2233

10.С-фильтр подключают к выходу выпрямителя:

1)последовательно с нагрузкой;

2)параллельно нагрузке.

11.L-фильтр подключают к выпрямителю:

1)последовательно с нагрузкой;

2)параллельно нагрузке.

12.В однофазном двухполупериодном выпрямителе с нулевой точкой без сглаживающих фильтров вышел из строя один из вентилей (обрыв цепи). Тогда выпрямленное напряжение уменьшится:

13. В однофазном двухполупериодном выпрямителе с С-фильтром на холостом ходу вышел из строя один из вентилей (обрыв цепи). Выпрямлен-

14. В мостовом однофазном выпрямителе без фильтров потерял проводимость один из вентилей. Выходное напряжение уменьшится:

15. В однофазном мостовом выпрямителе пробит (короткое замыкание) вентиль В1. В результате:

1)напряжение на выходе не изменится;

2)напряжение уменьшится в 2 раза;

3)напряжение уменьшится в 3 раз;

4)будет пробит вентиль В4;

5)будут пробиты все вентили.

16. В однофазном мостовом выпрямителе с С-фильтром потерял проводимость один из вентилей. Выходное напряжение на холостом ходу:

17. К однофазному мостовому выпрямителю на холостом ходу подключен L-фильтр. Выходное напряжение:

1) не изменится; 2) увеличится; 3) уменьшится.

18. В трехфазном однополупериодном выпрямителе выпрямленное напряжение больше, чем в однофозном однополупериодном выпрямителе:

19. В трехфазном выпрямителе с выводом нулевой точки выходное напряжение Uвых равно:

20. К трехфазному однополупериодному выпрямителю с С-фильтром подведена трехфазная система напряжений с величиной фазного напряжения Uф = 100 В. Выпрямленное напряжение равно:

21. В трехфазном мостовом выпрямителе выходное напряжение равно 100 В. После обрыва одного линейного провода выходное напряжение приняло значение:

22. В трехфазном мостовом выпрямителе выпрямленное напряжение имеет значение Uвых = 100 В. После удаления из схемы вентилей В1 и В2 напряжение приняло значение:

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

На практике часто возникает необходимость преобразования постоянного напряжения в переменное или получения нескольких постоянных напряжений разных значений.

Преобразователи, у которых на выходе имеется переменное напряжение, называют инверторами. Преобразователи, имеющие на выходе постоянное напряжение одного или нескольких значений, называютконверторами.

Основными элементами инверторов и конверторов являются коммутирующие приборы (устройства), которые периодически прерывают ток или изменяют его направление. В качестве коммутирующих приборов в настоящее время применяют «бесконтактные ключи» тиристоры и транзисторы, работающие в режиме «открыт – закрыт», благодаря чему КПД инверторов и конверторов высок и может достигать 99%. К этому следует добавить, что полупроводниковые ключи и преобразователи на них имеют малые габариты, массу и стоимость, большой срок службы.

Инверторы

Инверторы классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются:

31

а) тип коммутирующих приборов – тиристорные и транзисторные инверторы;

б) принцип коммутации – ведомые сетью и автономные инверторы; в) род преобразуемой величины – инверторы тока и инверторы на-

пряжения.

Тиристорные инверторы – инверторы большой выходной мощности, поскольку современные тиристоры выпускают на напряжения, равное нескольким киловольтам, и на токи до сотен ампер, чего нельзя сказать о транзисторах.

Транзисторные инверторы выпускают на малую и среднюю мощность, не превышающую нескольких киловатт.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. На рис. 34 изображена схема такого инвертора, представляющая собой однофазный двухполупериодный инвертор с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Между средней точкой О и узлом С включен источник постоянной ЭДС Е. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если

угол управления 900 (рис. 34, б). При 900 среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю.

Рис. 34. Схема однофазного двухполупериодного ведомого сетью инвертора (а) и временные диаграммы напряжений при фиксированных углах управления (б)

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток i1 и напряжение u1 находились

32

в противофазе (рис. 34, а, 35, а). Подобный сдвиг фаз возможен в том случае, если тиристоры поочередно будут открываться при отрицательной полярности напряжений u2а и u2b (см. рис. 35, а). При этом происходит поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е.

Рис. 35. Временные диаграммы напряжений и токов однофазного двухполупериодного, ведомого сетью инвертора при фиксированных углах управления α

Здесь необходимо учитывать следующие обстоятельства: если очередной тиристор отпирать точно при угле управления 1800 , то при этом другой транзистор не успеет закрыться, так как для этого ему нужно время, равное tвыкл . Тогда запирающийся тиристор за это время создаст короткое замыкание по цепи «вторичная обмотка трансформатора – источник Е». Указанное явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы устранить этот нежелательный процесс, необходимо сделать угол управления <1800 . Запирание и отпирание тиристоров происходит под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Поэтому такой инвертор называют инвертором, ведомым сетью.

