Теория и средства преобразования постоянного тока в переменный

План лекции:

1. Принцип действия инверторов, ведомых сетью

2. Современная элементная база инверторов

1. Принцип действия инверторов, ведомых сетью

Инвертор, ведомый сетью (зависимый инвертор), передает энергию от источников постоянного тока в сеть переменного тока, напряжение и частота в которой заданы другими более мощными источниками тока. Однофазная нулевая схема зависимого инвертора представлена на рис.1.

Рис. 1. Однофазный ведомый сетью

инвертор

Сравнение ее со схемой управляемого выпрямителя показывает полную идентичность их элементов; различие заключается только в том, что вместо нагрузочного резистора в инверторе включен источник энергии постоянногополярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя. Одна и та же вентильная схема может использоваться и в выпрямительном, и в инверторном режимах. Речь идет не столько о различных преобра­зователях, сколько о выпрямительно-инверторном преобразователе, способном функционировать в двух названным режимах, отличающихся направлением потока энергии. В выпрямителе энергия из сети переменного тока поступает в цепь постоянного тока (U_d, i_d), в инверторе из сети постоянного тока (U_d, i_d) в сеть переменного тока. Напряжение u_d и ток i_d в инверторе называется входными.

Рис.2. Временные диаграммы инвертора

Обратимся к временным диаграммам рис.2. На интервале полярность u_d (t) и направление i_d (t) совпадают, следовательно, мощность передается из цепи переменного тока в нагрузку. На интервале ток течет в прежнем направлении, а напряжениеu_d меняет знак, следовательно, цепь постоянного тока возвращает энергию в сеть переменного тока. Очевидно, что в инверторном режиме второй интервал, при котором энергия передается в сеть переменного тока, должен быть длиннее первого, т.е. (—0) >()или

. (1)

Выражение (1) - это первое условие осуществления инверторного режима. Второе условие — это работа цепи постоянного тока в режиме источника энергии, для этого полярность напряжения U_d и направление тока I_d должны быть противоположны.

Рис.3. Временные диаграммы тюков и напряжений в однофазном ведомом сетью инвентаре при Ха=0(а), Ха>0 (б)

Подключение источника Е_н минусом к катодам тиристоров приводит к возрастанию длительности протекания тока через тиристоры инвертора , ипри осуществляетсярежим непрерывного тока.

На рис.3,а представлены временные диаграммы при работе зависимого инвертора без учета процессов коммутации ( X_a=0) . Сравнение диаграмм (рис.3 и 2) показывает, что в этих диаграммах различны только значения угла управления: <в выпрямителе и инверторе. В момент подается управляющий импульс на тиристор VI, при открывании тиристора u_d=e₂, ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и цепь постоянного тока L_d,E_и. При этом напряжение u_d и ток i_d имеют одно направление и энергия передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. В момент изменяется полярность е₂=u_d, начинается передача энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. Протекание тока через V1 при отрицательном напряжении на аноде обеспечивается приложением к катоду отрицательного потенциала источника Е_и. В момент управляющий импульсподается на V2, и процесс повторяется.

На рис.4, а показана полная регулировочная характеристика вентильного преобразователя в режиме непрерывного тока. При и преобразователь является выпрямителем, при — осуществляется инверторный режим.

Рис. 4. Регулировочная характеристика выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме непрерывного тока (а), регулировочная (б), входная и ограничительная (в) характеристики ведомого сетью инвертора

При рассмотрении инверторов, используются обозначения: (— угол опережения, показан на рис.3, а) и E_d=—E_d — противо-ЭДС инвертора. Подставив в уравнение регулировочной характеристики , получим Е_d = E_d0 cos = -E_d0 cos= -E. Зависимостьназывается регулировочной характеристикой ведомого сетью инвертора (рис.4,б); она представляет собой симметричное отображение части характеристики (рис.4,а).

