Сварочный аппарат постоянного тока. Автономный инвертор напряжения. Принцип действия

АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

Инвертором называется устройство для преобразова­ния постоянного тока в переменный с постоянными или регулируемы­ми значениями выходного напряжения и частоты. Если инвертор ра­ботает на нагрузку, не имеющую другого источника питания, он на­зывается автономным. Автономные инверторы (АИ) применяются для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников постоянного тока, для электропривода с частотным регулированием, в системах прямого преобразования энергии, напри­мер от топливных элементов, МГД-генераторов и т. п.

Основные требования к АИ: максимальный КПД преобразования, минимальные массогабаритные показатели и стоимость, возможность регулирования U н и I вых в достаточно широких пределах, обеспече­ние заданной формы выходного напряжения, отсутствие срывов работы при перегрузке и на холостом ходу и т. п.

В качестве переключательных элементов в автономных инверторах нашли применение транзисторы, обычные и двухоперационные тиристоры. Первые используются в устройствах относительно небольшой мощности, последние наиболее удобны в АИ напряжения и в регулируемых инверторах. Обычные тиристоры иногда приходится применять в совокупности со схемами принудительной коммутации.

Все АИ могут быть подразделены на ряд видов. По схеме преобразования АИ различаются по количеству фаз, схеме питания и некоторым другим параметрам, о которых будет упомянуто ниже. По способу коммутации вентилей они могут быть следующими:

инверторы, полностью коммутируемые по управляющим цепям (на транзисторах и ДОТ);

инверторы с коммутирующими конденсаторами, подключенными параллельно нагрузке;

последовательные инверторы;

АИ с двухступенчатой коммутацией, позволяющие осуществлять регулирование выходного напряжения.

Однако наиболее существенно деление автономных инверторов на два типа - автономные инверторы напряжения (АИН) и АИ тока (АНТ) в зависимости от характера источника питания и его связи с АИ (кроме того, существуют и резонансные АИ, но применяются они редко).

Автономный инвертор напряжения.

АИН формирует в нагрузке переменное напряжение путем периодического подключения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного включения вентилей (рис. 1, а).

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумуляторные батарея или выпрямитель с емкостным фильтром), назначение конденсатора будет разъяснено дополнительно.

Рис. 1. Автономный инвертор напряжения (а) и диаграмма его работы (б)

Вентили должны быть полностью управляемые (ДОТ) или каждый тиристор снабжается схемой принудительной коммутации. При работе схемы на нагрузке формируются прямоугольные импульсы напряжения (рис. 1, б), а форма тока зависит от ее характера. Если нагрузка чисто активная, то форма тока совпадает с формой напряжения (пунктир на рис. 1, б), если нагрузка активно-индуктивная, ток i н меняется по экспоненте с постоянной времени

. При запи­рании очередной пары вентилей (например,VD 1 и VD 4 ) и отпирании второй пары напряжение U н меняется скачком, а ток некоторое время

сохраняет свое направление. Для обеспечения прохождения этого тока используются так называемые обратные диоды VD 5... VD 8, далее ток замыкается через конденсатор С.

Частота тока в нагрузке определяется схемой управления, нагрузочная характеристика АИН - жесткая, так как напряжение на нагрузке практически равно U n = Е.

Так как входной ток собственно инвертора становится (при RL - нагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя необходим конденсатор С большой емкости. АИН могут работать в широ­ком диапазоне нагрузок - от холостого хода до значения, при котором возможна перегрузка вентилей.

Максимальное значение тока нагрузки при симметричном харак­тере выходного напряжения равно

,

Где

;

;Т- период.

Регулировать напряжение на выходе АИН можно, либо изменяя Е , либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее осуществляют несколькими способами: 1) каждый импульс напряже­ния в нагрузке формируется из нескольких, меняющих свою длитель­ность (рис. 2, а); 2) сокращение времени работы АИН в каждый полупериод за счет закрывания одной пары вентилей и включения второй пары с задержкой (рис. 2, б); 3) применение двух инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений путем регулирования фазы в схемах управления (рис. 2, в). В первых двух случаях возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом варианте можно по лучить выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному.

Рис. 2. Регулирование напряжения в АИН

Автономный инвертор тока.

АИТ (рис. 3) получает питание от источника питания через достаточно большую индуктивность, поэтому потребляемый инвертором ток практически не меняется. При поочередном переключении пар тиристоров (не запираемых) в нагрузке формируются прямоугольные импульсы тока, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая, как правило, бывает активно-емкостная. По способу подключения конденсатора к нагрузке так АИТ получили название параллельных.

Как видно из рис. 3, при очередном переключении пар тиристоров (например, работали VD 1 и VD 4, а включаются схемой управления VD 2 и VD 3 ) через нагрузку ток меняется скачком, а за счет перезаряда конденсатора С в течение некоторого интервала времени ранее работавшие тиристоры оказываются под обратным напряжением и, естественно, запираются. Необходимо, чтобы этот интервал был больше времени выключения тиристора. Чем больше постоянная времени

, тем медленнее меняется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма - к треугольной. Внешняя характеристика АИТ - мягкая (крутопадающая), режим холостого хода невозможен.

