Aparat za jednosmjerno zavarivanje. Autonomni pretvarač napona. Princip rada

AUTONOMNI INVERTERI

Pretvaračnazvan uređajem za pretvorbu istosmjerna struja na promjenljivu s konstantnim ili podesivim vrijednostima izlaznog napona i frekvencije. Ako pretvarač radi na opterećenju koje nema drugi izvor napajanja, naziva se autonomnim. Autonomni pretvarači (AI) koriste se za opskrbu potrošača izmjeničnom strujom iz akumulatora ili drugih izvora istosmjerne struje, za električni pogon s regulacijom frekvencije, u sustavima izravne pretvorbe energije, na primjer iz gorivih ćelija, MHD generatora itd.

Osnovni zahtjevi za AI: maksimalna učinkovitost pretvorbe, minimalni pokazatelji težine i veličine i trošak, mogućnost upravljanja U n i Ja van unutar prilično širokog raspona, osiguravajući zadani oblik izlaznog napona, bez smetnji u radu tijekom preopterećenja i praznog hoda itd.

Kao preklopni elementi u autonomnim pretvaračima koriste se tranzistori, konvencionalni i dvostruki tiristori. Prvi se koriste u uređajima s relativno malom snagom, drugi su najprikladniji u AI naponima i u reguliranim pretvaračima. Konvencionalni tiristori ponekad se moraju koristiti zajedno s prisilnim sklopnim krugovima.

Svi se AI mogu podijeliti u više tipova. Prema shemi pretvorbe, AI se razlikuju po broju faza, krugu napajanja i nekim drugim parametrima, koji će biti navedeni u nastavku. Metodom prebacivanja ventila oni mogu biti sljedeći:

pretvarači, potpuno uključeni upravljački krugovi (na tranzistorima i DOT);

pretvarači s preklopnim kondenzatorima spojenim paralelno s opterećenjem;

serijski pretvarači;

AI s dvostupanjskom komutacijom, koja omogućuje regulaciju izlaznog napona.

Međutim, najznačajnija podjela autonomnih pretvarača u dvije vrste su autonomni pretvarači napona (AVI) i AI struja (ANT), ovisno o prirodi izvora napajanja i njegovoj povezanosti s AI (uz to postoje i rezonantni AI, ali oni se rijetko koriste).

Autonomni pretvarač napona.

AVI generira izmjenični napon u opterećenju povremenim spajanjem na izvor napona uslijed naizmjeničnog uparavanja ventila u paru (slika 1, a).

Napajanje radi u načinu generatora napona (akumulator ili ispravljač s kapacitivnim filtrom), svrha kondenzatora bit će dalje objašnjena.

Lik: 1. Samostalni pretvarač napon (a) i dijagram njegovog rada (b)

Vrata moraju biti u potpunosti kontrolirana (DOT) ili se svaki tiristor isporučuje s prisilnim komutacijskim krugom. Kada krug radi na opterećenju, formiraju se pravokutni impulsi napona (slika 1, b), a oblik struje ovisi o njezinoj prirodi. Ako je opterećenje čisto aktivno, tada se trenutni oblik podudara s naponskim oblikom (isprekidana crta na slici 1, b), ako je opterećenje aktivno-induktivno, struja ja n mijenja se eksponencijalno s vremenskom konstantom

... Pri zatvaranju sljedećeg para ventila (na primjer, VD1 i VD4 ) i otključavanje napona drugog para U n naglo se mijenja, a struja neko vrijeme

drži svoj smjer. Da bi se osigurao prolaz ove struje, koriste se takozvane reverzne diode. VD5... VD8, tada se kroz kondenzator zatvara struja IZ.

Učestalost struje u opterećenju određuje se upravljačkim krugom, karakteristika opterećenja AVI je kruta, jer je napon na opterećenju praktički jednak U n \u003d E.

Budući da ulazna struja samog pretvarača postaje (at RL- opterećenje) naizmjenično, a onda kada AVI radi iz ispravljača, potreban je kondenzator IZvelikog kapaciteta. AVI može raditi u širokom rasponu opterećenja - od praznog hoda do vrijednosti pri kojoj se ventili mogu preopteretiti.

Maksimalna vrijednost struje opterećenja sa simetričnom prirodom izlaznog napona je

,

Gdje

;

;T-razdoblje.

Možete prilagoditi napon na izlazu AVI, bilo promjenom E, ili pomoću kontrole širine impulsa. Potonje se provodi na nekoliko načina: 1) svaki impuls napona u opterećenju formira se od nekoliko koji mijenjaju svoje trajanje (slika 2, a); 2) smanjenje radnog vremena AVI u svakom poluperiodu zatvaranjem jednog para ventila i uključivanjem drugog para s odgodom (slika 2, b); 3) uporaba dva pretvarača koji rade na zajedničko opterećenje putem transformatora s geometrijskim dodavanjem izlaznih napona upravljanjem faze u upravljačkim krugovima (slika 2, c). U prva dva slučaja amplitude viših harmonika povećavaju se, ali u prvoj se verziji može dobiti izlazni napon blizu sinusoidnog oblika.

Lik: 2. Regulacija napona u AIN

Autonomni pretvarač struje.

AIT (slika 3) dobiva snagu iz izvora napajanja kroz dovoljno veliku induktivnost, tako da se struja koju troši pretvarač praktički ne mijenja. Pri naizmjeničnom prebacivanju parova tiristora (koji se ne zaključavaju) u opterećenju se stvaraju pravokutni strujni impulsi, a oblik napona ovisi o prirodi opterećenja, koje je u pravilu aktivno-kapacitivno. Načinom spajanja kondenzatora na opterećenje, AIT se naziva paralelnim.

Kao što se vidi sa Sl. 3, pri sljedećem prebacivanju parova tiristora (na primjer, VD1 i VD4, a obuhvaćeni su upravljačkim krugom VD2 i VD3 ) kroz opterećenje struja se naglo mijenja, a uslijed prekomjernog punjenja kondenzatora IZtijekom određenog vremenskog intervala, prethodno radni tiristori su pod obrnutim naponom i, naravno, zaključani su. Potrebno je da taj interval bude duži od vremena isključenja tiristora. Što je vremenska konstanta veća

, što se sporiji napon na opterećenju mijenja, zakon njegove promjene približava se linearnom, a oblik - trokutnom. Vanjska karakteristika AIT-a je mekana (strmo pada), režim mirovanja je nemoguć.

