Чем определяется ток в цепи нагрузки инвертора
Инверторы тока и напряжения
В зависимости от специфики электромагнитных процессов различают инверторы тока и инверторы напряжения (рис. 1а, б).
Рисунок 1: а)инвертор тока б)инвертор напряжения
В инверторах тока силовая цепь схемы подключается к источнику постоянного напряжения через дроссель L с большим индуктивным сопротивлением (источник тока должен иметь большое сопротивление).
В инверторах напряжения параллельно источнику питания включается конденсатор большой ёмкости, чем исключается влияние на работу устройства Rвнутр источника (получаем источник напряжения с переменным током).
Таким образом, коммутация тиристоров в инверторах тока проводится при постоянном токе, а инверторах напряжения – при постоянном напряжении.
При работе инвертора схема управления поочерёдно включает пару тиристоров VS1, VS4 или VS2, VS3, благодаря чему на нагрузке появляется переменное напряжение – с помощью ключевой схемы нагрузка подключается таким образом, чтобы в ней протекал ток разных направлений.
Если нагрузка инвертора напряжения имеет индуктивный или активно-индуктивный характер, то параллельно тиристорам включают обратные диоды. Этим обеспечивается передача накопленной в индуктивности энергии назад в источник питания.
Основной проблемой при проектировании инверторов является обеспечение надёжного выключения тиристоров, которые находятся в открытом состоянии, перед выключением тиристоров, которые не проводили ток. Это реализуется с помощью схем принудительной коммутации, которые обеспечивают запирание тиристоров в цепях постоянного тока. В цепях постоянного тока включение тиристора осуществляется путём включения параллельно тиристору предварительно заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна относительно тиристора (принудительная коммутация).
Инверторы тока и напряжения, резонансные инверторы
3.3 Инверторы тока и напряжения, резонансные инверторы
Для инверторов тока характерно то, что в результате переключения тиристоров в нагрузке формируется ток определённой формы 
, а форма и фаза выходного напряжения зависят от параметров нагрузки (рисунок 20).
Рисунок 20 – Схемы инверторов тока (а), напряжения (в), резонансных (д) и их временные диаграммы токов и напряжений (б, г,е)
Источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включен реактор 
с большой индуктивностью. Кроме того, реактор 
выполняет функции фильтра высших гармонических напряжений, 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, реактор 
может отсутствовать.
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 реактором 
цепи входного тока. В режиме холостого хода параллельный 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 кривую выходного напряжения, относительно малые пульсации входного тока, возможность реверса направления потока мощности без изменения направления тока (при переходе в выпрямительный режим). Внешняя характеристика параллельного инвертора тока «мягкая».
Инверторы тока и напряжения применяются в стабилизированных по выходным параметрам преобразователях частоты; во вторичных источниках питания переменного тока; в установках частотно-регулируемого электропривода. Резкой границы между инверторами тока и напряжения на практике не существует, в большинстве случаев инверторы работают в режимах, близких к промежуточным.
3.4 Преобразователи частоты с промежуточным звеном
постоянного тока (циклоконвекторы)
Рисунок 21 – Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока
Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока позволяют регулировать выходную частоту с помощью системы управления инвертора СУИ в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети. В качестве автономного инвертора может быть использована одна из ранее рассмотренных схем инверторов. Недостатком преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование энергии, что приводит к уменьшению КПД, к увеличению установленной мощности и массы преобразователя. Однако такой тип преобразователя частоты и схема управления им проще, чем преобразователя с непосредственной связью.
3.5 Преобразователи частоты с непосредственной связью
Преобразователи частоты с непосредственной связью могут выполняться с естественной и принудительной коммутацией.
Рисунок 22 – Трехфазно-однофазный преобразователь частоты с непосредственной связью (а), временная диаграмма тока(б)
Открывая поочередно вентили групп I и II, получаем на выходе переменное напряжение с частотой 
; (рисунок 22б). Если принять, что нагрузка активная, и не учитывать потери в вентилях и трансформаторе, то выходное напряжение на нагрузке:
(3.1)
где 
— число фаз первичной сети; 
— угол регулирования выпрямителя.
Электронная библиотека
Инверторы подразделяются на зависимые (ведомые сетью) и автономные (независимые).
Автономный инвертор работает на автономную нагрузку, не содержащую других источников энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора.
Автономные инверторы, так же как и зависимые, могут работать с естественной и искусственной коммутацией. Естественная коммутация автономного инвертора имеет место при его работе на перекомпенсированные синхронные двигатели, на статорные обмотки вентильного двигателя и т. д. Однако чаще всего в автономных инверторах, выполненных на тиристорах, применяется искусственная коммутация вентилей.
