Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
2.1.2 Последовательно-параллельный инвертор тока Рис. 2.1.4. Увеличение тока нагрузки параллельного инвертора тока приводит к уменьшению времени восстановления управляющих свойств тиристора, что может привести к короткому замыканию источника входного напряжения через невосстановившийся и очередной включенный тиристор. В схеме кон- денсатор C 1 ограничивает предельную величину тока инвертора при умень- шении сопротивления нагрузки. В пределе при R=0 схема превращается в па- раллельный инвертор в режим холостого хода с емкостью C 1 . Параллельный инвертор в режиме холостого тока неработоспособен и для работы данной схемы необходимы дополнительные меры, однако ток короткого замыкания ограничен самой схемой. 2.1.3 Инвертор тока с отсекающими вентилями Так как в инверторе тока величина емкости обратно пропорциональна частоте выходного напряжения, его нерационально применять для получения низких частот выходного напряжения, из-за больших значений емкости кон- денсатора и индуктивности реактора. В тоже время переизбыток реактивной мощности на высоких частотах приводит к резкому росту напряжения на вы- ходе инвертора. Для устранения этих недостатков применяют отсекающие диоды, рисунок 2.1.5. 111 + C 5 C 1 C 3 Z a Z b Z c + + _ _ - VS 3 VS 1 VS 5 VD 4 VD 6 VD 2 C 2 + _ + C 4 C 6 _ VS 6 VS 4 VS 2 VD 1 VD 3 VD 5 L d Рис. 2.1.5. Схема трехфазного инвертора тока с отсекающими диодами содержит две группы коммутирующих конденсаторов: C 1 , C 3 , C 5 для катодной группы (VS 1 , VS 3 , VS 5 ) и C 2 , C 4 , C 6 для анодной группы (VS 2 , VS 4 , VS 6 ). Конденсаторы отделены от фаз нагрузки Z a , Z b , Z c соответствующими отсекающими диода- ми VD 1 -VD 6 . В любой момент времени в схеме открыты два тиристоры, один в катодной группе и один в анодной, например VS 1 и VS 2 , через которые пи- таются фазы C и A нагрузки. При включении очередного тиристора VS 3 к ти- ристору VS 1 скачком прикладывается напряжение конденсатора C 1 в обрат- ном направлении, и он выключается. Теперь ток под действием индуктивно- сти фазы A нагрузки протекает через тиристор VS 2 , диод VD 1 , конденсатор C 1 , параллельную ему цепочку из последовательно включенных конденсаторов C 3 , C 5 и тиристор VS 1 . За время перезаряда полярности конденсатора C 1 тири- стор VS 1 восстанавливает свои запирающие свойства. Одновременно нараста- ет ток фазы B нагрузки. В момент спадания тока фазы A нагрузки до нуля ди- од VD 1 закроется и инвертор перейдет в новое состояние с открытыми тири- сторами VS 2 , VS 3 и токами в фазах B и C нагрузки. При этом емкость C 1 пере- 112 зарядится в обратную полярность напряжения, емкость C 5 разрядится, а ем- кость C 3 зарядится с полярностью минус слева плюс справа и подготовится к коммутации тока тиристора VS 3 на тиристор VS 5 через 120 эл. гр. Через 60 эл. гр. произойдет аналогичная коммутация в анодной группе при включении тиристора VS 4 , заряженные в указанной полярности емкости C 2 , C 6 подготов- лены для обеспечения выключения тиристора VS 2 Таким образом, емкости в такой схеме подключаются параллельно на- грузке только на время коммутации токов в фазах нагрузки, поэтому назы- ваются коммутирующими. Их величина не зависит от значения реактивной мощности нагрузки, что позволяет работать инвертору тока с отсекающими диодами на любую нагрузку и при любой частоте выходного напряжения в приделах коммутирующих способностей емкостей. 2.1.4 Инвертор тока с выпрямителем обратного тока C a C b C c _ + A B C L dв2 L dи1 VS 1 VS 3 VS 5 VD 1 VD 5 VD 3 L dв1 L dи2 VS 6 VS 2 VS 4 VD 2 VD 6 VD 4 Рис. 2.1.6. Для предотвращения чрезмерного возрастания напряжения на выходе инвертора тока при малых нагрузках на его выход вводят выпрямитель об- ратного тока, нагруженный на противо – э. д. с., рисунок 2.1.6. Выпрямитель может быть управляемым и неуправляемым. Неуправляемый выпрямитель потребляет от источника переменного тока только активную мощность, а управляемый как активную, так и реактивную мощность. Для увеличения КПД инвертора выпрямитель включают на шины