При отсутствии потерь в дросселе L_d среднее значение напряжения U= U_d должно быть равно напряжению источника Е_и. При увеличении Е_и>Е_d возрастает ток I_d. Учтем влияние анодных индуктивностей на коммутационные процессы. Временные диаграммы представлены на рис.3, б. Индуктивности трансформатора X_а

препятствуют нарастанию и спаду анодных токов, поэтому на протяжении угла коммутации VI и V2 открыты одновременно при этом u_d (t)=0. Как и в управляемом выпрямителе коммутационное падение напряжения U_x уменьшает положительную часть u_d, среднее значение U_d с ростом I_d и уменьшается, аU_d = U_d увеличивается.

Среднее значение напряжения U_d рассчитаем по формуле

(2)

поскольку данное выражение справедливо в режиме непрерывное тока при любом . Подставив в (2) , получим

или (3)

Зависимость U_d =f (I_d) (рис. 4, в) называется входной характеристикой инвертора (ток I_d— входной ток, напряжение U_d-входное напряжение). Выражение (3) позволяет связать напряжение источника Е_и со средним значением U.

.

При увеличении Е_и. при =const увеличивается I_d и уве­личивается мощность, передаваемая в сеть переменного тока. Если при увеличении Е_и необходимо поддерживать I_d=const, надс увеличить , т. е. уменьшить ; при этом также возрастает мощность, передаваемая со входа инвертора в сеть переменного тока. Максимальное значение инвертируемой мощности достигается при (=0). Однако этот режим в реальных инверторах наоднооперационных тиристорах, как показывается ниже, неосуществим и углы управления ограничены значениями

Рассмотрим кривую анодного напряжения на тиристоре V1 на временных диаграммах (рис.3,б). Для осуществления надежного запирания тиристора после того, как через него проходил ток, необходимо, чтобы в течение интервала, длительность которого не менее t_в, к тиристору было приложено обратное напряжение. Время выключения t_в является паспортным параметром тиристора.

По диаграммам (рис.3,б) видно, что отрицательное анодное напряжение поддерживается на тиристоре на интервале длительностью ()• Следовательно, надежное запираниетиристоров выполняется при условии , ограничивающем угол . При невыполнении этого условия тиристор припоявлении на аноде положительного напряжения вновь включится в работу без управляющего сигнала. Одновременная проводимость двух тиристоров инвертора приведет к короткому замыканию трансформатора и источника постоянного тока, дальнейшая коммутация тиристоров окажется невозможной и возникнет аварийный режим, называемый опрокидыванием инвертора.

Как видно из рассмотренного описания работы инвертора, коммутация вентилей, т.е. выключение одного из них при отпирании другого и переход на него тока i_d, осуществляется, как и в выпрямителе, за счет переменного напряжения сети. Если это напряжение почему-либо исчезнет, например при коротком замыкании в сети, коммутация окажется невозможной и произойдет опрокидывание инвертора. Эта зависимость работы инвертора от напряжения сети отражена в его названии: инвертор, ведомый сетью, или зависимый инвертор.

В режиме I_d=0 угол коммутации ,, максимальноезначение E_d, при котором возможна коммутация,. При увеличении тока I_d растет угол коммутации , увеличивается и уменьшается .Зависимость называется ограничительной характеристикой ведомого инвертора, она показана на семействе входных характеристик (рис.4,в).

Устойчивая работа инвертора без опасности опрокидывания возможна только при выборе таких значений тока I_d и угла,которые соответствуют значениям U_d, лежащим ниже ограничительной характеристики OX:

Ведомые сетью инверторы широко используются в преобразовательной технике. Наряду с инверторами, которые работают постоянно (например, на приемном конце линии передачи постоянного тока), существуют преобразователи, которые попеременно работают в выпрямительном и инверторном режиме. Например, перевод преобразователя для электропривода с двигателем постоянного тока в инверторный режим позволяет осуществить ускоренное торможение этого двигателя.