книги / Неуправляемые и управляемые преобразователи

c o n s t )

-Ill -

Впоследние годы разработаны различные схемы [[4,5J , по­

зволяющие полностью или частично избавиться от указанных выше недостатков. В частности, коммутирующие конденоаторы отделяются от нагрузки отсекающими диодами. Тогда конденсаторы осуществляют только коммутацию тока в тиристорах и их емнооть уменьшается. Компенсация реактивной мощности осуществляется при помощи вен­ тилей обратного тона.

ü 3.4. Автономные инверторы напряжения

Инверторы напряжения применяются для тех же целей, что и инверторы тока. Условия (3.18), (3.19) и блок-схемы, показанные на рис.3.8, относятся и к инверторам напряжения. Однако по стру­ ктуре схем и режимам работы инверторы напряжения отличаются от инверторов тока.

Принцип инвертирования напряжения

На рио.3.13 приведена схема, поясняющая принцип инвертиро­ вания напряжения. Параллельно источнику постоянного токе включен конденсатор Cd больной емкооти ( Cd = оо ),что обес­ печивает постоянство напряжения на входе инвертора

Рио.3.13

при любых (кратковременных) изменениях тока инвертора

При Таком условии источник постоянного тока (£d совместно о С^) работает в режиме генератора напряжения (генератора э.д.с. ), а инвертор получил название инвертора напряжения. Это является ос­ новной особенностью инверторов напряжения. Постоянное по вели­

чине напряжение			Ed	при	помощи	ключей	К 1 и		К2	подключается
то	к нижней	И/'	f	то к	верхней	W"	обмоткам		трансформатора
Тр	. При замкнутом			ключе	/г, ( К 2 в		это	время	разомкнут) нап­
ряжение Ed		приложено к обмотке				W'	В	выходной		цепи инвертора
трансформируется			положительный импульс				напряжения			и 0 • Полярно­

сти напряжений на обмотках для этого интервала указаны без ско­

бок. При	замкнутом ключе		К2 (	разомкнут)	напряжение	при­
ложено к	обмотке	W" я	в выходной цепи трансформируется			отрица­
тельный	импульс	напряжения		(полярности	напряжений указаны

в скобках). При идеальных ключах и трансформаторе на выходе ин­

вертора трансформируются прямоугольные импульсы напряжения								и* с
амплитудой		Ed	( £ d	- приведенное	к обмотке		напряжение
К 2	), и с частотой,			равной частоте	переключения		ключей	Л,	и
	• Если	в нагрузке требуется синусоидальное					напряжение,		то
в выходном звене включается фильтр					Ф	для отфильтровывания			вы­
сших гармоник			напряжения. После фильтра			напряжение нагрузки			и н

становится синусоидальным (или близким к синусоидальному}. Величи­

на переменного напряжения			и н	однозначно		определяется		величиной
Е d	, а фаза	напряжения	и н	- моментом		переключения		ключей,
т.е. напряжение		и н являетоя заданным. Ток				в нагрузке		iH уста­
навливается в соответствии с величиной нагрузки							Ън :
			U.
		1И~	z.„		1		<Р
и отстает по фазе относительно				напряжения		на угол		в соответ­

ствии с величинами индуктивного и активного сопротивлений. Изме­ нять величину напряжения нагрузки и н можно путем изменения Ed • Типы ключей и способы коммутации в инверторах напряжения приме­ няются те.же самые, что и в инверторах тока.

Но в инверторах напряжения ( в отличие от инверторов тока) имеется еще.возможность изменять величину напряжения нагрузки и н при постоянной величине £d . Это достигается дополнительным многократным включением и выключением ключей в течение полупериода выходной частоты. Простейший способ такого регулирования вы-i

- из

ходвого напряжения пояснят диаграммы, приведенные на рве.3.14,а.