В зависимости от режима работы источника питания инвертора и особенностей протекания в нем электромагнитных процессов различают инверторы напряжения, тока и резонансные инверторы. Наиболее широкое применение получили инверторы напряжения и тока. Резонансные инверторы выполняются на частоту выходного напряжения в несколько единиц и десятков килогерц и используются в основном в электротермии.
Классические схемы автономных инверторов напряжения и тока приведены соответственно на рис.2.13,а,б. Напряжение и ток нагрузки формируются в этих схемах при поочередном переключении вентилей VS1, VS2 и VSЗ, VS4.
Рис. 2.13. Схемы и диаграммы автономных инверторов напряжения (а) и тока (б)
Питание инвертора напряжения (рис.2.13,а) производится от источника напряжения. В связи с этим форма напряжения определяется алгоритмом переключения тиристоров, а форма тока зависит от характера нагрузки. Реактивная мощность нагрузки компенсируется за счет введения конденсатора достаточно большой емкости. Обмен реактивной энергией между нагрузкой и конденсатором возможен благодаря подключению так называемого обратного выпрямителя (моста реактивного тока), образованного из неуправляемых вентилей.
В зависимости от того, как включен конденсатор по отношению к нагрузке, инверторы тока и напряжения разделяются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные. В параллельном инверторе (рис.2.13,б) коммутирующий конденсатор подключается параллельно нагрузке.
Последовательные и последовательно-параллельные инверторы находят применение в устройствах, где требуется повышенная частота выходного напряжения (2000…50000 Гц). Поэтому далее излагаются принципы работы параллельных инверторов напряжения и тока, используемых для управления электрическими машинами переменного тока.
Автономные тиристорные инверторы в зависимости от организации процесса коммутации разделяются на инверторы с междуфазовой, пофазной, групповой, общей и индивидуальной коммутацией. В дальнейшем на примере конкретных схем автономных инверторов рассматриваются некоторые виды коммутаций, нашедших наиболее широкое применение.
Принцип работы, характеристики и анализ электромагнитных процессов автономных инверторов рассмотрим сначала на примере преобразователя, выполненного на транзисторах. Особенности работы, связанные с коммутационными процессами в преобразователе, излагаются при анализе тиристорных инверторов напряжения и тока.
Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
Инверторы подразделяются на зависимые (ведомые сетью) и автономные (независимые).
Автономный инвертор работает на автономную нагрузку, не содержащую других источников энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора.
Автономные инверторы, так же как и зависимые, могут работать с естественной и искусственной коммутацией. Естественная коммутация автономного инвертора имеет место при его работе на перекомпенсированные синхронные двигатели, на статорные обмотки вентильного двигателя и т. д. Однако чаще всего в автономных инверторах, выполненных на тиристорах, применяется искусственная коммутация вентилей.
В зависимости от режима работы источника питания инвертора и особенностей протекания в нем электромагнитных процессов различают инверторы напряжения, тока и резонансные инверторы. Наиболее широкое применение получили инверторы напряжения и тока. Резонансные инверторы выполняются на частоту выходного напряжения в несколько единиц и десятков килогерц и используются в основном в электротермии.
Классические схемы автономных инверторов напряжения и тока приведены соответственно на рис.2.13,а,б. Напряжение и ток нагрузки формируются в этих схемах при поочередном переключении вентилей VS1, VS2 и VSЗ, VS4.
Рис. 2.13. Схемы и диаграммы автономных инверторов напряжения (а) и тока (б)
Питание инвертора напряжения (рис.2.13,а) производится от источника напряжения. В связи с этим форма напряжения определяется алгоритмом переключения тиристоров, а форма тока зависит от характера нагрузки. Реактивная мощность нагрузки компенсируется за счет введения конденсатора достаточно большой емкости. Обмен реактивной энергией между нагрузкой и конденсатором возможен благодаря подключению так называемого обратного выпрямителя (моста реактивного тока), образованного из неуправляемых вентилей.
В зависи
мости от того, как включен конденсатор по отношению к нагрузке, инверторы тока и напряжения разделяются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные. В параллельном инверторе (рис.2.13,б) коммутирующий конденсатор подключается параллельно нагрузке.
Последовательные и последовательно-параллельные инверторы находят применение в устройствах, где требуется повышенная частота выходного напряжения (2000…50000 Гц). Поэтому далее излагаются принципы работы параллельных инверторов напряжения и тока, используемых для управления электрическими машинами переменного тока.
Автономные тиристорные инверторы в зависимости от организации процесса коммутации разделяются на инверторы с междуфазовой, пофазной, групповой, общей и индивидуальной коммутацией. В дальнейшем на примере конкретных схем автономных инверторов рассматриваются некоторые виды коммутаций, нашедших наиболее широкое применение.