Lik: 3. Autonomni pretvarač struje (a) i njegov dijagram rada (b)

Relativna vrijednost napona na opterećenju i vrsta vanjske karakteristike mogu se približno pronaći iz formule

gdje - Učinkovitost AIT-a;

.

Treba imati na umu da s aktivno-induktivnim opterećenjem AIT ne radi i takvo opterećenje mora kondenzator izbjeći.

Budući da je u praksi to teško osigurati

za AIT ili

IZza AIN, stvarni krugovi imaju neke srednje kvalitete.

Za napajanje jednofaznog opterećenja relativno male snage naponom koji se osjetno razlikuje od napona napajanja prikladno je upotrijebiti sklop u kojem je jedan par tiristora zamijenjen polovičnim namotima transformatora, a sam vam omogućuje podudaranje U n i U n (slika 4).

Lik: 4. Paralelni tranzistorski pretvarač

Na primjer, kad je uključen, VD1 struja teče iz napajanja kroz L, polu-navijanje W1 transformator Tr i VD1. U sekundarnom namotu inducira se EMR, a u opterećenju se pojavljuje struja. Preklopni kondenzator IZpuni se gotovo dvostruko od mrežnog napona (zbog EMF samoindukcije u namotu W2). Kada će se uključiti upravljački krug SU VD2, ispada da je kondenzator spojen paralelno VD1, trenutno se zaključava (budući da se napon primjenjuje u smjeru zaključavanja) i postupak se ponavlja.

Opterećenje generira napon s frekvencijom određenom upravljačkim krugom. Oblik napona ovisi o R n (za velike R n bliži je trokutastom, s manjim R n - do pravokutnog), vrijednost - od E,omjer transformacije i vrijednosti R n .

Napon uključen L jednaka je razlici između U c (pretvoreno u polovicu primarnog namota) i E.U načinima rada u praznom hodu, kondenzator se puni konstantnom strujom i U c mogu doseći velike (mnogo više E)vrijednosti, što je opasno za tiristore.

Kao upravljački krug možete koristiti tranzistorski simetrični multivibrator s emiterskim sljedbenicima povezanim na upravljačke elektrode tiristora, napajane istim izvorom napajanja. Krug je pogodan za E= 12 ... 250 V, Ja n \u003d 1 ... 50A, f\u003d 10 ... 2000 Hz.

Za dobivanje se ponekad koriste serijski pretvarači naizmjenična struja povećana učestalost ( f\u003d 2 ... 50 kHz). Imaju rezonantni krug kojim se prebacuju ventili. Krug radi na sljedeći način (slika 5). Kada se primijeni upravljački signal, on se otvara VD1, struja teče kroz L1, R n , OD.U sljedećem poluperiodu uključuje se VD2 i kondenzator IZ,napunjen tijekom prvog poluciklusa, prazan nakon R n , L2 i VD2. Krug može raditi u nekoliko načina.

Lik: 5. Serijski pretvarač (a) i načini rada (b-d)

U načinu isprekidanih struja (slika 5, b) VD1 isključuje se nakon pada struje punjenja kondenzatora IZ, tj. do trenutka kada shema upravljanja uključuje VD2 (i obrnuto). Kao rezultat, postoji vremenski interval kada oba ventila ne provode struju i Ja n = 0.

U načinu kontinuiranih struja (slika 5, d) VD1 isključuje se kad je uključen VD2, odnosno postoji stanje kada oba ventila vode struju. Ugasiti VD1 u ovom se slučaju provodi zbog činjenice da kada uključite VD2 i prolaz struje pražnjenja IZkroz L2 u L1 formira se povratni EMF dovoljan za smanjenje otvorene struje VD1 na nulu. Za to je potrebno da uključivanje VD2 dogodila se kada je struja kroz VD1 već počeo propadati. Inače, način "kroz" struje kroz VD1, L1, L2 i VD2 , tj. način kratkog spoja.

Optimum je granični način (slika 5, c), u kojem je oblik struje u opterećenju blizak sinusoidi. Preporučljivo je koristiti takve pretvarače pri konstantnim vrijednostima svih parametara, uključujući opterećenje, uz istovremeno pružanje prilično krutih vanjskih karakteristika. Budući da pri malim opterećenjima pretvarač može paralelno ispasti iz rada R n uključuju IZ 0 a pretvarač se pretvara u serijski paralelni.

Ako spojite drugi kondenzator IZ 1 , tada se pretvarač pretvara iz jednotaktnog u dvotaktni, dok se puni IZ,ispražnjen IZ 1 i obrnuto. To poboljšava učinkovitost sklopa.

Serijski pretvarači mogu biti i višefazni.

Pretvarač u elektronici što je to

Pretvarač u elektronici i elektrotehnici je uređaj za pretvorbu istosmjerne struje u izmjeničnu s podesivim ili konstantnim vrijednostima napona i frekvencije na izlazu. Ako je pretvarač dizajniran za opterećenje koje nema alternativni izvor napajanja, naziva se autonomnim. Pronašli su široku primjenu za napajanje potrošača izmjeničnom strujom iz akumulatora ili drugih izvora, za električne pogone s regulacijom frekvencije, u raznim sustavima izravne pretvorbe energije, u aparatima za zavarivanje u energetskoj i medicinskoj tehnologiji itd.

Koncept pretvarača može se zasebno razlikovati: to je logični element koji izvodi logičku operaciju negacije (inverzije)

Rad pretvarača temelji se na prebacivanju izvora konstantnog napona s određenom frekvencijom radi povremene promjene polariteta napona na izlazu uređaja. Frekvenciju postavljaju upravljački signali generirani posebnim krugom koji se naziva kontroler. Također može obavljati sljedeće funkcije: regulaciju razine napona, sinkronizaciju frekvencije prebacivanja, zaštitu od preopterećenja itd.