основного источника пита- 113 ния так, что выпрямитель возвращает часть преобразованной инвертором энергии в источник питания. При этом на внешней характеристике инвертора появляется участок ограничения напряжения при малых нагрузках. Применение управляемого обратного выпрямителя позволяет осущест- вить не только стабилизацию, но и регулирование выходного напряжения. Однако применение управляемого обратного выпрямителя требует увеличе- ния емкости конденсатора и добавление канала управления, что ограничива- ет применение этой модификации инверторов тока. 2.1.5 Инвертор тока с индуктивно-тиристорным регулятором Этот метод стабилизации (регулирования) выходного напряжения АИТ основывается на компенсации реактивности конденсатора при изменении то- ка нагрузки с помощью регулирования индуктивности нагрузки. Изменение индуктивности нагрузки осуществляется с помощью изменения задержки моментов отпирания тиристоров VS 1 , VS 2 , относительно моментов отпирания тиристоров инвертора, рисунок 2.1.7. Применение индуктивно-тиристорного компенсатора реактивной энергии конденсатора имеет преимущество перед обратным выпрямителем. Оно обусловлено тем, что при стабилизации (регу- лировании) выходного напряжения компенсатор практически не потребляет активной мощности, в то время как при использовании обратного выпрями- теля в результате циркуляции активной мощности в цепи источник питания – инвертор – обратный выпрямитель наблюдаются потери энергии. Рис. 2.1.7. 114 Недостатки схемы: тиристорное регулирование тока приводит к допол- нительному искажению формы выходного напряжения; необходим дополни- тельный канал управления. 2.1.6 Инвертор тока с широтно-импульсной модуляцией L d VT 2 + - VT 4 VT 6 VT 1 VT 3 VT 5 C c C a C b Z a Z b Z c Рис. 2.1.8. Прямоугольный характер тока на выходе инвертора обуславливает близкую к трапецеидальной форму выходного напряжения на низких часто- тах, когда время перезаряда коммутирующей емкости становится малым по сравнению с длительностью полупериода выходного напряжения. Рис. 2.1.9. 115 Это ограничивает нижнюю частоту инвертора, особенно для работы в составе регулируемого электропривода переменного тока. Улучшение формы выходного напряжения инвертора достигается формированием каждой полу- волны напряжения последовательностью промодулированных по трапецеи- дальному закону импульсов тока, рисунок 2.1.9. В этом случае применяются либо полностью управляемые вентили, либо тиристоры, включенные по схе- ме инвертора тока с отсекающими диодами, рисунок 2.1.8. Конденсаторы на выходе инвертора выполняют роль энергетического буфера, между импуль- сами тока инвертора и нагрузкой, как правило, имеющей индуктивный ха- рактер и не допускающей скачков тока в ней. 2.2 Резонансные инверторы Резонансными называют инверторы, у которых периодический харак- тер электромагнитных процессов в нагрузке обусловлен колебательными свойствами LC-контура. Конденсаторы, входящие в состав колебательного контура могут быть включены с нагрузкой последовательно, параллельно и последовательно-параллельно. Соответственно различают три вида резо- нансных инверторов: последовательный, параллельный и последовательно- параллельный. Кроме того, различают резонансные инверторы с закрытым входом, у которых индуктивность резонансного контура находится в цепи постоянного тока, и с открытым входом, у которых индуктивность находится в выходной цепи. 2.2.1 Параллельный, последовательно-параллельный резонансный инвертор с закрытым входом Схемы параллельного и последовательно-параллельного резонансных инверторов с закрытым входом аналогичны соответственно схемам парал- лельного и последовательно-параллельного инверторов тока и отличаются только параметрами индуктивности дросселя в звене постоянного тока. Из этой индуктивности и емкости на выходе инвертора образуется колебатель- ный LC-контур. Параметры колебательного контура и частота импульсов управления вентилями моста выбираются так, что ток во входном дросселе имеет прерывистый характер. Это обеспечивает естественное отключение тиристоров при спаде в них тока до