Рис. 3. Автономный инвертор тока (а) и диаграмма его работы (б)

Относительное значение напряжения на нагрузке и вид внешней характеристики могут быть приближенно найдены из формулы

где - КПД АИТ;

.

Следует отметить, что при активно-индуктивной нагрузке АИТ неработоспособен и такую нагрузку необходимо шунтировать конденсатором.

Так как на практике трудно обеспечить

для АИТ или

С для АИН, реальные схемы имеют некоторые промежуточные качества.

Для питания относительно маломощной однофазной нагрузки с напряжением, заметно отличающимся от напряжения питания, удобно применять схему, в которой одна пара тиристоров заменена полуоб­мотками трансформатора, а сам он позволяет согласовать U n и U н (рис. 4).

Рис. 4. Параллельный инвер­тор на транзисторах

При включении, например, VD 1 ток проходит от источника пита­ния через L , полуобмотку W 1 трансформатора Тр и VD 1. Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, и появляется ток в нагрузке. Коммути­рующий конденсатор С заряжается почти до удвоенного напряжения сети (за счет ЭДС самоиндукции в обмотке W 2). Когда схема управле­ния СУ включит VD 2, конденсатор оказывается включенным парал­лельно VD 1, тот мгновенно запирается (так как подано напряжение в запирающем направлении) и процесс повторяется.

В нагрузке формируется напряжение с частотой, определяемой схемой управления. Форма напряжения зависит от R н (при больших R н она ближе к треугольной, при меньших R н - к прямоугольной), вели­чина - от Е, коэффициента трансформации и значения R н .

Напряжение на L равно разности между U c (пересчитанным к по­ловине первичной обмотки) и Е. В режимах, близких к холостому ходу, конденсатор заряжается неизменным током, причем U c может достигать больших (много больше Е) значений, что опасно для ти­ристоров.

В качестве схемы управления можно применять транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подключенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же источника питания. Схема пригодна для E = 12...250 В, I н = 1...50А, f =10...2000 Гц.

Последовательные инверторы в некоторых случаях применяются для получения переменного тока повышенной частоты (f = 2...50 кГц). Они имеют резонансную цепочку, с помощью которой производится коммутация вентилей. Схема работает следующим образом (рис. 5). При подаче управляющего сигнала открывается VD 1, ток идет через L 1, R н , С. В следующий полупериод включается VD 2 и конденсатор С, заряженный во время первого полупериода, разряжается через R н , L 2 и VD 2. Схема может работать в нескольких режимах.

Рис. 5. Последовательный инвертор (а) и режимы его работы (б-г)

В режиме прерывистых токов (рис. 5, б) VD 1 выключается после спадания тока заряда конденсатора С , т. е. до того момента, когда схема управления включает VD 2 (и наоборот). В результате имеет мес­то интервал времени, когда оба вентиля ток не проводят и I н = 0.

В режиме непрерывных токов (рис. 5, г) VD 1 выключается в момент включения VD 2, т. е. есть состояние, когда ток проводят оба вентиля. Выключение VD 1 при этом осуществляется за счет того, что при включении VD 2 и прохождении тока разряда С через L 2 в L 1 формируется противо-ЭДС, достаточная для снижения тока открытого VD 1 до нуля. Для этого необходимо, чтобы включение VD 2 происходило тогда, когда ток через VD 1 уже начал снижаться. В противном случае неизбежен режим „сквозного" тока через VD 1, L 1, L 2 и VD 2 , т. е. ре­жим КЗ.

Оптимальным является граничный режим (рис. 5, в), при кото­ром форма тока в нагрузке близка к синусоиде. Такие инверторы целесообразно применять при постоянных значениях всех параметров, в том числе нагрузки, при этом обеспечивается достаточно жесткая внешняя характеристика. Так как при малых нагрузках инвертор может выпасть из режима, параллельно R н включают С 0 и инвертор превращается в последовательно-параллельный.

Если подключить еще один конденсатор С 1 , то инвертор из однотактного превращается в двухтактный, в то время, когда заряжает С, разряжается С 1 и наоборот. Это повышает эффективность работы схемы.

Последовательные инверторы могут быть и многофазными.

Инвертор в электронике что это такое

Инвертором в электронике и электротехнике называется устройство для преобразования постоянного тока в переменный с регулируемыми или постоянными значениями напряжения и частоты на выходе. Если инвертор расчитан на нагрузку, не имеющую альтернативного источника питания, он называется автономным. Они нашли широкое применение для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников, для электроприводов с частотным регулированием, в различных системах прямого преобразования энергии, в сварочных аппаратах в силовой и медицинской технике и т. п.

Отдельно можно выделить понятие инвертор : это - логический элемент, выполняющий логическую операцию отрицания (инверсия)

Работа инвертора основана на переключении источника постоянного напряжения с определенной частотой с целью периодического изменения полярности напряжения на выходе устройства. Частота задается управляющими сигналами управления, формируемыми специальной схемой, называемой контроллером. От также можеть выполнять следующие функции: регулировка уровня напряжения, синхронизация частоты переключения, защита от перегрузок и т.п.