Prema principu rada, pretvarači se mogu podijeliti na:

Autonomna podijeljeni su u pretvarače napona (AVI), na primjer - u računalne UPS-ove i pretvarače struje (AIT)
Ovisan - upravljan mrežom, na primjer - pretvarač snage X-zraka.

Sve vrste tranzistora, kao i standardni i tiristori s dva rada, naširoko se koriste u ulozi preklopnih elemenata u autonomnim pretvaračima (AI). Tranzistorski prekidači na bipolarnim i poljskim tranzistorima koriste se u uređajima male i srednje snage. Tiristori se često koriste u krugovima velike snage.

Svi se AI mogu podijeliti u nekoliko vrsta.

Prema shemi pretvorbe: jednofazni, trofazni, razni krugovi napajanja i neka druga svojstva.
Metodom prebacivanja: potpuno komutirani u upravljačkim krugovima i s komutirajućim kondenzatorima paralelno s opterećenjem i u serijskim pretvaračima s dvostupanjskom komutacijom
A također i AI napon (AIN) i struja (ANT), ovisno o o vrsti izvora napajanja i njegovoj povezanosti s AI

Samostalni pretvarač napona (AVI)

Uređaji ove vrste generiraju izmjenični napon u opterećenju povremenim spajanjem na izvor napona izmjeničnim spajanjem ventila u parovima, pogledajte donju sliku.

Napajanje djeluje kao generator napona (baterija ili ispravljač s kapacitivnim filtrom).

Svaki je tiristor opremljen komutacijskim krugom. Kada krug radi na opterećenju, stvaraju se impulsi napona pravokutnog oblika, a oblik struje ovisi o njegovoj prirodi opterećenja. Ako je čisto aktivan, tada oblik impulsa struje ponavlja oblik napona (isprekidana crta na dijagramu), ako je opterećenje aktivno induktivno, struja i n se mijenja eksponencijalno s vremenskom konstantom:

Kad se sljedeći par tiristora (VD1 i VD4) isključi i otvori drugi par, Un se naglo mijenja, a struja nastavlja zadržavati smjer neko vrijeme. Da bi se osigurao protok ove struje, potrebne su reverzne diode VD5-VD8, a zatim se struja zatvori kroz kondenzator C.

Učestalost struje u opterećenju postavlja upravljački krug, karakteristika opterećenja pretvarača je kruta, jer je napon na opterećenju Un \u003d E.

Stoga će ulazna struja AVI biti (pri RL opterećenju) naizmjenična, a onda kada AVI radi iz ispravljača, potreban je kondenzator s velikim kapacitetom. Takav je krug sposoban raditi u velikom rasponu opterećenja - od broja okretaja u praznom hodu (XX) do vrijednosti pri kojima će ventili vjerojatno preopteretiti.

Maksimalne razine struje u opterećenju sa simetričnom prirodom izlaznog napona bit će:

I nmax \u003d I 0 × (1-e -T / 2τ / 1 + e -T / 2τ)

Gdje je I 0 \u003d E / R n; τ \u003d Ln / Rn; T - razdoblje

Napon na izlazu pretvarača moguće je regulirati promjenom E ili regulacijom širine impulsa. Potonje se može učiniti na nekoliko načina:

svaki impuls napona u AIN opterećenju formiran je od nekoliko koji mijenjaju svoje trajanje (slika a);
smanjenje radnog vremena u svakom poluciklusu zatvaranjem jednog para tiristora i uključivanjem drugog para s odgodom (slika b);
Korištenje 2 pretvarača koji rade na zajedničko opterećenje preko transformatora s geometrijskim dodavanjem izlaznih napona podešavanjem faze u upravljačkim krugovima (c).

U prve dvije verzije amplitude viših harmonika povećavaju se, ali u prvom se slučaju može dobiti izlazni napon blizu sinusnog oblika.

Autonomni pretvarač struje (AIT)

Krug se napaja kroz veliku induktivnost, tako da trenutna potrošnja ostaje praktički nepromijenjena. Pri naizmjeničnom prebacivanju ventelskih parova (koji se ne mogu zaključati), u opterećenju se generiraju pravokutni strujni impulsi, a oblik napona ovisi o prirodi opterećenja, koje je obično aktivno-kapacitivno.

Kao što se može vidjeti iz donjeg dijagrama, pri sljedećem prebacivanju tiristora (na primjer, VD1 i VD4 su radili, a VD2 i VD3 su uključeni) kroz opterećenje, struja se naglo mijenja, a zbog prenapunjenja kapacitivnosti C u određenom vremenskom intervalu, prethodno radni tiristori bit će pod povratnim naponom i stoga zaključani ... Potrebno je osigurati da je taj interval duži od vremena isključivanja poluvodičkog ventila. Što je veća vremenska konstanta tau, to se sporiji napon na opterećenju mijenja, zakon njegove promjene praktički se približava linearnom, a oblik impulsa teži trokutastom. Vanjska karakteristika pretvarača struje je mekana (strmo pada), režim praznog hoda potpuno je nemoguć.

Relativna vrijednost napona na opterećenju i izgled karakteristike se mogu približno izračunati formulom:

Treba dodati da s aktivno-induktivnim opterećenjem uređaj ne radi i takvo opterećenje mora biti kondenzator.

Budući da je u stvarnim uvjetima teško osigurati L \u003d ∞ ili C \u003d ∞, stvarni AIN i AIT sheme imaju neka međusredna svojstva.

Za napajanje jednofaznog opterećenja male snage naponom koji se osjetno razlikuje od razine izvora napajanja prikladno je koristiti sklop u kojem je jedan par poluvodičkih ventila zamijenjen polunamotima transformatora, a sam vam omogućuje usklađivanje U n i U n.

Kada je VD1 ventil uključen, struja teče iz napajanja kroz induktivitet, polovični namotaj W1 transformatora i samog VD1. U sekundarnom namotu inducira se EMR, a u spojenom opterećenju stvara se struja.

Preklopni kapacitet C nabijen je gotovo do razine dvostrukog mrežnog napona (zbog pojave EMF samoindukcije u W2). Kada upravljački krug CS-a uključi drugi tiristor, ispada da je kondenzator povezan paralelno s VD1, koji je zaključan i algoritam rada se ponavlja.