нуля. 116 Рис. 2.2.1. При включении в момент t 0 , рисунок 2.2.1, тиристоров VS 1 , VS 4 конден- сатор стремится зарядиться через индуктивность дросселя до напряжения, превышающего напряжение входного источника. В момент t 1 , когда колеба- тельная полуволна тока реактора спадет до нуля, тиристоры VS 1 , VS 4 окажут- ся под обратным напряжением, равным разности напряжения на конденсато- ре и напряжения входного источника. До момента t 2 конденсатор разряжает- ся только током нагрузки. В момент времени t 2 включаются тиристоры VS 2 , VS 3 второй диагонали моста, а тиристоры VS 1 , VS 4 остаются под обратным напряжением до момента смены полярности напряжения на конденсаторе t 3 Характеристики параллельного и последовательно–параллельного резонанс- ных инверторов аналогичны характеристикам соответствующих инверторов тока. Преимущество резонансного режима работы инвертора состоит в том, что токи тиристоров в моменты включения, выключения равны нулю, в ре- зультате уменьшаются потери на переключение в тиристорах. А значит, по- является возможность поднять частоту выходного напряжения. Появляется возможность регулирования амплитуды выходного напряжения не только с помощью изменения напряжения входного источника, но и с помощью изме- нения безтоковой паузы. Однако этот способ приводит к ухудшению формы выходного напряжения инвертора при глубоком регулировании. 117 2.2.2 Последовательный инвертор с открытым входом Кривая выходного тока инвертора формируется путем попарного отпи- рания накрест расположенных тиристоров, рисунок 2.2.2. Вид кривой обу- словлен колебательным процессом перезаряда конденсатора с частотой по- следовательного колебательного контура, образованного реактивными эле- ментами выходной цепи. Частота собственных колебаний контура должна быть немного больше выходной частотой инвертора. Благодаря этому Рис. 2.2.2. колебательные процессы перезаряда конденсатора заканчиваются до отпира- ния очередной пары тиристоров инвертора, что обеспечивает запирание про- водившей пары тиристоров. В отличие от параллельного резонансного ин- вертора напряжение на конденсаторе во время безтоковой паузы не умень- шается, рисунок 2.2.3. Рис. 2.2.3. 118 Недостатки схемы: невозможность холостого хода; существенная зави- симость режима работы от параметров нагрузки. 2.2.3 Резонансные инверторы с вентилями обратного тока Схема изображена на рисунке 2.2.4. Возможно два режима работы: с прерывистым током и с непрерывным током нагрузки. Рис. 2.2.4. В первом режиме частота импульсов управления тиристоров ниже соб- ственной частоты резонансного контура, рисунок 2.2.5. В момент отпирания тиристоров VS 1 , VS 4 создается контур колебательного перезаряда конденса- тора. На интервале t 0 -t 1 формируется полуволна тока нагрузки. В момент t 1 ток нагрузки уменьшается до нуля, при этом напряжение на конденсаторе превышает напряжение источника питания. Вследствие чего на интервале t 1 - t 2 происходит разряд конденсатора через диоды VD 1 , VD 4 , при этом энергия, накопленная в конденсаторе, отдается в цепь источника питания и нагрузки. В это время к тиристорам VS 1 , VS 4 прикладывается обратное напряжение равное падению напряжения на диодах, от протекания через них тока нагруз- ки. В момент t 2 ток уменьшается до нуля, диоды закрываются, напряжение на конденсаторе становится меньше напряжения входного источника и остается неизменным до момента отпирания очередной пары тиристоров t 3 . Далее происходят аналогичные процессы перезаряда конденсатора через тиристоры VS 2 , VS 3 и диоды VD 2 , VD 3 . Уменьшение частоты управляющих импульсов приводит к увеличению безтоковых пауз, что приводит к ухудшению качест- ва выходного напряжения. 119 Рис. 2.2.5. В режиме непрерывного тока частота импульсов управления тиристо- рами выше собственной частоты резонансного контура, рисунок 2.2.6. В мо- мент t 0 отпираются тиристоры VS 1 , VS 4 . В момент t 1 начинается обратный пе- резаряд конденсатора через диоды VD 1 , VD 4 . Отпирание очередной пары ти- ристоров VS 2 , VS 3 осуществляется до завершения разряда конденсатора, в момент t 2 . Это возможно, так как при проводящих диодах VD 1 , VD 4 к катоду тиристора VS 1 прикладывается плюс, а к аноду тиристора VS 3 минус источ- ника питания. 