По принципу работы инверторы можно разделить на:

Автономные делятся на инверторы напряжения (АИН), например - в компьютерных ИБП и инверторы тока (АИТ)
Зависимые - ведомые сетью, например - силовой преобразователь рентгеновского .

В роли переключательных элементов в автономных инверторах (АИ) нашли широкое применение все виды транзисторов, а также стандартные и двухоперационные тиристоры. Транзисторные ключи на биполярных и полевых транзисторах применяются в устройствах небольшой и средней мощности. Тиристоры и чаще используют в мощных схемах.

Все АИ можно поделить на ряд видов.

По схеме преобразования: однофазные, трехфазные, разновидности схемы питания и некоторым другим свойствам.
По способу коммутации : полностью коммутируемые по цепям управления и с коммутирующими конденсаторами, подсоединенными параллельно нагрузке и последовательные инверторы с двухступенчатой коммутацией
А также АИ напряжения (АИН) и тока (АНТ) в зависимости от вида источника питания и его связи с АИ

Автономный инвертор напряжения (АИН)

Устройства этого типа генерируют в нагрузке переменное напряжение с помощью периодического подсоединения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного подключения вентилей смотри рисунок ниже.

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумулятор или выпрямитель с емкостным фильтром).

Каждый тиристор снабжен схемой коммутации. При работе схемы на нагрузке образуются импульсы напряжения прямоугольной формы, а форма тока зависит от ее характера нагрузки. Если она чисто активная, то форма токовых импульсов повторяет форму напряжения (пунктир на диаграме), если нагрузка активно-индуктивная, ток i н меняется по экспоненте с постоянной времени:

При запирании очередной пары тиристороы (VD1 и VD4) и отткрытии другой Uн меняется скачком, а ток некоторое время продолжает сохранять свое направление. Для обеспечения протекания этого тока нужны обратные диоды VD5- VD8, затем ток замыкается через емкость С.

Частота тока в нагрузке задается управляющей схемой, нагрузочная характеристика инвертора - жесткая, т.к напряжение на нагрузке Un = Е.

Поэтому входной ток АИН будет (при RL-нагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя требуется конденсатор С большим номиналом емкости. Такая схема способна работать в огромном диапазоне нагрузок - от холостого хода (ХХ) до значений, при которых вероятна перегрузка вентилей.

Максимальные токовые уровни в нагрузке при симметричном характере выходного напряжения будут равны:

I нmax =I 0 ×(1-e -T/2τ / 1+e -T/2τ)

Где, I 0 = E/R н; τ = Lн/Rн; T - период

Регулировать напряжение на выходе инвертора можно, либо изменяя Е, либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее можно осуществить несколькими способами:

каждый импульс напряжения в нагрузке АИН образуется из нескольких, изменяющих свою длительность (рисунок а);
сокращение времени работы в каждый полупериод за счет закрывания одной пары тиристоров и включения другой пары с задержкой (рисунок б);
Использованием 2-х инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений с помощью регулировки фазы в управляющих схемах (в).

В первых двух вариантах возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом случае можно по лучить выходное напряжение, близкое к синусоидальной форме.

Автономный инвертор тока (АИТ)

Схема получает питание через индуктивность большого номинала, поэтому потребляемый ток практически не изменяется. При поочередном переключении вентельных пар (не запираемых) в нагрузке генерируются прямоугольные токовые импульсы, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая обычно бывает активно-емкостной.

Как видно из схемы ниже при очередном переключении тиристоров (допустим, работали VD1 и VD4, а включаются VD2 и VD3) через нагрузку ток изменяется скачкообразно, а за счет перезаряда емкости С в течение некоторого временного интервала ранее работавшие тиристоры окажутся под обратным напряжением и поэтому запираются. Необходимо добится того, чтобы этот интервал был больше времени отключения полупроводникового вентиля. Чем больше постоянная времени тау, тем медленнее изменяется напряжение на нагрузке, закон его изменения при этом практически приближается к линейному, а форма импульсов стремится к треугольной. Внешняя характеристика токового инвертора - мягкая (крутопадающая), режим холостого хода полностью невозможен.

Относительное значение напряжения на нагрузке и внешней вид характеристики могут быть приблизительно вычеслены по формуле:

Следует добавить, что при активно-индуктивной нагрузке устройство неработоспособно и такую нагрузку следует обязательно шунтировать конденсатором.

Так как в реальных условиях трудно обеспечить L= ∞ или С= ∞ реальные схемы АИН и АИТ обладают некоторыми промежуточнымисвойствами.

Для питания однофазной маломощной нагрузки с напряжением, заметно отличающимся от уровня источника питания, удобно использовать схему, в которой одна пара полупроводниковых вентилей заменена полуобмотками трансформатора, а сам он позволяет согласовать U n и U н.

При включении вентиля VD1 ток протекает от блока питания через индуктивность, полуобмотку трансформатора W1 и собственно VD1. Во вторичной обмотке наводится ЭДС, и генерируется ток в подключенной нагрузке.

Коммутирующая емкость С заряжается почти до уровня удвоенного сетевого напряжения (за счет возникающей ЭДС самоиндукции в W2). Когда схема управления СУ включит второй тиристор, конденсатор оказывается подсоединенным параллельно VD1, тот запирается и алгоритм работы повторяется.