Opterećenje generira napon na frekvenciji određenoj upravljačkim krugom. Oblik napona ovisi o otporu opterećenja Rn (pri velike vrijednosti bliži je trokutastom, na nižim - pravokutnom), vrijednost je iz omjera transformacije, E i vrijednosti R n.

Napon na induktivitetu određuje se razlikom između U c (preračunato na polovicu primarnog namota) i E. U načinima rada blizu XX, kapacitivnost se puni stalnom strujom, a U c može doseći ogromne (\u003e E) vrijednosti, što je opasno za poluvodičke elemente.

U ulozi upravljačkog kruga možete koristiti tranzistorski simetrični multivibrator s emiterskim sljedbenicima povezanim na upravljačke elektrode tiristora, napajane istim napajanjem.

Serijski pretvarači ponekad se koriste za generiranje izmjenične struje s frekvencijom (f \u003d 2 ... 50 kHz). Imaju svoj vlastiti rezonantni krug, uz pomoć kojeg se prebacuju tiristori. Krug na donjoj slici radi na sljedeći način. Kada se primijeni upravljački signal, VD1 se otvori, struja teče kroz L1, Rn, C. U sljedećem poluciklu se tiristor VD2 uključuje i kondenzator C, napunjen tijekom prvog poluciklusa, prazni kroz Rn, L2 i drugi tiristor. Krug je sposoban raditi u nekoliko načina.

U načinu isprekidane struje (vidi grafikon b), VD1 se isključuje nakon pada struje naboja kondenzatora C, odnosno do trenutka kada upravljački krug uključi drugi tiristor (i obrnuto). Kao rezultat, pojavljuje se vremenski interval kada oba tiristora ne provode struju i In \u003d 0.

U načinu kontinuiranih struja (graf, d), prvi tiristor se isključuje u trenutku kada je VD2 uključen, odnosno pojavljuje se stanje kada oba tiristora prolaze struju. U ovom slučaju, VD1 je isključen zbog činjenice da kada je VD2 uključen i struja pražnjenja kondenzatora teče kroz L2, u L1 se stvara povratni EMF, dovoljan da smanji otvorenu struju prvog tiristora na nulu. To zahtijeva da se VD2 uključi kada je struja kroz VD1 već počela padati. Inače, neizbježni način prolaska struje kroz VD1, L1, L2 i VD2, tj. Način kratkog spoja.

Optimalnim načinom rada smatra se granični način (graf, c), u kojem oblik struje u opterećenju teži sinusoidnom. Preporučljivo je koristiti takve pretvarače s konstantnim vrijednostima svih parametara, uključujući opterećenje, istovremeno pružajući krute vanjske karakteristike. Budući da pri malim opterećenjima pretvarač može pasti iz načina rada, kondenzator C 0 spojen je paralelno s R n, a pretvarač se pretvara u serijski paralelni.

Ako spojite drugi kondenzator C1, tada se pretvarač pretvara iz jednotaktnog u push-pull, dok se C puni, C1 se prazni i obrnuto. To značajno povećava učinkovitost kruga. Serijski pretvarači su također višefazni.

Pretvarači su pretvarači istosmjerne u izmjeničnu struju. Glavni elementi pretvarača (i pretvarača također) su sklopni uređaji koji povremeno prekidaju struju ili mijenjaju njezin smjer. Pretvarači su klasificirani prema vrsti sklopnog uređaja (tranzistor ili tiristor), prema vrsti pretvorene vrijednosti (pretvarači struje ili napona), prema principu prebacivanja (autonomno ili upravljano mrežom). Tranzistorski pretvarači koriste se pri malim snagama, ne većim od stotina vata, tiristorski - pri velikim snagama i strujama, dosežući stotine ampera.

U pogonima pretvarača način pretvarača može se izmjenjivati \u200b\u200bs načinom ispravljača, posebno u istosmjernim pogonima. U motornom načinu rada pretvarač djeluje kao ispravljač, prenoseći snagu na istosmjerni motor. Kada se električni motor prebaci u način rada generatora (spuštanje tereta, kretanje nizbrdo, itd.), Pretvarač radi kao pretvarač, odajući energiju generirane istosmjerne struje električni auto, na AC mrežu. Kada se invertira, izvor stalnog napona radi kao generator energije, karakteriziran činjenicom da se smjer ovog EMF-a i struje poklapaju, a izmjenično opterećenje - kao potrošač, čiji su EMF i struja suprotni.

Mrežni pretvarači. Na slici 3.41 prikazan je jednofazni pretvarač s punim valom nultog izlaza. Tiristori se naizmjenično otključavaju upravljačkim krugom svake polovice razdoblja a \u003d p, a zaključavaju ih sekundarni napon U 2 transformatora koje generira mreža. Stoga se pretvarač naziva slave. Prema E tiristori su uključeni u smjeru prema naprijed. napon U 2-1 , U 2-2 na sekundarnim namotima povremeno mijenja znak, u polovici razdoblja zbrajajući E, a u drugom - oduzimanjem od njega. Energija se prenosi iz pretvarača u izmjeničnu mrežu kada je smjer struje ja 2 i izmjenični napon U 2 su nasuprot, t.j. kada i U 2 i E brojač.

Postupak invertiranja moguć je samo kada U 2 > E... U obrnutom načinu U 2 (U 1) i Ja 2 (Ja 1) su antifazni, što je pokazatelj prijenosa energije u mrežu.

Za a \u003d 0 (u općenitom slučaju za 0< a < p/2) инвертор может работать как выпрямитель.

Da biste krug prebacili iz načina ispravljanja u način invertiranja, morate:

1) spojiti izvor konstantne struje s polaritetom suprotno načinu ispravljanja;

2) osigurati otvaranje tiristora s negativnim polaritetom napona na polovičnim namotima U 2-1 , U 2-2 .

