9.4. ИНВЕРТОРЫ ТОКА

Инверторами тока называются автономные инверторы, которые связаны с источником питания через сглаживающий дроссель, так что вентили инвертора переключают ток, В качестве вентилей в инверторах тока используют однооперационные тиристоры.

Рис. 9.9. Схема (а) и временные диаграммы (б) однофазного параллельного мостового инвертора тока

Для коммутации тиристоров параллельно нагрузке обычно подключается коммутирующий конденсатор. По способу подключения конденсатора к нагрузке такие инверторы называются также параллельными.

На рис. 9.9, а приведена схема однофазного мостового параллельного инвертора тока. Из-за большой индуктивности сглаживающего дросселя входной ток инвертора (ток источника Е) будем считать идеально сглаженным. При включении V1 и V4 с помощью импульсов от системы управления, не показанной на рисунке, образуется контур протекания тока . Направление тока в диагонали моста i показано на рисунке. При включении V2 и V3 ток изменяет свое направление. Влодной ток инвертора благодаря периодическому переключению, осуществляемому тиристорами, превращается в диагонали моста в переменный ток прямоугольной формы (рис. 9.9, б).

При активной нагрузке напряжение на конденсаторе в силу постоянства тока изменяется по экспоненте с постоянной времени и к концу интервала, когда открыты тиристоры V1 и V4, имеет полярность, указанную на рис. 9.9, а. В момент сигнал управления подается на управляющие электроды V2 и V3. При их отпирании коммутирующий конденсатор С оказывается подключенным параллельно к обоим ранее проводившим ток тиристорам V1 и V4. Полярность напряжения на конденсаторе такова, что напряжение на вентилях при этом оказывается обратным, ток через V1 и V4 прекращается и тиристоры восстанавливают свои запирающие свойства. При напряжение между анодом и катодом вентилей из-за перезаряда конденсатора снова становится положительным.

При снова происходит включение V1 и V4 и выключение V2 и V3. В данной схеме имеет место одноступенчатая коммутация тока, когда ток с одного силового тиристора сразу переводится на другой.

Форма и величина выходного напряжения инвертора и время запирания тиристоров зависят от режима инвертора, определяемого постоянной времени . Чем больше , тем медленнее изменяется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма напряжения приближается к треугольной. Напряжение на диагонали моста на в любой момент времени равно напряжению на закрытом вентиле. При работе вентиля V2 , т. е. напряжению на вентиле V1, а при открытом тиристоре V4 .

Среднее значение на при пренебрежении потерями в дросселе равно Е. Учитывая, что , имеем

При увеличении (например, при росте ) происходит увеличение отрицательной площадки кривой (штриховая линия на рис. ) и, в силу того, что , наблюдается рост положительной площадки и увеличение напряжения на нагрузке . Поэтому внешняя характеристика инвертора тока является крутопадающей (рис. 9.10, а).

Выведем формулу для расчета внешней характеристики приближенным методом основной гармоники, т. е. считая выходное напряжение инвертора синусоидальным.

Рис. 9.10. Внешняя характеристика (а), схемы замещения и векторные диаграммы инверторов тока

Выразим мощность в нагрузке через мощность, отдаваемую источником Е с учетом КПД инвертора :

где - действующее значение гармоники прямоугольного (см. рис. 9.9, б); — угол сдвига между током i и напряжением .

Из разложения тока в ряд Фурье получаем . Подставляем это значение в (9.7), в результате получаем

Угол может быть найден из схемы замещения рис. , которая показывает цепь, по которой протекает ток . Векторная диаграмма для схемы замещения приведена на рис. 9.10, в.

Введем коэффициент нагрузки В, равный отношению тока нагрузки к току конденсатора :

Из векторной диаграммы рис. 9.10, в имеем

Подставим (9.10) в (9.8), получаем уравнение внешней характеристики рис. 9.10, а:

По заданной величине В можно найтн относительное выходное напряжение и определить время, предоставляемое для выключения тиристоров, .

Тем же способом можно построить внешнюю характеристику инвертора тока для активно-индуктивной нагрузки, для этого строится схема замещения, . находится угол Р и значение подставляется в (9.8). Крутопадающий характер внешней характеристики сохраняется.

Сильная зависимость напряжения на нагрузке от нагрузки является недостатком инверторов тока. Для стабилизации напряжения на нагрузке используют различные схемные решения, среди которых наиболее распространенным является схема инвертора тока с так называемым индуктивно-тиристорным регулятором (рис. 9.11).

В схему однофазного мостового параллельного инвертора тока дополнительно введен регулируемый преобразователь переменного напряжения с индуктивной нагрузкой (элементы V5, V6, L). В § 7.3 мы рассматривали работу такого преобразователя переменного напряжения и установили, что потребляемый им ток имеет гармонику, фазовый сдвиг которой относительно напряжения всегда равен .

Рис. 9.11. Инвертор тока с индуктивно-тирнсторным регулятором

Рис. 9.12. Трехфазкый мостовой инвертор тока

Амплитуда гармоники тока в соответствии с (7.10) зависит от угла управления а, который равен фазовому сдвигу управляющих импульсов на V5 (или V6) относительно момента смены полярности напряжения . Поэтому данная схема преобразователя переменного напряжения рассматривается как управляемая индуктивность, которая определяется выражением (7.11).

На рис. 9.10, г приведена схема замещения, а на рис. 9.10, д — векторная диаграмма инвертора по рис. 9.11. На векторной диаграмме появилась дополнительная составляющая тока . Регулируя изменением угла а с помощью системы управления, устанавливаем такой ток II, при котором угол сдвига между током i и напряжением остается неизменным, тогда в соответствии с выражением (9.8) напряжение на нагрузке будет постоянным при изменении тока нагрузки. Сравним векторные диаграммы рис. 9.10, в и д. На второй из них ток нагрузки уменьшился возросло), но благодаря току угол остался неизменным и , что показано пунктирной линией на рис. 9.10, а. При уменьшении тока нагрузки угол управления а растет, снижается.

В инверторе рис. 9.11 можно стабилизировать угол на другом уровне, например увеличив его по сравнению со значением, показанным на диаграммах рис. 9.10, в и д, при этом выходное напряжение инвертора при том же напряжении Е будет больше, но его стабильность при изменении параметров нагрузки будет сохраняться.

Инверторы тока часто используют для работы на трехфазную нагрузку.

На рис. 9.12 показана схема параллельного трехфазного мостового инвертора тока. Вентили инвертора работают попарно, в том же порядке, как и в мостовом трехфазном выпрямителе.

Инверторы тока с индуктивно-тиристорным регулятором широко используются в промышленности, например, в агрегатах бесперебойного питания, мощность их достигает сотен киловатт. Форма выходного напряжения близка к синусоидальной, что иногда позволяет использовать их без фильтров на стороне переменного тока. При создании инверторов тока с переменной выходной частотой возникают трудности при работе на низких частотах, так как с понижением частоты необходимо увеличивать емкость коммутирующих конденсаторов. Для преодоления этих трудностей разработаны модифицированные схемы инверторов тока, в которых коммутация тока одного тиристора на другой происходит в два этапа, для чего в схему введены вспомогательные вентили. Однако более простые решения в этих случаях обеспечивают инверторы напряжения.