9.3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Инверторами напряоюения называются автономные преобразователи, в которых переменное напряжение на нагрузке образуется в результате ее периодического подключения с помощью ключей к источнику постоянного напряжения, причем с помощью ключей обеспечивается чередующаяся полярность импульсов напряжения на нагрузке. Инверторы напряжения выполняются на полностью управляемых приборах (транзисторах, двухоперационных тиристорах, однооперационных тиристорах, снабженных цепями коммутации).

На рис. 9.6, а приведена схема однофазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых вентилях (обратить внимание на изображение запираемого тиристора).

При включенных тиристорах V1 и V4 и выключенных V2 и V3 нагрузка подключается левым концом к положительной шине питания, а правым — к отрицательной и ток течет, как показано на рисунке. Если V1 и V4 выключить, a V2 и V3 включить, то напряжение и ток нагрузки изменят направление. При активной нагрузке ток нагрузки повторяет по форме напряжение на нагрузке . На рис. 9.6, б штриховой линией показаны кривая тока нагрузки и входного тока инвертора i при . Ток и напряжение имеют прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке ток нагрузки изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени . При запирании V1 и V4 в момент , несмотря на поступление отпирающих импульсов на V2 и V3, ток нагрузки из-за присутствия индуктивности будет стремиться сохранить свое направление. Для того чтобы после запирания V1 и V4 открыть путь току нагрузки, тиристоры шунтируют диодами . Поэтому ток нагрузки при протекает через V20 и V30 и возвращает часть энергии, запасенной в индуктивности, обратно в источник Е.

Рис. 9.6. Схема и временные диаграммы однофазного мостового инвертора напряжения

При ток нагрузки становится равным нулю, а при ток начинает протекать в противоположном направлении через V2 и V3, на управляющих электродах которых продолжают присутствовать отпирающие сигналы. Аналогично на интервале , т. е. после запирания V2 и V3, ток нагрузки протекает через V10 и V40.

Выходное напряжение инвертора напряжения из-за малой длительности процесса коммутации (запирание вентилей, даже с учетом процессов в коммутационных узлах, если инвертор выполнен на однооперационных тиристорах, длится не более ) по форме близко к прямоугольному и не зависит от тока нагрузки. В связи с этим внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора напряжения представляет собой прямую линию с очень малым наклоном.

Входной ток инвертора V (рис. 9.6, б) при становится знакопеременным, что говорит о периодическом энергообмене между цепью нагрузки и источником питания: запасание энергии в индуктивности нагрузки при работе тиристоров и возвращение энергии в источник на интервале работы обратных диодов. Если источник питания Е представляет собой выпрямитель, то для создания в нем обратной проводимости, позволяющей принять энергию из инвертора, его шунтируют конденсатором С большой емкости, как показано на рис. 9.6, а.

Найдем выражение для тока нагрузки. Контур тока включает в себя .

Считая, что ток нагрузки состоит из принужденной и свободной составляющих, имеем

где — постоянная времени цепи нагрузки; — ток нагрузки при или при .

Так как напряжение на нагрузке периодически повторяется, то

что позволяет определить постоянную А.

После подстановки (9.3) в (9.4) и преобразований получаем

Максимальное значение тока нагрузки находим из (9.5) при :

Для регулирования выходного напряжения инверторов напряжения либо изменяют ЭДС питающего напряжения Е, либо используют так называемые внутренние средства, а именно изменяют форму выходного напряжения. С этой целью в схеме рис. 9.6, а сдвигают управляющие импульсы на V3 и V4 относительно управляющих импульсов на V1 и V2 на угол управления а (на временных диаграммах рис. 9.7 представлены интервалы проводимости всех тиристоров и форма тока и напряжения на нагрузке).

На интервале открыты V1 и V4, на нагрузке . В момент V1 запирается и подается управляющий импульс на V2, в результате чего ток замыкается в контуре , а напряжение на нагрузке, закороченной тиристорами V4 и V20, . В момент поступает отпирающий импульс на V3, V4 прекращает работать и нагрузка подключается к источнику питания: . Из-за индуктивности нагрузки первое время на интервале ток протекает в прежнем направлении по контуру , затем после спада тока к нулю при ток изменяет свое направление и течет в контуре .

Таким образом, в кривой появляется регулируемая пауза. Порядок подачи сигналов управления на вентили инвертора получил название алгоритма управления. Алгоритм управления и характер нагрузки в инверторе напряжения определяют характер и продолжительность работы вентилей — алгоритм переключения.

Рис. 9.7. Временные диаграммы тока, напряжения и интервала проводящего состояния вентилей в схеме рис. 9.6 при регулировании выходного напряжения

Рис. 9.8. Трехфазный мостовой инвертор напряжения (а) и временные диаграммы напряжений в инверторе (б)

На рис. 9.8, а приведена схема трехфазного инвертора напряжения. Рассмотрим простейший режим, когда каждые два тиристора одной фазы открываются попеременно. Если положить потенциал отрицательного полюса источника питания Е равным нулю, то потенциалы точек А, В, С будут принимать значения либо Е, либо 0. На рис. 9.8, б показаны кривые изменения потенциалов , как обычно в трехфазных системах, они сдвинуты относительно друг друга на 120°. К нагрузке приложено линейное напряжение , форма которого также приведена на рис. 9.8, б. Выходное напряжение (линейное) трехфазного инвертора представляет собой в рассматриваемом режиме знакопеременные прямоугольные импульсы длительностью 120°.