В нагрузке генерируется напряжение с частотой, задаваемой схемой управления. Форма напряжения зависит от сопротивления нагрузки Rн (при больших значениях она ближе к треугольной, при более низких - к прямоугольной), величина -от коэффициента трансформации, Е и значения R н.

Напряжение на индуктивности определяется разностью между U c (пересчитанным к половине первичной обмотки) и Е. В режимах, приближенных к ХХ, емкость заряжается неизменным током, причем U c может достигать огромных (> Е) значений, что опасно для полупроводниковых элементов.

В роли управляющей схемы можно использовать транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подсоединенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же блока питания.

Последовательные инверторы в отдельных случаях используются для получения переменного тока частотой (f= 2...50 кГц). Они имеют собственную резонансную цепочку, при помощи которой осуществляется коммутация тиристоров. Схема на рисунке ниже работает следующим образом. При подаче управляющего сигнала открывается VD1, ток идет через L1, Rн, С. В следующий полупериод включается тиристор VD2 и конденсатор С, заряженный во время первого полупериода, разряжается через Rн, L2 и второй тиристор. Схема способна работать в нескольких режимах.

В режиме прерывистых токов (смотри график б) VD1 выключается после спадания тока заряда емкости С, т. е. до того момента, когда управляющая схема включает второй тиристор (и наоборот). В результате появляется временной интервал, когда оба тиристора ток не проводят и Iн = 0.

В режиме непрерывных токов (график, г) первый тиристор отключается в момент включения VD2, т. е. появляется состояние, когда ток пропускают оба тиристора. Выключение VD1 при этом происходит за счет того, что при включении VD2 и протекании тока разряда конденсатора через L2 в L1 генерируется противо-ЭДС, достаточная для снижения тока открытого первого тиристора до нуля. Для этого требуется, чтобы включение VD2 былоо тогда, когда ток через VD1 уже начал падать. Иначе неизбежен режим "сквозного" тока протекающего через VD1, L1, L2 и VD2, т. е. режим короткого замыкания.

Оптимальным считается граничный режим (график, в), при котором форма тока в нагрузке стремится к синусоидальной. Такие инверторы целесообразно использовать при постоянных значениях всех параметров, в.т.ч нагрузки, при этом обеспечивается жесткая внешняя характеристика. Так как при низких нагрузках инвертор способен выпасть из режима, параллельно R н подключают конденсатор С 0 и инвертор превращается в последовательно-параллельный.

Если подсоединить еще одну емкость С1, то инвертор из однотактного трансформируется в двухтактный, в то время, когда заряжается С, разряжается С1 и наоборот. Это существенно повышает эффективность работы схемы. Последовательные инверторы бывают и многофазными.

Инверторы представляют собой преобразователи постоянного напряжения в переменное. Основными элементами инверторов (и конверторов тоже) являются коммутационные приборы, которые периодически прерывают ток или меняют его направление. Инверторы классифицируют по типу коммутирующего прибора (транзисторные или тиристорные), по роду преобразуемой величины (инверторы тока или напряжения), по принципу коммутации (автономные или ведомые сетью). Транзисторные инверторы используются при малых мощностях, не превышающих сотни Вт, тиристорные - при больших мощностях и токах, доходящих до сотен ампер.

В преобразовательных установках инверторный режим может чередоваться с выпрямительным режимом, особенно в электроприводах постоянного тока. В двигательном режиме преобразователь работает как выпрямитель, передавая мощность двигателю постоянного тока. При переходе электродвигателя в генераторный режим (спуск груза, движение под уклон и т.п.) преобразователь работает как инвертор, отдавая энергию постоянного тока, генерируемого электрической машиной, в сеть переменного тока. При инвертировании источник постоянного напряжения работает как генератор энергии, характеризующийся тем, что направление этого ЭДС и тока совпадают, а нагрузка переменного тока - как потребитель, у которого ЭДС и ток встречны.

Инверторы, ведомые сетью. На рис.3.41 показана схема однофазного двухполупериодного инвертора с нулевым выводом. Тиристоры отпираются поочередно схемой управления через каждую половину периода a = p, а запирание их происходит вторичным напряжением U 2 трансформатора, создаваемым сетью. Поэтому инвертор называется ведомым. По отношению к E тиристоры включены в прямом направлении. Напряжения U 2-1 , U 2-2 на вторичных обмотках периодически меняют знак, в одну половину периода складываясь с E , а в другую - вычитаясь из него. Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда, когда направление тока i 2 и переменного напряжения U 2 противоположны, т.е. когда и U 2 и Е встречны.

Процесс инвертирования возможен только тогда, когда U 2 > Е . В режиме инвертирования U 2 (U 1) и I 2 (I 1) противофазны, что и является показателем передачи энергии в сеть.

При a = 0 (в общем случае при 0 < a < p/2) инвертор может работать как выпрямитель.

Для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо:

1) подключить источник постоянного тока полярностью, обратной режиму выпрямления;

2) обеспечить открывание тиристоров при отрицательной полярности напряжения на полуобмотках U 2-1 , U 2-2 .