Принцип работы, характеристики и анализ электромагнитных процессов автономных инверторов рассмотрим сначала на примере преобразователя, выполненного на транзисторах. Особенности работы, связанные с коммутационными процессами в преобразователе, излагаются при анализе тиристорных инверторов напряжения и тока.
Автономный инвертор тока
Автономные инверторы
Автономным (независимым) инвертором называется преобразователь электрической энергии постоянного тока в переменный, выходные параметры которого (фаза, амплитуда и частота) зависят от схемы преобразователя, схемы управления и от параметров нагрузки. Также как и выпрямители, инверторы различаются по мощности, числу фаз, способу регулирования выходного напряжения и другим менее существенным факторам. В зависимости от характера протекающих электромагнитных процессов различают три типа автономных инверторов:
3) Резонансные инверторы.
 |
Автономный инвертор тока формирует в нагрузке ток (обычно прямоугольные импульсы), а форма и фаза напряжения в нагрузке зависит от параметров нагрузки. Схема однофазного автономного инвертора тока представлена на рис. 11.1.
Рис. 11.1. Однофазный автономный инвертор тока
Для получения переменного тока в нагрузке тиристоры работают попарно VS1-VS3 и VS2-VS4. Источник постоянного тока U работает в режиме генератора тока, для чего на входе инвертора включается дроссель L большой индуктивности. В интервале между коммутациями тиристоров ток в дросселе L изменяется незначительно. Ключевые элементы (тиристоры) изменяют только направление, но не мгновенное значение тока в нагрузке, так что нагрузка питается как бы от источника тока.
Нагрузка инвертора тока должна носить ёмкостный характер для обеспечения коммутации тиристоров, то есть параллельно (или последовательно) с нагрузкой должен быть включён конденсатор С.
Конденсатор С обеспечивает подачу встречного напряжения на тиристоры, заканчивающие работу, в тот момент, когда схема управления открывает тиристоры, вступающие в работу. Следовательно, в инверторе тока можно использовать обычные (не запираемые) тиристоры.
Временная диаграмма работы автономного инвертора тока представлена на рис. 11.2.
Переключение тиристоров производится схемой управления, которая задает частоту выходного переменного напряжения. В момент коммутации в течение времени tc между анодом и катодом закрывающихся тиристоров поддерживается отрицательное напряжение, поступающее с конденсатора С.
 |
Рис. 11.2. Временная диаграмма работы автономного инвертора тока
В режиме холостого хода, когда конденсатор С заряжается до напряжения U, инвертор не работает, так как тиристоры перестают открываться. При большом токе нагрузки, когда напряжение на конденсаторе С быстро уменьшается (сокращается время tс), может произойти опрокидывание, то есть тиристоры, выходящие из работы, не успеют закрыться. При опрокидывании ток в цепи будет ограничен только активным сопротивлением дросселя L. Следовательно, автономный инвертор тока может работать в ограниченном диапазоне токов нагрузки. Время tс, выраженное в долях синусоиды выходного переменного напряжения, можно рассматривать как угол b. Для нормальной работы инвертора должно выполняться условие
, (11.1)
где w = 2×p×f – угловая частота выходного напряжения, tвыкл – время выключения применяемого в схеме тиристора.
Угол b можно также выразить следующим образом:
, (11.2)
где YC = w×C – модуль проводимости конденсатора С, YН = 1/ZН – модуль проводимости нагрузки, 
.
Напряжение на нагрузке и необходимую величину ёмкости конденсатора С можно представить в виде функций параметров нагрузки, полученных из баланса активных и реактивных мощностей:
,
где РН – активная мощность нагрузки, QС – реактивная мощность конденсатора С, QН – реактивная мощность нагрузки, QИ – реактивная мощность, потребляемая инвертором.
Действующее значение переменного напряжения основной гармоники в нагрузке
.
Учитывая выражение (11.2) для tgb можно записать:
. (11.3)
Это уравнение внешней характеристики однофазного автономного инвертора тока, только в качестве переменного параметра здесь фигурирует не ток нагрузки, а проводимость нагрузки YН.
Необходимая величина ёмкости конденсатора С может быть вычислена по формуле
. (11.4)
 |
Рассмотрим графики зависимости выходного напряжения инвертора и угла b от параметров нагрузки и величины ёмкости конденсатора С, представленные на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Графики зависимости от параметров нагрузки:
Как видно из графика, внешняя характеристика инвертора круто падающая.
Проанализируем режим работы тиристоров.
Максимальные значения прямого и обратного напряжения на тиристорах:
; 
.
Максимальное, среднее и действующее значения токов тиристоров:
Частота выходного переменного напряжения также не может изменяться в широких пределах, так как индуктивность дросселя L имеет конечное значение, и с уменьшением частоты дроссель уже не сможет поддерживать в схеме режим генератора тока.