Общие сведения
Применение полностью управляемых ключей (транзисторов, запираемых тиристоров и др.) позволяет не только изменять параметры преобразователей, но и создавать новые типы электрических устройств. К последним относятся автономные инверторы, или инверторы с самокоммутацией, — преобразователи постоянного тока в переменный, в которых используются полностью управляемые ключи. Следует отметить, что автономные инверторы могут быть изготовлены на основе обычных тиристоров с принудительной коммутацией под воздействием напряжений, создаваемых устройствами принудительной коммутации, входящих в состав инвертора или его нагрузки. Такие инверторы кратко рассмотрены в этой главе, так как обычный тиристор с устройством принудительной коммутации функционально сходен с полностью управляемым прибором [11]. Однако существует класс инверторов с коммутацией, обусловленной резонансными явлениями в выходных цепях, включающих в себя элементы инвертора и (или) нагрузки. Этот класс инверторов более подробно рассмотрен в гл. 8. В этой главе рассматриваются автономные инверторы тока и инверторы напряжения.
Эти виды инверторов имеют следующие определения:
· инвертор напряжения — инвертор, подключенный к источнику постоянного тока с преобладающими свойствами источника напряжения;
· инвертор тока — инвертор, подключенный к источнику постоянного тока с преобладающими свойствами источника тока.
Рассмотрим эти инверторы более подробно на примере упрощенных схем, (рис. 7.1) подключенных к источнику постоянного напряжения Ud.
а б
а б
Рис. 7.1. Упрощенные схемы инверторов: а — инвертор тока; б — инвертор напряжения
В цепи постоянного тока инвертора (рис. 7.1, а) включен реактор с большой индуктивностью. Тогда при коммутации ключевых элементов К 1— К 4 ток в реакторе меняется незначительно. Ключевые элементы инвертора изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке. Поэтому можно считать, что нагрузка подключена к источнику тока. Нагрузка таких схем носит, как правило, емкостной характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы. В некоторых типах инверторов тока, рассчитанных на индуктивную нагрузку, предусматриваются устройства для отвода части энергии, накопленной в индуктивности нагрузки.
В схеме на рис. 7.1, б источник постоянного напряжения подключен к ключевым элементам, которые периодически коммутируют цепи нагрузки при изменении полярности напряжения, подаваемого к нагрузке. Поэтому можно считать, что нагрузка подключена к источнику переменного напряжения. Такая схема соответствует схеме инвертора напряжения. Нагрузка в этом случае носит активный или активно-индуктивный характер (если на выходе инвертора не установлены фильтры), так как при емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имели бы место всплески токов. Часть энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, возвращается в источник постоянного напряжения. Для этого ключевые элементы, имеющие одностороннюю проводимость, шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности источника переменного напряжения. Такие диоды иногда называют обратными диодами. В схеме на рис. 7.1, б они не используются, так как считается, что ключи К 1— К 4имеют двустороннюю проводимость.
Законы изменения токов в цепи нагрузки инвертора напряжения при определенных условиях подобны законам изменения узловых потенциалов на шинах нагрузки инвертора тока. Такое соответствие законов известно в электротехнике как принцип дуальности (двойственности) цепей. В рассматриваемом случае дуальными элементами в схемах инверторов (рис. 7.1) являются:
· источники напряжения;
· сопротивление и проводимость нагрузки;
· индуктивность и емкость на стороне нагрузки.
Используя принцип дуальности, можно результаты анализа процессов в схеме инвертора одного типа, например инвертора тока, путем определенных преобразований распространить на схему инвертора другого типа — инвертора напряжения, и наоборот.
Индуктивность сглаживающего реактора Ld в инверторе тока имеет конечное значение и оказывает существенное влияние на динамические характеристики инвертора, т. е. чем меньше эта индуктивность, тем меньше всплески и провалы выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки инвертора. В цепях постоянного тока некоторых инверторов напряжения имеется индуктивность, обеспечивающая коммутацию тиристоров. Поэтому наличие индуктивности в цепи постоянного тока еще не является достаточным признаком для определения типа схемы (инвертор тока или инвертор напряжения). Необходимо знать характер изменения входного тока инвертора.
Как уже отмечалось, применение полностью управляемых ключей позволяет не только упростить схемы автономных инверторов, но и значительно повысить качество преобразуемых параметров в преобразователях. Такая возможность реализуется посредством широтно-импульсной модуляции процессов изменения напряжений и токов инвертора. В преобразователях переменного тока применяется ШИМ по синусоидальным или другим требуемым законам изменения основных параметров. В результате обеспечивается синусоидальность (снижение уровня высших гармоник по сравнению с основной гармоникой) напряжения или тока. Кроме того, формирование напряжения требуемого спектрального состава позволяет создавать новые виды силовых электронных устройств — активные и гибридные фильтры. Одновременно со снижением высших гармоник тока (напряжения) ШИМ повышает коэффициент мощности в выпрямителях, инверторах, ведомых сетью, преобразователях частоты и других типах преобразователей.
Полностью управляемые ключи в преобразователях переменного/постоянного тока позволяют расширить диапазоны изменения углов сдвига между напряжением сети и током и обеспечивают работу устройства со значениями углов управления от 0 до 2α. При этом обычно используется синусоидальная ШИМ и, следовательно, существенное улучшение качества входных и выходных параметров преобразователя. Полностью управляемые ключи позволяют создавать прямые преобразователи частоты, не только понижающие, но и повышающие частоту выходного напряжения по сравнению с частотой входного напряжения. В регуляторах переменного напряжения полностью управляемые ключи позволяют посредством ШИМ обеспечить синусоидальность тока в нагрузке и повысить входной коэффициент мощности.
Инверторы напряжения