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоянного тока работают в двигательном режиме и получают питание от выпрямителя, а при торможении они переходят в генераторный режим и отдают энергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекупера-

цией.

33

Для перевода устройства из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо, чтобы генератор Е включался с полярностью, обратной полярности при выпрямлении, и при этом обеспечивалось появление токов через открытые тиристоры при отрицательной полярности напряжений

u2а , u2б .

Следует отметить еще один способ перехода от выпрямления к инвертированию и наоборот, который широко применяется для управления скоростью и направлением вращения двигателей. Этот способ, являющийся наиболее экономичным, используется в реверсивных преобразователях

(рис. 36).

Рис. 36. Схема преобразователя для реверсивного электропривода постоянного тока

При этом способе тиристоры включены в две трехфазные группы обмоток I и II, соединенные зигзагом. Выходы преобразователей соединяют с зажимами машины встречно, т.е. нейтральную точку О1 группы обмоток I подключают к минусовому зажиму машины, а нейтральную точку О2 группы обмоток I I – к плюсовому зажиму. При указанном соединении группа преобразователей I работает в выпрямительном режиме, а группа преобразователей I I – в инверторном режиме, который и обеспечивает рекуперативное торможение двигателя, а следовательно, изменение частоты вращения. Для изменения направления вращения двигателя (ре-

34

верс) изменяют функции групп преобразователей, т.е. группа преобразователей I будет работать как инвертор, а группа преобразователей I I – как выпрямитель.

Для обеспечения безаварийной работы нельзя допускать, чтобы постоянное напряжение генератора Е увеличивалось, а переменное напряжение сети уменьшалось. Если это произойдет, то увеличится время коммутации тиристоров, что может привести к короткому замыканию, о котором было сказано ранее, и выходу из строя устройства.

В инверторном режиме среднее значение напряжения определяется выражением

Uн =Uн0cos = Uн0cos .

В этом режиме ЭДС генератора Е должна быть больше напряжения Uн ,чтобы компенсировать возникающие при передаче энергии потери:

Uн =Uнхcos +ΔUк+ Uд+ Uтр ,

где Uнх, Uk, Uд и Uтр – соответственно напряжение холостого хода на вторичной обмотке трансформатора, падение напряжения, определяемое интервалом коммутации, падение напряжений на прямом сопротивлении диода и на вторичной обмотке трансформатора.

Рис. 37. Семейство внешних характеристик инвертора, ведомого сетью, при фиксированных значениях угла опережения

Следует отметить, что инвертор при значительных углах управления β может работать при больших нагрузочных токах, что видно из семейства внешних характеристик инвертора Uнβ=ƒ(Iн) (рис. 37).

Автономные инверторы

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку. Они применяются в тех случаях, если необходимо:

35

а) иметь переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии топливные элементы, МГД-генераторы, термо- и фотоэлектрические генераторы, контактная сеть электрического транспорта, аккумуляторы и т.д.;

б) преобразовать постоянное напряжение одного значения в постоянное напряжение требуемого значения;

в) получить переменный ток высокой частоты для электротермических установок, с помощью которых плавят металлы, нагревают, сушат и закаливают изделия.

Наряду с такими главными элементами инверторов, как транзисторы и тиристоры, ни один автономный инвертор не обходится без конденсатора. Этот элемент в инверторе необходим для того, чтобы обеспечивать запирание тиристоров и формировать выходное напряжение инвертора.

Автономные инверторы подразделяют на автономные инверторы тока (АИТ), автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР).

В автономном инверторе тока (АИТ) источник питания работает в режиме источника тока, что достигается включением в цепь дросселя L0 с большой индуктивностью (рис. 38, а).

Рис. 38. Схема (а) и временные диаграммы напряжений

итоков (б) автономного инвертора тока

Винверторах тока применяют только тиристоры. Тиристоры ТР1 и ТР2 открываются поочередно запускающими импульсами, поступающими от блока системы управления (СУ). Работу АИТ иллюстрируют временные диаграммы, изображенные на рис. 38, б. При появлении первого запускающего импульса uвх1 от блока системы управления тиристор ТР1 открывается. Вследствие резкого уменьшения сопротивления тиристора ТР1 левая половина первичной обмотки трансформатора оказывается подклю-

36

ченной к источнику и в ней появляется нарастающий ток, который наводит ЭДС в правой половине первичной обмотки и во вторичной обмотке. При этом коммутирующий конденсатор Ск оказывается под удвоенным напряжением источника питания Е, до которого он заряжается. Полярность напряжения на нем указана без скобок.

