Д.2.4 Автономні інвертори напруги на одноопераційних тиристорах

В сучасних нових розробках АІН, як уже відзначалось раніше, перева­га надається повністю керованим вентилям (двоопераційним тиристорам та IGBT-транзисторам), але в експлуатації ще знаходиться велика кількість АІН, в яких використані одноопераційні тиристори. З точки зору побудови силових кіл та алгоритму їх роботи АІН з одноопераційними тиристорами принципово не відрізняються від розглянутих вище. Різниця полягає в то­му, що для запирання одноопераційних силових тиристорів в схемах засто­совуються спеціальні допоміжні вузли примусової (штучної) комутації. В цих вузлах, як правило, використовуються конденсатори, індуктивності та допоміжні керовані і некеровані вентилі.

В даному параграфі неможливо охопити ту безліч розроблених схем штучної комутації, що застосовуються в автономних інверторах. Назвемо лише деякі з основних принципів, які використовуються в таких вузлах. За способом комутації (запирання) тиристорів інвертори розподіляються на інвертори з індивідуальною, пофазною, міжфазною, міжвентильною, груповою та загальною комутацією. Крім того, комутація може бути паралельною чи послідовною, одноступінчастою чи двоступінчастою. Нижче розглянемо лише декілька (причому трифазних) схем АІН на одноопераційних тиристорах.

На рис. Д.2.12 показана трифазна мостова схема АІН з міжвентильною комутацією тиристорів, відсікаючими діодами та зворотним діодним мостом (мостом реактивного струму), яка є досить простою і розповсюдженою в перетворювачах частоти з проміжною ланкою постійного струму.

О

Рис. Д.2.12

+U_d

-U_d

сновними комутуючими вентилями є одоноопераційні ти­ристори VS1-VS6, зворотний міст для обміну реактивною потужні­стю між навантаженням та джере­лом живлення зібраний на діодах VD1-VD6, а діоди VD7-VD12 ви­конують роль відсікаючих вен­тилів, які відокремлюють наван­таження від комутуючих конден­саторів С1-С6. В контур перезаряджання конденсаторів входять ще кому­туючі дроселі L1 та L2 (відповідно для анодної та катодної груп тиристорів).

В

Рис. Д.2.13

цій схемі тривалість відкритого стану кожного тиристора складає 120^о і порядок їх перемикання такий: VS1-VS6-VS3-VS2-VS5-VS4-VS1. Запирання кожного тиристора здійснюється при відкриванні кожного наступного по порядку роботи тиристора іншої фази, але тієї ж групи. Так, наприклад, якщо відкриті тиристори VS1 та VS6 і комутуючі конденсатори в результаті попередньої роботи схеми заряджені до полярностей, вказаних без дужок, то закриванняя тиристора VS1 відбувається при відкриванні VS3. При цьому до VS1 від конденсатора С1 прикладається зворотна напруга, яка майже рівна U_d, і VS1 практично закривається миттєво, а на протязі часу розряду конденсатора С1 до нуля по контуру С1-VD7-VD1-L1-VS3-C1 до тиристора VS1 прикладається від’ємна напруга, яка сприяє швидкому відновленню його запираючих властивостей. Одночасно створюється контур +U_d-L1-VS3-C3-VD11-VD12-VS6-L2–U_d для перезаряджання конденсатора С3 до полярності, вказаної біля нього в дужках. Цим самим підготовлюється полярність напруги на С3, яка необхідна для чергового запирання тиристора VS3.

Наявність відсікаючих діодів забезпечує суттєве зменшення ємностей комутуючих конденсаторів, бо в цьому випадку конденсатори під’єднуються паралельно до навантаження на короткий час їх перезаряджання, що дає можливість зберігати потенціал на конденсаторах на необхідному рівні до момменту чергового запирання тиристорів. При відсутності таких діодів для забезпечення цієї умови ємність конденсаторів різко зростає (особливо при низькій вихідній частоті та великому навантаженні).

