Однофазный мостовой автономный инвертор на тиристорах (схема; работа; осн. особенности, временные диаграммы).

Для преобразования постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой применяются устройства, называемые автономными инверторами (АИ).

Схема однофазного двухпульсового параллельного автономного инвертора тока.

В этой схеме перевод тока с одного управляемого вентиля на другой происходит с помощью предварительно заряженного конденсатора С1, подключенного параллельно первичной (либо вторичной) обмотке трансформатора. Тиристоры VS1 и VS2 включаются поочередно через 180 путем подачи на их управляющие электроды положительных импульсов от системы управления СУ. Когда управляющий импульс от СУ подан на VS1, то через него и связанную с ним полуобмотку трансформатора ох потечет ток заряда конденсатора С1. По закону электромагнитной индукции в полуобмотке оа наведется эдс, равная по величине, но противоположная по знаку эдс в полуобмотке ох. Конденсатор С1 в конце полупериода будет заряжен до напряжения c такой полярностью, что на правой его обкладке будет "+", а на левой "-".

Одновременно на вторичной обмотке трансформатора наведется эдс, по нагрузке потечет ток, имеющий направление, противоположное . Через полпериода системой управления откроется тиристор VS2. При этом VS1 мгновенно оказывается под обратным напряжением, равным двойному напряжению , и закрывается. Через VS1 потечет ток перезаряда , наводя в выходной обмотке трансформатора эдс противоположного направления по сравнению с зарядом С1. Через полпериода снова откроется VS1 и работа тиристоров продолжится аналогично. Таким образом, по нагрузке будет протекать переменный ток.

Временные диаграммы токов и напряжений такого инвертора.

Форма кривой выходного напряжения будет изменяться при изменении емкости при неизменной нагрузке . При этом автоматически меняется угол опережения , связанный с углом коммутации и углом восстановления соотношением .

При неизменной коммутирующей емкости и изменяющейся нагрузке форма выходного напряжения также меняется. Например, при уменьшении нагрузки кривая выходного напряжения приближается к треугольной форме. При больших нагрузках она соответствует прямоугольной форме. Кривая выходного напряжения наиболее близка к синусоиде, когда собственная частота колебаний контура инвертора, обусловленная , , приближается к частоте, задаваемой системой управления.

Зависимость входного напряжения в относительных единицах от параметра В называют входной характеристикой АИ. Семейство таких характеристик представлено на рис. 8.3.

Рис. Входные характеристики автономного инвертора

На входной характеристике

,

где и – соответственно входные ток и напряжение; а – коэффициент схемы; – угловая частота; с – коммутирующая емкость.

Коэффициент схемы зависит от типа схемы и числа фаз инвертора. Для однофазной схемы инвертора, изображенной на рис. 8.2, он определяется по формуле

.

Выходные характеристики представляются также в относительных величинах и выражают зависимость напряжения нагрузки от того же параметра В. На рис. 8.4 представлено семейство выходных характеристик при постоянных значениях угла сдвига фаз. Угол сдвига фаз можно определить, зная величины активной и полной мощностей автономного инвертора тока,

.

Автономные инверторы широко применяются в промышленности и на транспорте для питания потребителей переменного тока с имеющейся сетью постоянного тока. Например, в электроприводе переменного тока для плавного регулирования скорости вращения двигателей, системах передачи энергии постоянным током, тяговых подстанциях постоянного тока для преобразования напряжения одной величины в другую, бортовых системах самолетов и других летательных аппаратов и многих других областях.

3-4. Фазовое регулирование в однофазных и многофазных цепях переменного тока (на сх. однофазного управляемого выпрямителя, временные диаграммы при разном характере нагрузки, нагрузки: активная, индуктивная).

Фазовое регулирование напряжения — это регулирование электрического напряжения путём изменения угла открытия тиристоров, симисторов, тиратронов или иных приборов, из которых собран выпрямитель или ключ. В результате изменения угла открытия к нагрузке идут неполные полуволны синусоиды (обычно без переднего фронта), в результате чего снижается действующее напряжение. Такое регулирование используется для плавного пуска двигателей постоянного тока, управления током зарядки аккумуляторных батарей и других целей.