Ключ Ki не	оотается вилтченным в хечение всего положительного
полупериода	(на учаотке o - t , ) напряжения		(Хн , а многократно
включается я выключается. Напряжение		и*н в течение положитель­
ного полупериода представляет последовательность инпульсов					и
пауа. Среднее за полупериод напряжение нагрузни ч *				будет опре­
деляться соотноиениен длительностей		инпудьса	i H	и паузы	1р

	UHd=£d ~Г7Т'			{3,21)
	#	/7		t n можно изменять ве­
Изменяя	ооотношение длительностей t		и
личину	UhcL при постоянной величине		£ d	. Этот процесс называю?

ияротно-ямпудьоной модуляцией (ШИ). Такой споооб позволяет не только регулировать величину напряжения UHd (при £d =•c o n s t ), но и значительно уменьшать амплитуды ввомих гармоник напряжения на выходе инвертора цугом выбора соответотвуюцего закона моду­

ляция	(закона изменения t H		и	t n ). Коли	в течение Т/2	из­
менять	длительность импульса		t H	(при £п +	t „ • c o n s t	)
ло гармоничеокому закону (рис.3.14, 6 ), то напряжение						ста­
новится		бинуооидальним. Возможны и другие опоообн модуляции вы­
ходного		напряжения.

Для осуществления ИМ выходного напряжения инвертора нужны полностью управляемые ключи. Таким требованиям удовлетворяют по­ ка только траязиоторм и маломочные тиристоры. Поэтому в мощных инверторах для выключения тириоторов при ВВМ применяются опеки-'

- m -

альные схемы принудительной коммутации, содержащие емкости,дросоели, коммутирующие тиристоры и неуправляемые вентили, что нам­ ного усложняет схемы инверторов.

Однофазный мостовой инвертор напряжения

На рис.3.15 приведена схема однофазного мостового инверто­ ра, на примере которой легко уяснить особенности инверторов на­ пряжения. На рис.3.15 показаны полностью управляемые тиристоры.

Генератор э.д.с. (источник В^						совместно с Cd		) подключается к
нагрузке		5LH с положительной				полярностью,	когда		открыты (вклю­
чены)	тиристоры		7} и	Ти	(на участке 0-^,),				и с отрицатель­
ной	полярностью,		когда	открыты тиристоры			Т2	и	Т3	(на участке
t i	- t 2 )• Напряжение на				выходе инвертора			U.^	имеет знакопе­
ременную		прямоугольную форму			с амплитудой,		равной		£d	(если пре­

небречь потерями напряжения во включенных тиристорах). При необ­ ходимости включением фильтра или применением широтно-импульсной

Рис .3.15

модуляции форму напряжения приближают я синусоиде. Под действием

основной (первой)		гармоники	напряжения				и-н ^ ъ нагрузке			протека­
ет	оововная гармоника тока		ь н /1\ * отстающая от						на угол Ÿ.
В течение угла V*		напряжение		и	* (,)	* Ï0B		f H(t)	имеют	разную
полярность, например, в момент					закрываются тириоторы Tf ,
Тч	и открмваютоя тириоторн				Т2	,	7^	• Напряжение		u H(i)
в зтот момент изменяет полярность, а ток в нагрузке										про­
текает в прежнем направления в течение угла								Ч> , замнкаяоь че­
рез вентили обратного тона			В3	,			и через иоточник			поотоян-

ного тока	навстречу	£ ^ . При этом реактивная анергия возвра­
щается от индуктивных элементов нагрузки			источнику	питания.
Такую хе	роль играют	и вентили обратного	тока В1	% Вц в сле­

дующем полупериоде. Наличие вентилей обратного тока обязательно в инверторах налряхения. При помощи их поддерживается баланс ре­ активной мощности в реактивных элементах нагрузки.

В мощных инверторах напряжения применяются мощные тиристоры (полууправляемые ключи), и для их выключения разработано много различных по сложности устройств принудительной коммутации. Наиболее сложны устройства принудительной коммутация, превраща­ ющие тириотор в полностью управляемый ключ. Такие сложные схемы инверторов не рассматриваются в настоящем курсе. Они могут изу­ чаться в специальных курсах. Однако имеются инверторы напряже­ ния, аналогичные по структуре инверторам тока. Один из таких ин­ верторов рассматривается ниже.