Но если очередной тиристор отпирать точно при угле управления a = p, то другой тиристор еще не успеет закрыться, т.к. для закрывания необходимо время, равное t выкл тиристора. Тогда на время t выкл образуется цепь короткого замыкания по цепи: вторичная обмотка - запирающийся тиристор - источник Е . Указанное явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы избежать этого нежелательного процесса необходимо угол регулирования a сделать меньше p на некоторый угол b , называемый углом опережения отпирания - рис.3.42 .

Угол опережения должен быть достаточным для того, чтобы могла совершиться коммутация токов тиристоров (период коммутации γ) и для того, чтобы после коммутации закрывающийся тиристор успел восстановить свои запирающие свойства.

Мощность, отдаваемая в сеть инвертором, может регулироваться 3-мя способами: изменением угла опережения при постоянном Е ; изменением напряжения источника питания Е при постоянном опережении b изменением напряжения переменного тока U 2 .

Автономный инвертор тока показан на рис. 3.43. Источник питания Е работает в режиме источника тока, из-за наличия дросселя L o большой индуктивности. Тиристоры T 1 , T 2 открываются попеременно запускающими импульсами U вх.1 , U вх.2 , поступающими из системы управления.

Открывшись, тиристор T 1 подключает левую на чертеже полуобмотку w 1-1 к источнику питания Е и в ней возникает ток i т1 . Этот ток наводит ЭДС во второй (правой) полуобмотке w 1-2 и во вторичной обмотке w. Конденсатор С к, заряжается до удвоенного значения напряжения питания Е. После поступления входного управляющего импульса U вх.2 тиристор T 2 открывается и напряжение на конденсаторе запирает первый тиристор T 1 . Конденсатор С к, разряжается через первичную обмотку и некоторое время (t выкл) - через оба открытых тиристора. Как только тиристор T 2 закроется, разряд С к, прекращается и начинается его перезарядка до 2Е другой полярностью.

В режиме холостого хода при переключении тиристоров могут возникнуть большие перенапряжения, неблагоприятно сказывающиеся на тиристорах и конденсаторе. Чтобы этого не произошло, применяют усовершенствованную схему с отсекающими диодами.

Тиристорные инверторы – это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты. Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 1).

Рис.1 Диаграмма постоянного и переменного тока.

Применение:

1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).

2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ).

3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.

4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.

5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.

Инверторы подразделяют на:

1. Автономные инверторы и преобразователи частоты.

2. Инверторы, ведомые сетью.

Автономные инверторы и преобразователи частоты.

Автономные инверторы - это устройства, преобразующие посто­янный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет другого источника энергии той же частоты, кроме самого инвертора.

Преобразователи частоты - это устройства, преобразующие пере­менный ток одной частоты в переменный ток другой частоты.

К автономным инверторам и преобразователям частоты , работаю­щим в конкретной установке, предъявляются следующие требования :

1) обеспечение максимального к. п. д.;

2) минимальная установленная мощность отдельных узлов и эле­ментов;

3) возможность широкого регулирования выходного напряжения;

4) обеспечение стабильности выходного напряжения при изменении величины и характера нагрузки, а также входного напряжения;

5) обеспечение синусоидальной или близкой к синусоидальной формы кривой выходного напряжения;

6) возможность регулирования в определенных пределах выход­ной частоты, что прежде всего необходимо в установках вентильного электропривода;

7) отсутствие срывов инвертирования при перегрузках;

8) возможность работы в режиме холостого хода;

9) обеспечение максимальной надежности и устойчивости. Естественно, что требования, предъявляемые к схемам автономных инверторов, зависят от конкретного назначения инвертора. Поэтому оптимальный вариант схемы инвертора необходимо выбирать, учиты­вая режим работы питающихся от него нагрузок.

Автономные инверторы можно классифицировать по следующим основным признакам:

1) по схеме преобразования;

2) по способу ком­мутации (запирания);

3) по способу управления;

4) по характеру про­текания электромагнитных процессов.

Различают следующие основные схемы преобразования :

1) одновентильную (рис. 2.1, а);

2) однофазную с нулевым выводом (рис, 2.1, б );

3) однофазную с нулевым выводом источника питания (рис. 2.1, в);

4) однофазную мостовую (рис. 2.1, г);

5) трехфазную мосто­вую (рис. 2.1, д);

6) трехфазную с нулевым выводом (рис. 2.1, е).

Все остальные схемы являются производными перечисленных групп. Наибольшее распространение в преобразовательной технике находят мостовые схемы. По способу коммутации автономные инвер­торы можно разделить на несколько групп.

Рис. 2 .1. Схемы преобразования

Инверторы с индивидуальной коммутацией. Коммутирующее ус­тройство инвертора служит для запирания одного тиристора (вен­тильного плеча) инвертора. К данному типу инверторов относятся инверторы на полностью управляемых вентилях - двухоперацион­ных тиристорах и силовых транзисторах.

Инверторы с пофазной коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания тиристоров двух вен­тильных плеч, относящихся к одной фазе инвертора.

Инверторы с групповой коммутацией. В таких инверторах для запирания всех вентильных плеч одной группы (анодной или катод­ной) служит отдельное коммутирующее устройство.

Инверторы с общей коммутацией. Коммутирующее устройство является общим для всех вентильных плеч инвертора. В коммутирую­щем устройстве инвертора содержится один коммутирующий конден­сатор.