Ali ako je sljedeći tiristor otključan točno pod upravljačkim kutom a \u003d p, tada se drugi tiristor neće imati vremena zatvoriti, jer potrebno je vrijeme jednako t s tiristora. Zatim neko vrijeme t duž kruga nastaje kratki spoj: sekundarni namot - zasun tiristor - izvor E... Ova pojava naziva se inverter stall ili inverter rollover. Da bi se izbjegao ovaj neželjeni postupak, potrebno je napraviti kontrolni kut manji od p za neki kut b, nazvan kutom napredovanja otključavanja - slika 3.42.

Kut napredovanja mora biti dovoljan da se tiristorske struje mogu prebaciti (razdoblje prebacivanja γ) i da nakon prebacivanja zatvarajući tiristor ima vremena za obnavljanje svojstava blokiranja.

Snaga koju mrežni pretvarač pretvara u mrežu može se regulirati na 3 načina: promjenom konstantnog kuta olova E; promjenom napona napajanja E uz konstantan napredak b Varijacija izmjeničnog napona U 2 .

Samostalni pretvarač struje prikazan je na si. 3.43. Napajanje E radi u trenutnom načinu rada zbog prisutnosti prigušnice L o velika induktivnost. Tiristori T 1 , T 2 otvaraju se naizmjenično aktiviranjem impulsa U ulaz 1, U ulaz 2 koji dolazi iz upravljačkog sustava.

Otvoreni tiristor T 1 spaja lijevu polovicu namota na crtežu w 1-1 na napajanje E i u njemu nastaje struja ja t1. Ova struja inducira EMF u drugom (desnom) namotu w 1-2 i u sekundarnom w. Kondenzator IZ k, puni se na dvostruku vrijednost napona napajanja E. Nakon dolaska ulaznog upravljačkog impulsa U ulaz 2 tiristor T 2 otvara se i napon na kondenzatoru isključuje prvi tiristor T 1. Kondenzator IZ do, pražnjenja kroz primarni namot i neko vrijeme ( t isključeno) - kroz oba otvorena tiristora. Jednom tiristor T 2 će se zatvoriti, isprazniti IZ do, zaustavlja se i počinje puniti do 2 E različita polarnost.

U načinu mirovanja, prilikom prebacivanja tiristora mogu se pojaviti veliki prenaponi koji štetno utječu na tiristore i kondenzator. Da se to ne bi dogodilo, koristi se poboljšani krug s presječenim diodama.

Tiristorski pretvarači - to su uređaji koji rade na autonomnom opterećenju i dizajnirani su za pretvaranje istosmjernog napona u izmjenični napon zadane ili podesive frekvencije. Invertiranjem nazvan proces pretvaranja istosmjerne energije u izmjeničnu energiju (slika 1).

Slika 1 Dijagram istosmjerne i izmjenične struje.

Primjena:

1. U sustavima napajanja AC potrošača, kada je jedini izvor napajanja izvor istosmjernog napona (na primjer: akumulator ili solarna baterija).

2. U sustavima zajamčenog napajanja u slučaju nestanka struje (na primjer: za osobne potrebe elektrana, računala).

3. Za frekvencijsku regulaciju brzine vrtnje asinkronih motora.

4. Za napajanje AC potrošača iz istosmjernih vodova.

5. U pretvaračima za pretvaranje konstantnog napona jedne vrijednosti u konstantni napon druge vrijednosti.

Sklopni elementi u pretvaračima su tiristori ili tranzistori snage.

Pretvarači su klasificirani na:

1. Samostalni pretvarači i pretvarači frekvencije.

2. Pretvarači koje pokreće mreža.

Samostalni pretvarači i pretvarači frekvencije.

Samostalni pretvarači su uređaji koji pretvaraju istosmjernu struju u izmjeničnu s konstantnom ili podesivom frekvencijom i rade na autonomnom opterećenju. Za razliku od mrežnih pretvarača, samostalni pretvarač na AC strani nema drugi izvor napajanja iste frekvencije osim samog pretvarača.

Pretvarači frekvencije su uređaji koji pretvaraju izmjeničnu struju jedne frekvencije u izmjeničnu drugu frekvenciju.

DO autonomni pretvarači i pretvarači frekvencijerad u određenoj instalaciji, nameću se sljedeći zahtjevi:

1) osiguravanje maksimalne učinkovitosti;

2) minimalni instalirani kapacitet pojedinih jedinica i elemenata;

3) mogućnost široke regulacije izlaznog napona;

4) osiguravanje stabilnosti izlaznog napona pri promjeni veličine i prirode tereta, kao i ulaznog napona;

5) pružanje sinusoidne ili blizu sinusoidalne krivulje izlaznog napona;

6) mogućnost regulacije unutar određenih granica izlazne frekvencije, što je prije svega potrebno u instalacijama električnog pogona ventila;

7) odsutnost poremećaja inverzije tijekom preopterećenja;

8) sposobnost rada u praznom hodu;

9) osiguravanje maksimalne pouzdanosti i stabilnosti. Prirodno, zahtjevi za samostalne krugove pretvarača ovise o specifičnoj namjeni pretvarača. Stoga se mora odabrati optimalna varijanta kruga pretvarača, uzimajući u obzir način rada opterećenja koja se napajaju iz njega.

Mogu se klasificirati samostalni pretvarači iz sljedećih glavnih razloga:

1) prema shemi pretvorbe;

2) metodom prebacivanja (zaključavanja);

3) načinom upravljanja;

4) po prirodi toka elektromagnetskih procesa.

Postoje sljedeći glavni krugovi za pretvorbu:

1) pojedinačni ventil (slika 2.1, i);

2) jednofazni s nultim izlazom (slika, 2.1, b);

3) jednofazni s nultom stezaljkom napajanja (slika 2.1, u);

4) jednofazni most (slika 2.1, d);

5) trofazni most (slika 2.1, e);

6) trofazni s nultim izlazom (slika 2.1, e).

Sve ostale sheme izvedeni su iz navedenih skupina. Mostni krugovi se najviše koriste u pretvaračkoj tehnologiji. Autonomni pretvarači mogu se podijeliti u nekoliko skupina prema preklopnoj metodi.