Следующий запускающий импульс uвх2 включает тиристор ТР2. Появившийся при включении тиристора ТР2 нарастающий ток в правой половине первичной обмотки трансформатора создает соответствующие ЭДС в первичной и вторичной обмотках трансформатора, но другого направления. Конденсатор Ск через открытый тиристор ТР2 оказывается подключенным к тиристору ТР1, причем с такой полярностью,, что плюсовая обкладка соединяется с катодом, а минусовая – с анодом. Это должно привести к запиранию тиристора ТР1, что происходит через некоторое время t выкл (указанное в паспорте тиристора).

Таким образом, конденсатор Ск, помимо разрядки через первичную обмотку трансформатора, некоторое время разряжается через оба открытых тиристора. Как только тиристор ТР1 закроется, разрядка конденсатора Ск прекращается и сразу же начинается его перезарядка до удвоенного значения напряжения питания Е, но противоположной полярности. Полярность напряжения на обкладках конденсатора указана в скобках. С приходом следующего и всех последующих импульсов процессы повторяются.

Для устойчивой работы рассматриваемого АИТ необходимо, чтобы ранее открытый тиристор надежно запирался. Анализ временных диаграмм показывает, что это становится возможным тогда, когда ток открытого тиристора iтр1 опережает по фазе напряжение на нем. Если фазовый сдвиг будет больше времени « восстановления» tвыкл тиристора, то АИТ будет работать устойчиво. Для создания такого «опережения» при активноиндуктивной нагрузке индуктивное сопротивление нагрузки XLН, приведенное к первичной обмотке трансформатора, должно быть меньше емкостного сопротивления конденсатора Ск .

Существенным недостатком АИТ является ндопустимость его работы на холостом ходу, т.к. возникающие при этом перенапряжения, вызываемые появлением ЭДС самоиндукции при переключениях тиристоров, могут вывести из строя тиристоры и конденсатор. Для устранения указанного недостатка применяют АИТ с «отсекающими» диодами (рис. 39).

Включение диодов Д1 и Д2 между конденсатором Ск и первичной обмоткой трансформатора препятствует разрядке конденсатора через трансформатор, исключая тем самым влияние нагрузки на работу инвертора. Эта схема АИТ обеспечивает устойчивую работу инвертора при любом виде нагрузки.

В автономном инверторе напряжения (АИН) источник питания рабо-

тает в режиме источника напряжения. Как правило, параллельно источнику

37

питания включают конденсатор большой емкости (рис. 40), который практически исключает пульсации напряжения при коммутации тиристоров.

Рис. 39. Схема автономного инвертора тока

с«отсекающими» диодами

Вмаломощных АИН кроме тиристоров применяют транзисторы. Работа АИН рассматривается на примере однофазного мостового преобразователя (см. рис. 40). Напряжение на активной нагрузке Zн появляется при поочередном попарном включении транзисторов ТР1, ТР4 и ТР2, ТР3, которые управляют входными импульсами, поступающими от СУ.

Рис. 40. Схема однофазного мостового автономного инвертора напряжения

С приходом управляющего (входного) импульса uу1 открывается первая пара тиристоров ТР1, ТР4 и закрываются ранее открытые тиристоры ТР2, ТР3, а на нагрузке Zн появляется напряжение положительной полярности, равное ЭДС Е источника питания, что изображено на рис. 41. Появление следующего управляющего (входного) импульса uу2 приводит к отпиранию тиристоров ТР1, ТР4. Возникающее при этом напряжение, равное Е

38

на нагрузке Zн, имеет отрицательную полярность (рис. 41). Таким образом, в АИН напряжение на нагрузке имеет прямоугольную форму.

Рис. 41. Временные диаграммы напряжений и токов инвертора

При поочередных переключениях пар транзисторов ток iн в активноиндуктивной нагрузке Zн согласно первому закону коммутации не может измениться скачком. Поэтому он продолжает сохранять свое направление в течение некоторого времени t, плавно уменьшаясь до нуля (рис. 41). Только после этого ток iн изменяет свое направление на обратное. В такие интервалы времени t ток iн не может пройти через тиристоры, так как одна пара тиристоров вообще закрыта, а другая пара открыта, но ток iн для открытых тиристоров имеет обратное направление.

Включенные параллельно тиристорам в обратном направлении диоды Д1 – Д4, называемые обратными, предназначены для прохождения тока iн в

39