Инверторы с межвентильной коммутацией. В таких инверторах запирание каждого рабочего тиристора происходит при отпирании следующего по порядку работы тиристора другой фазы, но этой же группы.

Инверторы с межфазовой коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания двух тиристоров разных фаз.

По способу управления инверторы разделяются на инверторы с самовозбуждением и с внешним (независимым) возбуждением .

В инверторах с самовозбуждением управляющие импульсы, пода­ваемые на тиристоры, формируются из выходного напряжения инвер­тора. Частота выходного напряжения определяется параметрами на­грузки.

В инверторах с независимым возбуждением управляющие им­пульсы формируются внешним генератором, который и задает частоту выходного напряжения. Ввиду того что частота выходного напряже­ния не зависит от параметров нагрузки, данный тип инверторов полу­чил наиболее широкое распространение в преобразовательной тех­нике.

В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы можно разделить на три основных типа: инверторы тока (рис. 2.2, а); инверторы напряжения (рис. 2.2, в); резонансные инверторы (рис. 2.2, д).

Для инверторов тока характерно то, что они формируют в нагрузке ток (i вых) а форма и фаза напряжения зависят от параметров на­грузки.

Источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включается реактор L d с большой индуктив­ностью. Кроме того, реактор L d выполняет функции фильтра высших гармонических напряжения, так как к нему в любой момент времени прикладывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора; препят­ствует разряду конденсатора на источник питания во время коммута­ции тока в тиристорах и обеспечивает апериодический режим работы инвертора, характерный малыми пульсациями входного тока. Следует отметить, что при питании инвертора от источников с характеристи­ками, близкими к источнику тока, дроссель L d может отсутствовать.

Инвертор тока должен обеспечивать режим работы, при котором между анодом и катодом закрывшегося тиристора в течение некото­рого времени поддерживается отрицательное напряжение, необходи­мое для восстановления запирающих свойств тиристора. Это время t выкл называется временем запирания (рис. 2.2, б ).

При активно-индуктивном характере потребителя баланс реак­тивной мощности обеспечивается коммутирующими и компенсирую­щими конденсаторами. Конденсаторы по отношению к нагрузке могут быть включены параллельно, последовательно, последовательно-па­раллельно.

Для инверторов тока характерен энергообмен между коммутирую­щими и компенсирующими конденсаторами, включенными в цепи пере­менного тока, реактивностями цепи нагрузки и дросселем L d в цепи входного тока.

В режиме холостого хода инвертор тока неработоспособен вслед­ствие роста амплитуды обратных и прямых напряжений на тиристо­рах. При перегрузках его работа затруднена из-за недостаточного вре­мени для восстановления запирающих свойств тиристоров. Инверторы тока имеют близкую к синусоидальной форму выходного напряжения, относительно малые пульсации входного тока, возможность реверса направления потока мощности без изменения направления тока (при переходе в выпрямительный режим). Внешняя характеристика инвер­тора тока мягкая.

Рис. 2.2. Однофазная мостовая схема инвертора тока (а ) и инвертора напряжения (в ); временные диаграммы тока и напряжения на выходе инвертора тока (б ), инвертора напряжения (г ) и резонансного инверто­ра (д ) при активно-индуктивной нагрузке

Инверторы напряжения формируют в нагрузке напряжение, а форма и фаза тока зависят от характера нагрузки. Источник питания инвертора напряжения работает в режиме генератора напряжения. Если инвертор питается от выпрямителя, то на его входе ставится конденсатор достаточно большой емкости для обеспечения проводи­мости источника постоянного напряжения в обратном направлении. Это необходимо, когда в составе нагрузки имеются реактивные эле­менты любого типа. Через обратный выпрямитель (Д1...Д4) осуще­ствляется энергообмен между накопителями, имеющимися в составе нагрузки, и источником питания или конденсатором С 0 , а в много­фазных инверторах - также и энергообмен между фазами нагрузки. Конденсатор С 0 выполняет функции фильтра высших гармонических тока, так как по нему протекает разность между выходным и постоян­ным в пределах полупериодов входным током. Инвертор напряжения может работать в режиме холостого хода. Работоспособность инвер­тора напряжения в режиме, близком к короткому замыканию, опре­деляется коммутационными свойствами полностью управляемых вен­тилей или принятым способом коммутации и параметрами коммути­рующих элементов обычных тиристоров. Инверторы напряжения работоспособны, имеют малые изменения формы кривой и величины выходного напряжения при изменении выходной частоты в широких пределах. Коммутационные процессы в них мало влияют на форму кривой выходного напряжения, а установленная мощность коммути­рующих элементов сравнительно небольшая. Внешняя характеристика инвертора напряжения жесткая.

Основными областями применения инверторов тока и инверторов напряжения являются: стабилизированные по выходным параметрам преобразователи частоты; вторичные источники питания переменным током; установки частотно-регулируемого электропривода.