Lik: 2 .1. Sheme pretvorbe

Pretvarači s pojedinačnom komutacijom. Preklopni uređaj pretvarača služi za blokiranje jednog tiristora (krak vrata) pretvarača. Ova vrsta pretvarača uključuje pretvarače na potpuno kontroliranim ventilima - tiristorima s dva rada i tranzistorima snage.

Pretvarači s faznom komutacijom. Preklopni uređaj pretvarača koristi se za naizmjenično blokiranje tiristora dva kraka ventila, koji se odnose na jednu fazu pretvarača.

Pretvarači s grupnom komutacijom. U takvim pretvaračima zasebni sklopni uređaj služi za blokiranje svih krakova ventila jedne skupine (anoda ili katoda).

Uobičajeni komutirani pretvarači. Preklopni uređaj je zajednički svim krakovima vrata pretvarača. Preklopni uređaj pretvarača sadrži jedan sklopni kondenzator.

Pretvarači s komutacijom između ventila. U takvim se pretvaračima zaključavanje svakog radnog tiristora događa kada se otključa sljedeći tiristor u redoslijedu rada druge faze, ali iste skupine.

Pretvarači faze u fazu. Preklopni uređaj pretvarača koristi se za naizmjenično blokiranje dva tiristora različitih faza.

Prema upravljačkoj metodi pretvarači se dijele na pretvarači sa samopobuđivanjem i s vanjskim (neovisnim) pobuđivanjem.

U pretvaračima koji se sami pobuđuju, upravljački se impulsi koji se napajaju na tiristorima formiraju iz izlaznog napona pretvarača. Učestalost izlaznog napona određuje se parametrima opterećenja.

U pretvaračima sa neovisno uzbuđenje upravljački impulsi su formirani od vanjskog generatora, koji podešava frekvenciju izlaznog napona. S obzirom na to da frekvencija izlaznog napona ne ovisi o parametrima opterećenja, ovaj se tip pretvarača najviše koristi u tehnologiji pretvarača.

Ovisno o karakteristikama protoka elektromagnetskih procesa, autonomni pretvarači mogu se podijeliti u tri glavne vrste: pretvarači struje (Slika 2.2, a); pretvarači napona (Slika 2.2, c); rezonantni pretvarači (Slika 2.2, e).

Pretvarači struje karakterizirani su činjenicom da stvaraju struju u opterećenju ( ja out) a oblik i faza napona ovise o parametrima opterećenja.

Izvor istosmjerne struje radi u načinu generatora struje, za koji je u ulaznom krugu uključen reaktor L d s velikom induktivnošću. Pored toga, reaktor L d obavlja funkcije filtra viših harmoničnih napona, budući da se na njega u bilo kojem trenutku primjenjuje razlika između konstantnog napona izvora napajanja i napona mreškanja na ulazu pretvarača; sprječava pražnjenje kondenzatora na izvor napajanja tijekom prebacivanja struje u tiristorima i osigurava aperiodični način rada pretvarača, što je karakteristično za male valove ulazne struje. Treba imati na umu da kada se pretvarač napaja iz izvora s karakteristikama bliskim trenutnom izvoru, prigušnica L d može biti odsutan.

Pretvarač struje mora osigurati način rada u kojem se neko vrijeme održava negativni napon između anode i katode zatvorenog tiristora, što je neophodno za obnavljanje svojstava blokiranja tiristora. Ovaj put t isključeno naziva se vrijeme zatvaranja (slika 2.2, b).

Uz aktivno-induktivnu prirodu potrošača, ravnoteža jalove snage osigurava se preklopnim i kompenzacijskim kondenzatorima. Kondenzatori u odnosu na opterećenje mogu se povezati paralelno, serijski, serijski paralelno.

Pretvarači struje karakterizirani su izmjenom energije između sklopnih i kompenzacijskih kondenzatora uključenih u krug izmjenične struje, reaktancija kruga opterećenja i prigušnice L d u krugu ulazne struje.

U režimu praznog hoda pretvarač struje ne radi zbog povećanja amplitude napona unatrag i naprijed na tiristorima. Pri preopterećenjima je njegov rad otežan zbog nedovoljnog vremena za obnavljanje svojstava blokiranja tiristora. Pretvarači struje imaju gotovo sinusoidalni izlazni napon, relativno malu valovitost ulazne struje, mogućnost preokretanja smjera strujanja bez promjene trenutnog smjera (pri prebacivanju u način ispravljača). Vanjska karakteristika pretvarača struje je mekana.

Lik: 2.2. Jednofazni mostovni krug pretvarača struje ( i) i pretvarač napona ( u); vremenski dijagrami struje i napona na izlazu pretvarača struje ( b), pretvarač napona ( r) i rezonantni pretvarač ( d) s aktivno-induktivnim opterećenjem

Pretvarači napona stvaraju napon u opterećenju, a oblik i faza struje ovise o prirodi opterećenja. Napajanje pretvarača napona radi u načinu generatora napona. Ako se pretvarač napaja ispravljačem, tada se na njegov ulaz postavlja dovoljan kondenzator velikog kapaciteta kako bi se osigurala vodljivost izvora stalnog napona u suprotnom smjeru. To je neophodno kada teret sadrži reaktivne elemente bilo koje vrste. Kroz obrnuti ispravljač (D1 ... D4) izmjena energije vrši se između akumulacijskih jedinica uključenih u teret i izvora energije ili kondenzatora Od 0, a u višefaznim pretvaračima - također razmjena energije između faza opterećenja. Kondenzator Od 0 obavlja funkcije filtra struja viših harmonika, budući da kroz njega teče razlika između izlazne i konstantne ulazne struje unutar pola razdoblja. Pretvarač napona može raditi u režimu praznog hoda. Funkcionalnost pretvarača napona u načinu rada blizu kratkog spoja određuje se preklopnim svojstvima potpuno kontroliranih ventila ili usvojenom metodom prebacivanja i parametrima preklopnih elemenata konvencionalnih tiristora. Pretvarači napona su učinkoviti, imaju male promjene u obliku krivulje i veličini izlaznog napona kada se izlazna frekvencija mijenja u širokom rasponu. Preklopni procesi u njima imaju malo utjecaja na oblik krivulje izlaznog napona, a instalirana snaga preklopnih elemenata je relativno mala. Vanjska karakteristika pretvarača napona je kruta.

