§ 8. ИНВЕРТОРЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ
Преобразование постоянного тока в переменный (инвертирование).
Преобразование постоянного тока в переменный может осуществляться с помощью статических преобразователей — инверторов. Работа инверторов основана на использовании управляемых вентилей — ионных (тиратроны, экситроны, игнитроны) b полупроводниковых (тиристоры), а также полупроводниковых триодов (транзисторы) в ключевом режиме. Изменение направления тока в резисторе нагрузки при питании от сети постоянного тока достигается в инверторе соответствующим чередованием замкнутого и разомкнутого состояний вентилей. Управляемые вентили играют роль ключей — переключателей тока, каждые полпериода изменяющих его направление в резисторе.
Возможны два принципиально различных режима работы инверторов.
Зависимый, или ведомый сетью, инвертор преобразует энергию постоянного тока и отдает ее в сеть переменного тока большой мощности (по сравнению с мощностью инвертора). Имеющиеся в сети мощные источники определяют частоту, величину и форму кривой выходного напряжения инвертора. Не ставя целью подробный анализ зависимых инверторов, можно отметить, что инверторный режим в преобразовательных установках часто перемежается с выпрямительным. Так, в электроприводах с машинами постоянного тока при двигательном режиме преобразовательная установка работает как выпрямитель, передавая мощность из цепи переменного тока к машине постоянного тока. При переходе машины постоянного· тока в генераторный режим становится возможным возврат генерируемой мощности через преобразователь, работающий уже в режиме инвертора, в сеть переменного тока. Такое преобразование может применяться в судовых электроприводах постоянного тока грузоподъемных механизмов в режиме рекуперативного торможения.
Инвертор, работающий на автономную нагрузку, называется автономным, или независимым. Цепь, которую питает такой инвертор, не содержит генераторов переменного тока, а частота, величина и форма кривой выходного напряжения определяются самим инвертором. В настоящее время известно уже много различных схем автономных инверторов.
В качестве примера рассмотрим работу автономного однофазного мостового инвертора (рис. 25, а). Он состоит из четырех управляемых вентилей, например тиристоров В1—В4. Как ионные, так и полупроводниковые управляемые вентили имеют неполную управляемость, т. е. с помощью управляющего электрода их можно лишь включить, но нельзя выключить. Для запирания проводящего вентиля необходимо как-то прервать прохождение тока через него, для чего нужно подать и в течение определенного интервала, называемого временем восстановления управляемости, поддерживать нулевое или отрицательное напряжение на его аноде относительно катода. Именно для этих целей служит коммутирующий конденсатор С, параллельно которому включен резистор нагрузки R. На входе инвертора предусматривается мощный дроссель Др, благодаря которому входной ток идеально сглажен. Частота управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров, задается системой управления (СУ).
Допустим, что в момент времени t1 включается пара вентилей B1 и В2, рабочий ток i при этом распределяется между конденсатором (ic) и нагрузкой (ir). Конденсатор заряжается (кривая иС, рис. 25, б), приобретая потенциалы, указанные на схеме без скобок. Падение напряжения на вентилях В1 и В2 равно нулю (рис. 25, в). Напряжение uR на резисторе нагрузки и напряжения на невключенных вентилях В3, В4 (рис. 25, г) повторяют по форме напряжение ис. Через полпериода рабочей частоты в момент времени t2 схема управления посылает импульсы на открытие вентилей В3 и В4. На весьма короткое время все четыре вентиля оказываются открытыми, и конденсатор разряжается по трем направлениям: через вентиль В1 и включившийся вентиль В3 навстречу рабочему току ί; через включившийся вентиль В4 и вентиль В2 навстречу рабочему току i; через резистор нагрузки. Разряд конденсатора на источник постоянного тока исключается, так как этому препятствует дроссель с большой индуктивностью L. Под действием тока разряда и обратных напряжений вентили В1 и В2 практически мгновенно закрываются, входной ток I0 переключаются на вентили В3 и В4, ток i течет теперь в обратном направлении.
Рис. 25. Схема автономного однофазного мостового инвертора правлении.
Конденсатор перезаряжается, приобретая потенциалы, показанные на рис. 25, а в скобках. Этим подготавливаются условия для осуществления коммутации в следующий полупериод, когда в момент времени ток i должен перейти с вентилей В3и В4 на вентили В1 и В2.
Хотя форма кривой напряжения uR на резисторе нагрузки и кривой тока i (см. рис. 25, б) существенно отличается от синусоидальной, можно сказать, что ток i опережает напряжения uR на некоторый угол β, так как нагрузка R носит в целом активноемкостный характер. В течение времени, характеризуемого углом β, конденсатор С поддерживает на аноде закрывающегося вентиля отрицательное напряжение (см. рис. 25, в), необходимое для восстановления управляемости тиристора.
Рассмотренный автономный инвертор называют параллельным, так как коммутирующая емкость включена параллельно резистору нагрузки. В последовательных инверторах конденсатор включается с резистором последовательно.
Рис. 26. Структурные схемы преобразования тока
Существуют также другие способы коммутации управляемых вентилей. Многофазные схемы автономных инверторов позволяют получить на выходе напряжения, близкие по форме к синусоидальным. Применение автономных инверторов на судах возможно в схемах: электроснабжения потребителей переменного тока от резервных или аварийных источников постоянного тока; питания сетей повышенной частоты и питания высокоскоростных асинхронных двигателей; частотного регулирования синхронных и асинхронных двигателей; индукционного нагрева; люминесцентного освещения.
Преобразование частоты переменного тока и напряжения постоянного тока.
Принципы преобразования переменного тока в постоянный с помощью выпрямителей и преобразования постоянного тока в переменный с помощью инверторов могут быть использованы при построении схем преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой (рис. 26, а). В выпрямителе В переменный ток с частотой f1 выпрямляется, в инверторе И выпрямленный ток преобразуется в переменный ток с частотой f2.
На рис. 26, б представлена структурная схема преобразования напряжения постоянного тока. Постоянный ток напряжением U1 преобразуется в инверторе И в переменный ток с напряжением U'i. В трансформаторе Тр изменяется переменное напряжение с U'1 на U'2. В выпрямителе В переменный ток напряжением U'2 выпрямляется и имеет затем напряжение U2.