В резонансных инверторах нагрузка, имеющая, как правило, зна­чительную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. Выклю­чение тиристоров инвертора происходит благодаря плавному спаданию до нуля анодного тока тиристора (тока колебательного контура) на каждом полупериоде (рис. 2.2, д). Собственная частота контура в резонансных инверторах должна быть выше или равна рабочей час­тоте инвертора. Конденсаторы, входящие в состав колебательного кон­тура, могут быть включены последовательно с нагрузкой, параллельно ей или последовательно-параллельно, а дроссели - в цепи входного тока, в анодных цепях вентилей или последовательно с нагрузкой.

Для резонансных инверторов характерен интенсивный энергооб­мен между накопителями, входящими в состав схемы. Резонансные инверторы могут питаться от источников, работающих в режиме ге­нератора э. д. с. или тока. Инверторы, питающиеся от генератора э. д. с., называются инверторами с открытым входом, а питающиеся от генератора тока - с закрытым входом.

Резонансные инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в нагрузке, плавное нарастание (в большинстве схем без обратных диодов) и спад тока через вентили, что обеспечивает малые коммутационные потери мощности в последних. Данный тип инверторов целесообразно применять при повышенных частотах вы­ходного напряжения (единицы кГц, десятки кГц).

Следует подчеркнуть, что конкретные схемы автономных инверто­ров зачастую обладают одновременно признаками разных классифи­кационных групп в зависимости от соотношения параметров, режима работы и т. д.

Инверторы, ведомые сетью.

Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение – напряжению сети.

Принцип работы инвертора, ведомого сетью, можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного инвертора , приведенного на рис. 3, а. Цепь содержит источник постоянной инвертируемой э. д. с. U d . последовательное которым включены тиристор В, дроссель L d и выходной трансформатор Тр . Первичная обмотка Тр подключена к сети переменного тока, создающего на вторичной обмотке напряже­ние u 2 . По отношению к тиристору В это напряжение периодически меняет знак, в одну часть периода складываясь с напряжением U d в другую - вычитаясь из него. По отношению к инвертируемому напряжению тиристор В всегда включен в проводящем направлении.

Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда, когда направления инвертированного тока i B и переменного напряжения u 2 ; противоположны, т. е. когда u 2 и U d встречны.

Процесс инвертирования возможен, если U 2 m > U d . Для инвер­тирования необходимо отпирать тиристор до момента O 1 , когда на­пряжение на аноде будет еще больше нуля. Это имеет место для всех углов управления г < < 0 , где г - граничный угол управления, при котором достигается предельный режим работы инвертора.

Рис. 3 Схемы однофазного (а) и двухфазного (в) инвертора, ведомого сетью; временные диаграмы токов и напряжений (б, г), семейство входных характеристики инвертора (д).

Пренебрегая потерями в схеме, можно записать

где x d - реактивное сопротивление контура.

Из уравнения следует, что скорость изменения тока i B будет прямо пропорциональна разности U d - u 2 .

Если , , ток i B возрастает (рис. 3, б). При U d - u 2 = 0 i B достигает макси­мума, при U d - u 2 < 0 i B уменьшается и поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности дросселя L d . Продолжитель­ность работы тиристора после точки O 1 определяется временем, в течение которого эта энергия будет рассеяна. Величина накоп­ленной энергии пропорциональна площадям S 1 и S 2 , а рассеянной - S 1 ’ и S 2 ’ . Поэтому прерывание тока в цепи инвертора определится моментом, когда при заданном угле управления обе площади (S 1 и S 1 ’ или S 2 и S 2 ’ ) становятся равны между собой.

При изменении угла управления в сторону его уменьшения пло­щадь S 1 будет все время возрастать. В соответствии с этим должна возрастать и площадь S 1 ’ . Однако рост этой площади при указанных значениях U 2 m и U d ограничен участком синусоиды O 1 … O 1 " . Как только будет израсходован весь резерв этой площади, тиристор, раз включившись, уже больше выключиться не сможет, и с точки O 1 ’ его ток начнет снова возрастать под действием напряжения U d - u 2 > 0, инвертор перейдет в режим короткого замыкания. Точка O 1 ’, которая определяет границу устойчивой работы инвертора, на­зывается граничной,

Потеря устойчивости инвертором (опрокидывание) в реальных инверторах наступает раньше, чем это определяется точкой O 1 " , так как для восстановления запирающих свойств тиристора после его вы­ключения необходим некоторый промежуток времени () для расса­сывания электрических зарядов в p-­­ n- переходах. Следовательно, в реальной схеме инвертора тиристор должен выключаться раньше на угол , чем будет достигнута точка O 1 " , причем это опережение долж­но всегда соответствовать наиболее тяжелому режиму работы тирис­тора, при котором = max .

Аналогичную картину можно получить и если = const, a U d = var.

Рассмотренная схема содержит те же элементы, что и управляемый выпрямитель, работающий на противо-э. д. с. Однако роль противо-э. д. с. в инверторном режиме выполняет не U d , а напряжение сети переменного тока. Для того чтобы это могло иметь место, необходимо при переходе от выпрямительного режима к инверторному изменить знак U d и увеличить угол управления за пределы граничного.