120 Рис. 2.2.6. Уменьшение временного интервала t 1 -t 2 приводит к увеличению оста- точного напряжения на конденсаторе в момент его перезаряда в обратную полярность, что вызывает рост амплитуды напряжения на конденсаторе, а значит, в режиме непрерывного тока нагрузки регулирование частоты вы- ходного напряжения не будет искажать его формы. Из диаграмм работы резонансного инвертора с вентилями обратного тока в режиме непрерывного тока видно, что при дальнейшем увеличении частоты управления вентилями интервал t 1 -t 2 , в течении которого вентили восстанавливали свои запирающие свойства, исчезает. А значит, работа схе- мы в этом случае возможна только при использовании полностью управляе- мых вентилей (IGBT-транзисторов, GTO-тиристоров). 121 2.2.4 Параллельный полумостовой транзисторный инвертор 2 d U 2 d U Рис. 2.2.7 Схема показана на рисунке 2.2.7. До момента t 1 конденсатор C k заряжа- ется в колебательном режиме, рисунок 2.2.8. При снятии сигнала управления с транзистора VT 1 в момент t 1 ток из него коммутируется в диод VD 2 , конден- сатор C k начинает разряжаться. В момент времени t 2 диод VD 2 закрывается и ток резонансного контура начинает протекать через транзистор VT 2 . На ин- тервале t 2 -t 3 конденсатор перезаряжается в обратную полярность напряжения. В момент t 3 транзистор VT 2 выключается, и ток контура переходит в диод VD 1 , который проводит спадающий к нулю ток до момента t 4 . Далее процес- сы повторяются. Рис. 2.2.8. 122 Увеличение частоты выходного напряжения инверторов сопровождает- ся ростом потерь мощности при переключении вентилей. Практически это приводит к снижению выходной активной мощности инвертора почти обрат- но пропорционально квадрату увеличения частоты. Для уменьшения потерь на переключения применяют схемотехническое умножение частоты выход- ного напряжения. 2.2.5 Резонансные инверторы с удвоением частоты Схема содержит инверторный мост на тиристорах VS 1 -VS 4 и диодах VD 1 -VD 4 с конденсатором C и дросселем L, включенными в диагональ моста, рисунок 2.2.9. Активно-индуктивная нагрузка подключается параллельно другой диагонали через разделительный конденсатор C p . Емкость конденса- тора C больше или равна C p . Индуктивность сглаживающего дросселя в звене постоянного тока L d больше индуктивности дросселей L и L p Рис. 2.2.9. Работа схемы основана на поочередном отпирании накрест лежащих тиристоров VS 1 , VS 4 и VS 2 , VS 3 и подключении ими конденсатора C и дроссе- ля L параллельно выходной цепи инвертора, рисунок 2.2.10, а. Ток к нагрузке i н представляет собой разность тока источника питания и тока перезаряда конденсаторов C и C p в контуре с открытыми тиристорами инвертора. В мо- мент t 0 начинается колебательный процесс перезаряда конденсаторов C и C p в цепи с дросселем L и нагрузкой через открытые тиристоры VS 1 , VS 4 . На- чальная полярность напряжения на конденсаторе C показана на схеме без скобок. Процесс перезаряда протекает в два этапа. На первом этапе, интервал t 0 -t 1 , ток колебательного контура протекает через тиристоры VS 1 , VS 4 , на вто- 123 ром, интервал t 1 -t 2 , после изменения направления тока i к — через шунти- рующие их диоды VD 1 , VD 4 . Амплитуда тока на втором этапе уменьшается из-за отдачи энергии конденсаторов в нагрузку. За время проводящего со- стояния диодов VD 1 , VD 4 к тиристорам прикладывается обратное напряжение равное падению напряжения на диоде и они восстанавливают свои запираю- щие свойства. На интервале t 2 -t 3 вентили инвертора заперты. Ток нагрузки определяется током заряда конденсатора C p . В течении интервала t 3 -t 6 проис- ходят аналогичные колебательные процессы через тиристоры VS 2 , VS 3 и дио- ды VD 2 , VD 3 . Далее процессы повторяются. Для приближения кривой тока нагрузки к синусоиде элементы колеба- тельного контура выбирают с таким расчетом, чтобы интервал t 2 -t 3 стремился к нулю, рисунок 2.2.10, б. Рис. 2.2.10. |