Перевагами такої схеми є відносна простота, незначні величини ємностей С1-С6 і індуктивностей L1 та L2, жорсткість зовнішньої характеристики та значні межі регулювання вихідної частоти.

До недоліків слід віднести: несинусоїдальність вихідної напруги та її залежність від коефіцієнта потужності навантаження (бо =120^о), а також можливість зриву комутації тиристорів (прориву інвертора) за рахунок на­сичення комутуючих дроселів L1 та L2.

Останнє явище пов´язане з тим, що ці дроселі знаходяться в колі постійного струму і на час перезаряду конденсаторів вони шунтуються колами, що складаються з робочого тиристора, зворотного та відсікаючого діо­дів. Так як стала часу такого контуру велика, то струм дроселя до початку наступної комутації не встигає впасти до початкового значення і тому йде накопичення електромагнітної енергії в дроселі, що призводить до його насичення і, в результаті, до зменшення часу дії зворотної напруги на тиристорі, що закривається. Це може призвести до того, що тиристор не встигає відновити свої запираючі властивості. Щоб цього уникнути, сталу часу контуру зменшують за рахунок введення резисторів R в коло зворотного містка, або комутуючі дроселі вмикають послідовно з кожним комутуючим конденсатором (на рис. Д.2.12 ці елементи показані пунктиром).

Необхідно відмітити, що в цій схемі ефективність відсікаючих діодів знижується при частотах, більших від 400-500 Гц, тому що час перезаряду конденсаторів стає співмірним з періодом вихідної напруги. Це впливає на надійність роботи перетворювача.

На рис. Д.2.13 зображена інша схема АІН з індивідуальною комутацією силових тиристорів та широтно-імпульсною модуляцією вихідної напруги. Причому кожен тиристор в імпульсному режимі працює на протязі половини періода вихідної частоти, що забезпечує незалежність вихідної напруги від характеру навантаження. Силові тиристори VS1-VS6 утворюють трифазний міст, діоди VD1-VD6 відіграють роль зворотних, а VD7-VD12 – відсікаючих вентилів, які відокремлюють між собою блоки індивідуальної комутації БК1-БК6, що ввімкнуті в одну фазу. Кожен блок комутації (розкрита схема блоку БК1, а решта блоків показана умовно) включає такі комутуючі елементи: тиристор VSк, конденсатор Ск, дросель Lк та діод VDк.

Робота блоку зводиться до наступного. У вихідному положенні при відкритому тиристорі VS1 конденсатор Ск в результаті попередньої роботи схеми має полярність напруги, вказану на ньому без дужок. При відкриванні допоміжного тиристора VSк напруга від конденсатора Ск прикладається до VS1 і, маючи зворотну полярність, закриває його. Подальший перезаряд конденсатора по контуру Ск-VSк-VD1-LA-VD7-Cк, носить коливальний характер і закінчується при спаданні струму до нуля, тому що тиристор VSк запирається. При повторному відкриванні тиристора VS1 створюється контур Ск-VS1-VDк-Lк-Cк, в якому виникає новий коливний процес перезаряду конденсатора, який закінчується в кінці першого півперіоду, коли напруга на конденсаторі досягне максимума і буде мати полярність, вказану на рисунку. Подальший процес перезаряду неможливий через наявність діода VDк. Схема знову готова до наступної комутації тиристора VS1. Таким чином, принцип ШІР в цій схемі можна забезпечити алгоритмом подачі керуючих імпульсів на основний та допоміжний тиристори. Верхня границя вихідної частоти, очевидно, обмежується швидкістю перехідних процесів у блоці комутації. Основним недоліком цієї схеми є відносна її складність.

Як видно з наведених прикладів, схеми АІН з одноопераційними тиристорами є складнішими, ніж схеми АІН на повністю керованих елементах і прцеси, які прптікають в допоміжних елементах, певним чином впливають на процеси в силовому колі.