Соотношения между основными параметрами схемы при этом не изменяются, и, следовательно, рабочий режим инвертора будет описы­ваться теми же уравнениями, что и рабочий режим управляемого вы­прямителя, с той разницей, что источник U d выступает в этом случае­­­­ не как потребитель, а как генератор активной мощности. За счет этого источника и покрываются все потери в инверторе. Таким образом, обозначив собственную э. д. с. инвертора в режиме холостого хода че­рез U d получим:

где U x и U a - реактивные и активные потери напряжения.

В инверторе, ведомом сетью, U x >> U a . Простейший однофаз­ный инвертор, ведомый сетью, характеризуется весьма низкими энер­гетическими показателями из-за плохого использования выходного трансформатора и значительного искажения формы токов как на сто­роне переменного, так и на стороне постоянного напряжений. По этой причине инверторы, ведомые сетью, как правило, выполняются много­фазными.

На рис. 3, в, г представлены двухфазная схема инвертора и вре­менные диаграммы токов и напряжений, поясняющие его работу.

Выбор требуемых участков рабочего напряжения, при которых обеспечивается поочередный пропуск тока тиристорами В1 и В2 в пределах каждого из периодов переменного напряжения, достигается выбором момента отпирания тиристоров при помощи импульсов управ­ления. При подаче импульса управления на тиристор В1 незадолго до того, как напряжение на фазе А становится отрицательным, этот тиристор отпирается и пропускает ток преимущественно при отрица­тельном напряжении фазы А.

Встречное направление отрицательного напряжения е 21 по отноше­нию к анодному току i 21 свидетельствует о приеме данной фазой мощ­ности от источника постоянного тока. Эта мощность в процессе транс­формации тока передается через вторичную и первичную обмотки трансформатора в сеть однофазного тока. Такая же передача мощнос­ти происходит в следующий полупериод через фазу В вторичной об­мотки, когда через нее и тиристор В2 протекает ток.

Переход (коммутация) тока с тиристора В1 на тиристор В2 проис­ходит так же, как и при выпрямительном режиме, в течение некоторого промежутка времени, называемого углом коммутации .

Роль тиристоров при инвертировании тока сводится к роли пере­ключателей, попеременно замыкающих цепь источника постоянного тока на одну из вторичных обмоток, а именно на ту, которая обеспе­чивает в данную часть периода наиболее отрицательное напряжение. Для того чтобы имела место естественная коммутация тока, характе­ризующаяся переходом тока от одного тиристора к другому, отпира­ние очередного тиристора должно происходить с некоторым опереже­нием против начала отрицательного полупериода. Это опережение в угловом измерении носит название угла опережения .

Угол опережения должен быть достаточен не только для того, чтобы могла совершиться естественная коммутация токов тиристоров (угол ), но и для того, чтобы после коммутации токов оставался до появления положительного напряжения достаточный по величине угол , в течение которого закончивший свою работу тиристор должен успеть восстановить свои запирающие свойства.

Если послекоммутационный угол меньше, чем требуется для восстановления запирающих свойств тиристора, то с появлением поло­жительного напряжения на аноде тиристора, закончившего работу, он вновь отпирается, и ток продолжает протекать при положительном полупериоде переменного напряжения, что приводит к опрокидыванию инвертора.

Таким образом, для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы

где - угол опережения (управления), отсчитываемый от точки пе­ресечения фазовых напряжений в сторону опережения; t восс - время восстановления управляющих свойств тиристора.

Соотношение между токами и напряжениями для ведомого ин­вертора можно получить из соотношений для аналогичной схемы управляемого выпрямителя, в которых вместо подставлено значение ( - ).

Выражение для расчета тока инвертора имеет вид:

Среднее значение входного напряжения инвертора (собственная противо-э. д. с.) суммируется из напряжения холостого хода и прираще­ния напряжения в период коммутации:

Напряжение холостого хода определяется выражением:

(1)

Приращение напряжения, обусловленное явлением коммутации, равно:

или в функции входного тока

(2)

Из выражения (1) и (2) получаем выражение входной ха­рактеристики инвертора:

Из выражения (3) видно, что в отличие от внешней характерис­тики выпрямителя, где второе слагаемое определяет ее спад с ростом тока, у инвертора второе слагаемое определяет подъем входной харак­теристики. Повышение входного напряжения U d b с ростом входного тока I d b объясняется добавлением коммутационной площадки к си­нусоидальному выходному напряжению холостого хода.

На рис. 3, д приведено семейство входных характеристик ин­вертора. Начальные точки на оси ординат соответствуют напряжению Холостого хода. Верхнее ограничение характеристик определяется величинами токов, при которых послекоммутационный угол при за­данном угле становится min , т. е. углом, достаточным для на­дежного восстановления запирающих свойств тиристоров (). Точки A 1 , A 2 , А 3 на входных характеристиках соот­ветствуют предельным токам нагрузки I d b max и предельным напряже­ниям U d b max . Определяя ограничительную характеристику инвертора.

Х арактерные особенности инверторного режима следующие:

а) инвертор может быть построен только на управляемых вентилях, так как большую часть нерабочего интервала к ним приложено поло­жительное напряжение;

б) угол отпирания а должен превышать 90°;

в) полярность напряжения на стороне постоянного тока противопо­ложна полярности выпрямителей;

г) во всем диапазоне изменения тока нагрузки и входного напряжения должно быть выполнено следующее условие: > + min .