^Однофазный инвертор напряжения с нулевой точкой

На рис.3.16 приведена схема однофазного инвертора напряже­ ния с нулевой точкой, аналогичная схеме однофазного инвертора

тока	(см.рис.3.II,а). Генератор э.д.с. (£d	совместно	с	Cd	)
через	трансформатор Тр подключается к нагрузке 2 Ы то		с той		,
то с	другой полярностью ключами - тиристорами	Tf и Tz		. Ком­

мутация тока в тиристорах начинается при поступлении управляю­

щих	импульсов t у/ , i y Z		и осуществляется при помощи коммути­
рующей емкости		С . Роль ключей коммутирующих устройств (/г на
рис.3.10) играют рабочие тиристоры, т.е. специальных ключей
для	подключения коммутирующей			емкости С к выключающемуся ти­
ристору нет. Например, при			включенном тиристоре Tf напряжение
Еd	подключево	в обмотке	IV/	(полярности Напряжений на об­

мотках указаны без скобок) и следующая коммутация (выключение

тиристора	) начинается	при включении тиристора т импуль­
сом i у 2	так же, как это	было показано ранее для инвертора

тока. Во время коммутации (хотя и очень кратковременно) оба тириотора ( Tf и Тг ) открыты, а обмотки IV/ и W" вклю­ чены параллельно. Поэтому ток в контуре мог бы значительно

увеличиться (в овязи о отсутствием индуктивнооти	),	а
работа инвертора - нарушиться. Для предотвращения этого		в

цепь каходов тиристоров включена		коммутирующая индуктивность	/ к .
В момент перекрытия фаз		все напряжение ( равное 2	)
овазываетоя	подключенный в / .к	и ток в контуре остаетоя фикси­
рованным. В	качестве коммутирующей индуктивности использует

L

Рис.3.16
дроссель о двумя обмотками - рабочей Wp		и подмагничивания
И/„ , намотавньши на сердечник	из материала, кривая намагничи­

вания которого приведена на рис.3.17 (для -упрощения рассуждений кривая намагничивания-принята идеальной). В обмотке подмагничи­ вания протекает постоянный ток подмагничивания J п . До комму­ тации (до включения Т2 ) ампервитии обмотки подыагничмвання больно ампервитков рабочей обмотки:

Поэтому рабочая точка оердечника на кривой намагничивания нахо­ дится в положении / , оердечняк насыщен, и индуктивность L K при этом равна нуле. Таким образом, во внекоммутацвонный период

индуктивность LK равна нулю о дроссель как бы отсутствует.

При коммутации рабочий ток начинает увеличиваться, очень быстро ампервитки рабочей обмотки становятся больше:

и начинается			перемагничивание					сердечника		L к ° При	идеальной
сердечнике		перемагничивание						происходит		при постоянном токе 1а
в рабочей обмотке, равном приведен­
ному к рабочей обмотке току подма-
гничивания:										f 3
	I W o ш т ш				п						\
	о	р		п						b
После	окончания			процесса		коммута­
ции и	перезаряда			конденсатора				С	A
рабочая точка			материала			сердечни­
ка смещается			в положение			3	• К			-s.
моменту следующей коммутации							ра­
бочая	точка	должна			быть	возвра­				Рис .3.17
щена в	положение			1	. Самостоя­
тельно	возвратиться				в положение /				рабочая точка не может, так

как дроссель оказывается замкнутым двумя открытыми вентилям»

В2	, 7J	и ток в		нем уменьшается медленно (с большой посто­
янной	времени).		Для	обеспечения возврата сердечника в исходное
состояние		вентиль обратного тока 8г подключается к отпайке об­
мотки	W" . При		этом	в контур включается встречное напряжение

части обмотки ( между началом и отпайкой), под воздействием но­ торото сердечник быстро возвращается в исходное состояние (точ­ ка / ). При последующем включении тиристора ^ процесс коммута­ ции протекает аналогично. Назначение вентилей обратного тока Bf%