Glavna područja primjene pretvarača struje i napona su: pretvarači frekvencije stabilizirani izlaznim parametrima; sekundarni izvori napajanja s izmjeničnom strujom; ugradnja frekvencijskog električnog pogona.

U rezonantnim pretvaračima opterećenje koje u pravilu ima značajnu induktivnost tvori oscilatorni krug s rezonancijom napona s reaktivnim elementima kruga pretvarača. Tiristori pretvarača isključuju se zbog glatkog pada na nulu anodne struje tiristora (struje oscilacijskog kruga) u svakom poluciklu (slika 2.2, e). Prirodna frekvencija kruga u rezonantnim pretvaračima mora biti veća ili jednaka radnoj frekvenciji pretvarača. Kondenzatori koji su dio titrajnog kruga mogu se povezati serijski s opterećenjem, paralelno s njim ili serijski paralelno, i prigušnice u krugu ulazne struje, u anodnim krugovima ventila ili u seriji s opterećenjem.

Rezonantne pretvarače karakterizira intenzivna izmjena energije između uređaja za pohranu koji čine krug. Rezonantni pretvarači mogu se napajati iz izvora koji rade u načinu generatora. itd. sa. ili trenutni. Pretvarači napajani generatorom. itd., nazivaju se pretvarači s otvorenim ulazom, a napajaju ih strujni generator - sa zatvorenim ulazom.

Rezonantni pretvarači imaju gotovo sinusni oblik napona i struje u opterećenju, glatki porast (u većini krugova bez povratnih dioda) i pad struje kroz ventile, što osigurava male gubitke sklopne snage u potonjem. Preporučljivo je koristiti ovu vrstu pretvarača na povećanim frekvencijama izlaznog napona (jedinice kHz, deseci kHz).

Treba naglasiti da određene sheme autonomnih pretvarača često imaju istodobno znakove različitih klasifikacijskih skupina, ovisno o omjeru parametara, načinu rada itd.

Mrežni pretvarači.

Slave pretvarači (VI) rade na mreži koja ima druge izvore električne energije. Preklopni ventili u njima provode se energijom ove mreže. Frekvencija na izlazu VI jednaka je mrežnoj frekvenciji, a napon jednak mrežnom naponu.

Načelo rada mrežnog pretvarača može se razmotriti na primjeru najjednostavnijeg jednofazni pretvarač prikazan na sl. 3, i. Krug sadrži izvor konstantne obrnute e . itd. sa. U d... serija koja uključuje tiristor U, gas L d i izlazni transformator Tr... Primarni namot Tr spojena na mrežu izmjenične struje koja stvara napon na sekundarnom namotu u 2... S obzirom na tiristor U ovaj napon povremeno mijenja znak, u jednom dijelu razdoblja koji se zbraja s naponom U du drugu - oduzimanjem od nje. S obzirom na obrnuti napon, tiristor U uvijek u vodljivom smjeru.

Energija se prenosi iz pretvarača u izmjeničnu mrežu kada se usmjeravaju obrnuta struja i B i izmjenični napon u 2; su suprotni, tj. kada u 2 i U d brojač.

Proces invertiranja je moguć ako U 2 m\u003eU d.Za invertiranje potrebno je otvoriti tiristor do trenutka O 1, kada je anodni napon čak veći od nule. To je slučaj za sve kontrolne kutove r< < 0 , gdje je r granični kut upravljanja pod kojim se postiže maksimalni način rada pretvarača.

Lik: 3 sheme jednofaznog (a) i dvofaznog (b) pretvarača koje pokreće mreža; vremenski dijagrami struja i napona (b, d), porodica ulaznih karakteristika pretvarača (e).

Ignorirajući gubitke u krugu, može se napisati

gdje x d - reaktancija kontura.

Iz jednadžbe proizlazi da je brzina promjene struje i B bit će izravno proporcionalna razliciU d -u 2.

Ako ,, struja i B povećava (slika 3, b). Kada U d -u 2 \u003d 0 i B doseže maksimum pri U d -u 2 < 0 i B smanjena i održavana energijom pohranjenom u induktivitetu prigušnice L d... Trajanje tiristora nakon boda O 1 određeno je vremenom tijekom kojeg će se ta energija rasipati. Količina akumulirane energije proporcionalna je površinama S 1i S 2, i razbacano - S 1 ' i S 2 '... Stoga je prekid struje u krugu pretvarača određen trenutkom kada se pod određenim upravljačkim kutom oba područja ( S 1 i S 1 ' ili S 2 i S 2 ') postaju međusobno jednaki.

Pri promjeni kontrolnog kuta prema njegovom smanjenju, površina S 1 će se stalno povećavati. U skladu s tim trebala bi se povećati i površina S 1 '... Međutim, rast ovog područja pri naznačenim vrijednostima U 2 m i U d ograničena presjekom sinusoide O 1 ...O 1 "... Čim se potroši cjelokupna rezerva ovog područja, tiristor, nakon što se uključi, više se neće moći isključiti i od točke O 1 ' njegova će se struja ponovno početi povećavati pod utjecajem napona U d -u 2 \u003e 0, pretvarač će preći u način kratkog spoja. Točka O 1 ', koja određuje granicu stabilnog rada pretvarača naziva se granica,

Gubitak stabilnosti pretvarača (prevrtanje) kod stvarnih pretvarača događa se ranije nego što je određeno točkom O 1 ", budući da je za vraćanje svojstava blokiranja tiristora nakon što je isključen potrebno određeno vrijeme () za resorpciju električni naboji u p-n-prijelazi. Stoga se u pravom krugu pretvarača tiristor mora isključiti ranije za kut od točke O 1 ", a taj predujam mora uvijek odgovarati najtežem načinu rada tiristora, pri kojem je \u003d max.

Slična slika može se dobiti ako je \u003d const, a U d\u003d var.

