицательное напряжение на тиристорах VS1 и VS4 уменьшается. К концу интервала коммутации конденсатор С ₂ оказывается заряженным до напряжения - U_d с полярностью, указанной на рис. 2.17 в скобках.

На анодах тиристоров VS1 и VS4 восстанавливается положительное напряжение. Время, в течениекоторого на отключающихся тиристорах действует обратное напряжение, должно бытьбольше времени,необходимого тиристору для восстановления своих запирающих свойств.

В противном случае, с появлением положительного напряжения на анодах отключающихся тиристоров последние снова откроются и в схеме окажутся проводящими все четыре тиристора, что вызовет срыв нормального процесса инвертирования и короткое замыкание источника питания инвертора.

Сцелью уменьшения скорости перезаряда конденсатора С ₁,атакже для снижения скорости нарастания тока через тиристоры, последовательно с конденсатором включены коммутирующие дроссели L ₁ и L ₂. Их параметры и конструкция выбираются так, чтобы перезаряд конденсатора носил колебательный характер, и в течение части периода собственных колебаний контура отключающихся тиристорах поддерживалось отрицательное напряжение.

После переключения тиристоров, сопровождающегося изменением напряжения на обмотках, ток первичной обмотки i ₁ из-за индуктивного характера нагрузки сохраняет своё прежнее направление, замыкаясь сначала через коммутирующий конденсатор и участвуя тем самым в его перезарядке. Когда в процессе колебательного перезаряда напряжение в точке «В» станет положительным и, более того, по абсолютной величине больше U_d, а напряжение в точке «А» станет более отрицательным, чем «минус» источника, откроются диоды VD3 и VD2, что вызовет прекращение роста напряжения конденсатора С ₂. Таким образом, это напряжение ограничивается величиной U_d (рис. 2.18).

Если к моменту окончания перезаряда конденсатора С ₂ реактивный ток нагрузки ещё не снизился до нуля (что имеет место при малых значениях cos φ), то в интервале π < t < π + σ он продолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по контуру: первичная обмотка трансформатора → источник питания → VD2. При этом энергия, запасённая в индуктивности нагрузки, возвращается в источник питания. На рис. 2.18 путь протекания реактивного тока в интервале рекуперации энергии показан пунктиром.

Если в качестве источника питания используется выпрямитель с односторонней проводимостью, то на входе инвертора устанавливается накопительный конденсатор С ₁, создающий путь протекания импульсов реактивного тока. Под действием противо-ЭДС источника питания реактивный ток первичной обмотки выходного трансформатора в момент t = σ становится равным нулю и, изменяя своё направление, переходит в цепь тиристоров VS3 и VS2. При этом от источника питания вновь начинает потребляться энергия. В момент времени t = 2πвновь включаются тиристоры VS1 и VS4, и реактивный ток нагрузки в интервале периода коммутации 2π < t < 2π + σпротекает через диоды. Схема инвертора, реализованная на идеальных элементах, оказывается неработоспособной. Это объясняется тем, что в течение интервала коммутации к моменту отпирания обратных диодов VD3 и VD2 запас электромагнитной энергии в дросселях L ₁ и L ₂ несколько возрастает. Для нормальной работы схемы избыточную энергию необходимо либо рассеять в активных сопротивления образовавшихся контуров разряда индуктивностей (L ₁ → VS3 → VD3 → L ₁ и L ₂ → VD2 → VS2 → L ₂),либо возвращать в источник питания. Более определенный и надёжный – второй способ.

В противном случае при коммутации ток в индуктивностях L ₁ и L ₂ будет возрастать, что неизбежно приведёт к уменьшению времени, в течениекоторого на отключающихся тиристорах действует обратное напряжение. Следствием этого уменьшения будет «опрокидывание» инвертора. Для возврата избыточной энергии из контуров коммутации в источник питания и повышения КПД инвертора диоды обратного выпрямителя подключены к отводам первичной обмотки выходного трансформатора. В результате при разряде противо-ЭДС дросселя преодолевает ЭДС возвратной секции W ₁ ", равную (W ₁"/ W ₁')· U ₁, что сопровождается рекуперацией энергии в источник питания. Более подробно анализ электромагнитных процессов в силовой части и контурах коммутации приведён в [9, 10]. Мгновенное значение тока нагрузки, приведённое к первичной обмотке выходного трансформатора (без учёта коммутационных процессов), в интервале 0 < t <π описывается выражением:

                        (2.11)

где R ' _н = R _н / n ²–приведённое к первичной обмотке сопротивление нагрузки; k = R ' _н / ω· L _н–параметр нагрузки; L ' _н = L _н / n ² –приведённая индуктивность нагрузки; σ = ω - t – временной угол; .

Напряжение на первичной обмотке трансформатора по форме близко к прямоугольному и приближённо может быть представлено в виде гармонического ряда

                         (2.12)

Достоинством схемы является то, что выходное напряжение слабо зависит от величины и характера нагрузки инвертора. Инвертор имеет жёсткую внешнюю характеристику, устойчив при перегрузках и в режиме малых нагрузок.

РАСЧЕТ И ВЫБОР ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕНТИЛЕЙ СИЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