В2 такое		же, как и показанных на рис.3.15: они обеспечивают
протекание		тока нагрузки через иоточник питания				и возврат
реактивной		анергии	источнику Е^	, когда ток и напряжение на­
грузки	имеют разную		полярность.	Например,	после включения ти­
ристора	Тг	напряжение в нагрузке наменяет полярность (новые
полярности		укаэаны в скобках ), в		ток i H	протекает в течение
угла	еще в прежнем направлении (как показано оплошной стрел­
кой ). При этом ток нагрузки трансформируется и протекает по
нулевому		проводу, через источник навстречу			Ed	и через вентиль

- Н о -

обратного тока Вг . Коммутирующая емкость С е этой схеме осу­ ществляет только коммутацию тока в тиристоре. Параллельные ин­ верторы с вентилями обратного тока (при помощи их осуществляет­ ся компенсация реактивной мощности) относят к инверторам с огра­

ниченной емкостью	[ 5 ]
$ 3.5. Преобразователи		частоты
с	непосредственной	связью
Кроме преобразовауелей частоты		(см.рис.3.8, 6 ), в которых

используются управляемые выпрямители и автономные инверторы (такие преобразователи часто называют преобразователями частоты с явно выраженным звеном постоянного тока), используются и более проотые конструктивно преобразователи частоты с непосред­ ственной связью. В этих преобразователях имеется только одно

вентильное звено. При		помощи	изменения	угла	зажигания			«6 по
определенному закону		частота	питающей	сети	£	сразу		преобра­
зуется	в другую частоту		, более низкую,		чем	Уу	. Более
подробные сведения о преобразователях этого вида						можно		найти	в
работе	[4J .

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.ВНССЛЕР Г.С., ТЕТЕДЬБАУМ Я.И. Электропитание радиоуст­ ройств. Киев, "Техника", 1966.

2.БЕЛОПОЛЬСКИЙ И.И. и др. Проектирование источников элек­ тропитания радиоаппаратуры. "Энергия",1967.

3.ИЗЬЮРОВА Г.И., КАУФМАН Ы.С. Приборы и устройства промыш­ ленной электроники. "Высшая школа", 1967.

4.КАГАНОВ И Л . Промышленная электроника. "Высшая школа",

1968.

5. 1АБУНЦОВ В.А, я др. Автономные тиристорные инверторы,

"Энергия", 1967.

ПРОГРАММИРОВАННОЕ ПОСОБИЕ ПО ИЗУЧЕНИЮ HEi'ilPAbj rtiüslX И УПРАВЛЯЕМЫХ ПРЕОБРАЗОВА­

ТЕЛЕЙ

НЕУПРАВ!ЯВНЫЕ ВЫПРЯНИТЕЛИ

S I.I. Назначение.классшЬикаиия выпрямителей

Этот раздел является вводным. В нем содержатся сведения описательного характера. Необходимо уяснить назначение выпрями­ телей и их классификации. При этом нужно учесть, что выпрями­ тели разной мощности отличается по устройству, например, мало­ мощные выпрямители почти воегда выполняются однофазными, а вы­ прямители большой мощности - многофазными. Высоковольтные вы­ прямители предъявляет повышенные требования к изоляции.

На протяжении всех трех глав часто используются такие вели­ чины, как мгновенные, средние, действующие и амплитудные значе­ ния тока и напряжения. Необходимо вспомнить и хорошо уяснить эти величины. Подробные сведения о них содержатся в курсе ТОЭ (Ней­ ман л.Р.* и Кадантаров П.Л, ч.П. 1959, § 5, 89).

S 1.2. Простейший выпрямитель пои активной нагрузке

Материал этого раздела целесообразно разбить на три чаоти.

А.Схема однополупернодного выпрямителя

иее работа

Обратить внимание на роль вентиля. Необходимо иметь четкое представление о волыамперной характеристике полупроводникового диода (прямой в обратной ветви).

Контрольные вопросы

1. Объясните процессы, происходящие в схеме при положитель­ ном напряжении и 2 (см.рис. 1.2,а - ) .

2.Объяоните процессы, происходящие л схеме при отрицатель­

ном u t .

5. Приведите диаграмму тока в вентиле.

4. Приведите диаграммы тока и напряжения в нагрузке при идеальных вентиле в трансформаторе.

5. Приведите диаграмму напряжения на нагрузке реального выпрямителя.