Razmatrani sklop sadrži iste elemente kao i upravljani ispravljač koji radi na brojaču. itd. sa. Međutim, uloga brojača. itd. sa. u načinu pretvarača ne U d, i izmjenični napon mreže. Da bi se to dogodilo, potrebno je promijeniti znak tijekom prijelaza iz načina ispravljača u način pretvarača. U d i povećati kontrolni kut izvan granice.

U tom se slučaju odnosi između glavnih parametara sklopa ne mijenjaju, pa će se stoga način rada pretvarača opisati istim jednadžbama kao i način rada upravljanog ispravljača, s tom razlikom što izvor U d u ovom slučaju ne djeluje kao potrošač, već kao generator aktivne energije. Zahvaljujući ovom izvoru pokrivaju se svi gubici u pretvaraču. Dakle, nakon što je odredio vlastiti e. itd. sa. pretvarač u praznom hodu kroz U d dobivamo:

gdje U x i U a - reaktivni i aktivni gubici napona.

U mrežnom pretvaraču U x \u003e\u003e U a. Najjednostavniji jednofazni mrežni pretvarač karakterizira vrlo niska energetska učinkovitost zbog loše upotrebe izlaznog transformatora i značajnih izobličenja trenutnog oblika na stranama izmjeničnog i istosmjernog napona. Iz tog su razloga mrežni pretvarači općenito višefazni.

Na sl. 3, c, d predstavio dvofazni krug pretvarača i vremenski dijagrami struja i napona koji objašnjavaju njegov rad.

Izbor potrebnih odsječaka radnog napona pri kojem je osiguran naizmjenični prolaz struje kroz tiristore U 1 i AT 2 unutar svakog od razdoblja izmjeničnog napona, postiže se izborom trenutka otključavanja tiristora pomoću upravljačkih impulsa. Kada se na tiristor primijeni kontrolni impuls U 1 malo prije faznog napona I postaje negativan, ovaj se tiristor otključa i propušta struju uglavnom pod negativnim faznim naponom I.

Suprotan smjer negativnog napona e 21 u odnosu na anodnu struju ja 21 označava da ova faza prima napajanje iz istosmjernog izvora. Ova snaga u procesu trenutne transformacije prenosi se kroz sekundarni i primarni namot transformator u mrežu jednofazna struja... Isti prijenos snage događa se u sljedećem poluciklu kroz fazu U sekundarni namot, kada kroz njega i tiristor AT 2 struja teče.

Prijenos (prebacivanje) struje iz tiristora U 1 po tiristoru AT 2 javlja se na isti način kao u načinu ispravljača, tijekom određenog vremenskog razdoblja, koji se naziva preklopni kut .

Uloga tiristora u inverziji struje svodi se na ulogu prekidača koji naizmjenično zatvaraju krug istosmjernog izvora na jedan od sekundarnih namota, naime na onaj koji daje najnegativniji napon u ovom dijelu razdoblja. Da bi se moglo dogoditi prirodno prebacivanje struje, karakterizirano prijelazom struje iz jednog tiristora u drugi, otključavanje sljedećeg tiristora mora se dogoditi s određenim napretkom u odnosu na početak negativnog poluperioda. Ovaj odvod u kutnoj dimenziji naziva se kut olova.

Kut olova mora biti dovoljan ne samo da se može dogoditi prirodno prebacivanje tiristorskih struja (kut), već i da nakon prebacivanja struja ostane dovoljan kut do pojave pozitivnog napona, tijekom kojeg tiristor koji je završio svoj rad mora imati vremena za obnavljanje njegova svojstva zaključavanja.

Ako je kut nakon prebacivanja manji od potrebnog za obnavljanje svojstava zaključavanja tiristora, tada će se pojavom pozitivnog napona na anodi tiristora koji je završio s radom ponovno otključati, a struja nastavlja teći s pozitivnim poluciklom izmjeničnog napona, što dovodi do prevrtanja pretvarača.

Dakle, za normalan rad pretvarača potrebno je da

gdje je kut napredovanja (upravljanja), izmjeren od točke presijecanja faznih napona prema napretku; t voss - vrijeme oporavka kontrolnih svojstava tiristora.

Odnos između struja i napona za pomoćni pretvarač može se dobiti iz omjera za sličan kontrolirani ispravljački krug, u kojem je umjesto toga zamijenjena vrijednost (-).

Izraz za izračunavanje struje pretvarača je:

Prosječna vrijednost ulaznog napona pretvarača (vlastiti back-emf) zbraja se iz napona otvorenog kruga i povećanja napona tijekom razdoblja uključivanja:

Napon praznog hoda određuje se izrazom:

(1)

Prirast napona zbog pojave komutacije jednak je:

ili u funkciji ulazne struje

(2)

Iz izraza (1) i (2) dobivamo izraz za ulazne karakteristike pretvarača:

Iz izraza (3) vidi se da, za razliku od vanjske karakteristike ispravljača, gdje drugi član određuje njegov pad s porastom struje, za pretvarač drugi član određuje porast ulazne karakteristike. Povećanje ulaznog napona U d b s porastom ulazne struje Iskaznica b se pripisuje dodavanju flastera na sinusni izlazni napon praznog hoda.

Na sl. 3, d dana je obitelj ulaznih karakteristika pretvarača. Polazna mjesta na ordinati odgovaraju naprezanju Pomik u praznom hodu... Gornje ograničenje karakteristika određeno je vrijednostima struja pri kojima kut nakon prebacivanja pod određenim kutom postaje min, tj. Kut dovoljan za pouzdano obnavljanje svojstava blokiranja tiristora (). Bodovi A 1,A 2, A 3 na ulaznim karakteristikama odgovaraju graničnim strujama opterećenja Iskaznica b max i granična naprezanja U d b maks. Određivanje granične karakteristike pretvarača.

x karakteristične značajke načina pretvarača sljedeće:

a) pretvarač se može graditi samo na kontroliranim ventilima, budući da se na njih tijekom većeg dijela neradnog intervala primjenjuje pozitivni napon;

b) kut otvaranja a mora prelaziti 90 °;

c) polaritet napona na istosmjernoj strani suprotan je polaritetu ispravljača;

d) u cijelom rasponu varijacija struje opterećenja i ulaznog napona mora biti zadovoljen sljedeći uvjet:\u003e + min.