13. Тиристорні перетворювачі частоти змінного струму

За допомогою тиристорів, крім керованих випрямлячів змінного струму, можна побудувати пристрій, що перетворює постійний струм у змінний. При цьому частота може бути регульованою. Такий пристрій називається інвертором. За допомогою інвертора і керованого випрямляча можна побудувати перетворювач частоти змінного струму (тиристорний перетворювач частоти – ТПЧ).

13.1. Автономний інвертор

У тиристорних перетворювачах частоти змінного струму найбільш широко використовуються так звані автономні інвертори (АІ), у яких використовуються мостові схеми включення тиристорів. Перетворення в них постійного струму у змінний заданої частоти здійснюється при відповідній послідовності переключення тиристорів, що забезпечується системою керування автономних інверторів. Ця система виконує досить складну функцію регулювання частоти переключення тиристорів і змінної напруги на виході автономного інвертора. За деякими схемотехнічними особливостями і процесами, що протікають в схемі, АІ поділяються на автономні інвертори напруги (АІН), автономні інвертори струму (АІС) та автономні резонансні інвертори (АІР).

На рис. 13.1 проілюстровано принцип роботи АІН. Формування кривої напруги на навантаженні U_Н відбувається при почерговому включенні навхрест розташованих тирісторів. Спочатку включені тиристори VS1 і VS4, потім – VS2 і VS3. Крива вихідної напруги U_Н подана часовою діаграмою і має вигляд послідовності двополярних імпульсів. Амплітуда U_Н буде дорівнювати Е за винятком падіння напруги на двох відкритих тиристорах. Частота вихідної напруги f буде відповідати частоті переключення зазначених груп тиристорів. Струм у навантаженні i_Н визначається його характером. На діаграмі представлена крива i_Н для навантаження активно-індуктивного характеру. При цьому, як ми бачимо, у кожному півперіоді струм деякий час має напрямок, зворотний до тиристорів. Для його пропускання на цих інтервалах у схему включені діоди VD1 – VD4.

Якщо в інверторі використовуються одноопераційні тиристори, схема повинна доповнюватися комутаційними вузлами для примусового запирання тиристорів (на рис. 13.1 не показано). При використанні двоопераційних тиристорів або транзисторів вузли примусової комутації не потрібні.

На рис. 13.2 показано спрощену схему трифазного автономного інвертора напруги. Вона складається з одноопераційних тиристорів VS1 – VS6, що включені за мостовою схемою, зворотних діодів VD1 – VD6, відсікаючих діодів VD7 – VD12, комутуючих конденсаторів С1 – С6, дроселів L1 і L2. Порядок переключення тиристорів такий самий, як і в трифазній мостовій схемі випрямлення (див. рис. 12.16).

Нагадаємо, що одноопераційний тиристор при наявності напруги на електроді керування відкривається, а при знятті цієї напруги, без відповідних умов, самостійно не закривається. Для запирання тиристорів VS1 – VS6 використовуються конденсатори С1 – С6. Розглянемо момент, коли відкриті тиристори VS1 і VS6. Конденсатори С1, С3, С4 і С6 при цьому відносно катодів відповідно VS2, VS3 VS4 і VS5 заряджені з полярністю, що показано на рисунку. У наступний момент, коли відкривається VS2, напруга на його катоді “підіймає” заряд конденсатора С1 над катодом VS1. Ця сумарна напруга є зворотною для останнього і він запирається одночасно із заряджанням С2. Через один такт (відкриття VS4 – закриття VS6 напругою на С4) вже С2 закриє VS2 при відкриванні VS3. Цей ланцюговий процес проходить безперервно до зняття напруги живлення або керуючих імпульсів.

Діоди VD1 – VD6 і конденсатор С0 на вході інвертора забезпечують прийом реактивної енергії, яку повертає навантаження. Діоди VD7 – VD12 відділяють тиристорну групу від навантаження.