[Однофазный однополупериодный выпрямитель

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Полный мост:

Принцип регулирования фазного напряжения.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

. Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:^[9]

• Большая величина пульсаций
• Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
• Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущества:

• Экономия на количестве вентилей.

Искажение формы напряжения в питающей сети происходит из-за того, что в течение полупериода сопротивление нагрузки меняется (резко падает при открытии вентилей), в результате чего возрастает ток и увеличивается падение напряжения на сопротивлениях источника и сети. Форма напряжения становится несинусоидальной, что особенно неблагоприятно для асинхронных двигателей.

Диаграммы входного напряжения и входного тока регулятора (первая диаграмма) и выходного напря­жения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку. Для регуляторов переменного напряжения значимы два вида регу­лировочных характеристик в зависимости от характера нагрузки. При работе на активную нагрузку показа­тельной является зависимость действующего значения выходного напряжения регулятора от угла регулиро­вания .

Графики рассчитанных регулировочных характеристик, причем С_Р(1) построена для двух крайних сочетаний параметров нагрузки - без R_H (индуктивная нагрузка) и без L_H (чисто активная нагрузка).

Входной коэффициент сдвига и коэффициент мощности. Второй важной характеристикой регулятора напряжения является его входная энергетическая характеристика - зависимость входного коэффициента мощности от степени регулирования выходного напряжения. Так как входной коэффициент мощности равен произве­дению коэффициента сдвига на коэффициент искажения входного тока, то удобно найти отдельные зависимости для указанных со­множителей.

3-5. Регулирование напряжения переменного тока (на примере сх. используемой встречно-параллельное включение тиристоров, диаграммы при разном характере нагрузки и соотношении α и φ, нагрузки R и L).

Простейший регулятор однофазного переменного напряжения состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, соединенных последовательно с нагрузкой, как показано на рис. 3.2.1.

На рис. 3.2.2 построе­ны диаграммы напряжений и токов регулятора. Углы управ­ления тиристорами должны быть такими, чтобы ток в последовательной активно-индуктивной нагрузке был прерывистым. Соотношение для угла регулирования , длительности протекания тока через тиристор и параметров нагрузки L_H, R_H здесь такое же, как у однофазного выпрямителя в режиме прерывистого тока. Увеличение угла регули­рования приводит к уменьшению и росту искажения кривой напряжения на нагрузке U_H и за счет этого к изменению его действующего значения и первой гармоники. При этом ухудшается и качест­во потребляемого из сети тока из-за роста сдвига фазы тока относительно напряжения (увеличение потребле­ния реактивной мощности) и за счет ухудшения его формы вследствие уменьшения длительности протекания .

РИС. 3.2.2

Возможен и другой способ регулирования переменного напряжения в этой схеме - широтно-импульсное регулирование при естественной коммутации. На рис. 3.2.3 показаны диаграммы входного напряжения и входного тока такого регулятора (первая диаграмма) и выходного напря­жения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку (термопечи сопротивления). Здесь уже цель ре­гулирования состоит в изменении действующего значения напряжения на активной нагрузке для преобразо­вания электрической энергии в тепловую. При таком регулировании период входного тока регулятора Т_U много больше периода сетевого напряжения Т₁ и в этом токе появляются субгармоники, т.е. гармоники с час­тотой ниже частоты сетевого напряжения. Это, в свою очередь, при «слабой» сети может вызвать в ней низкочастотные колебания уровня напряжения, при­водящие к мерцанию освещения (фликкер-эффект), нормы которого устанавливаются ГОСТом на качество электроэнергии.

Улучшение напряжения, основные схемы которых приведены на рис. 3.2.4. Схема на рис. 3.2.4,а объединяет три однофаз­ных регулятора и при отсутствии нулевого провода характеризуется лучшим качеством выходного фазного напряжения, как в шестипульсной схеме, а не как в двухпульсной схеме однофазного регулятора. Форма напряжения на фазе нагрузки и ток фазы показаны на рис. 3.2.5,а,б для активной и активно-индуктивной нагрузки соответственно. Более простая схема регулятора на рис. 3.2.4,б характеризуется худшим качеством выходно­го напряжения, проявляющимся в неодинаковости форм полуволн фазного напряжения, но без постоянной составляющей в нем. Схемы регуляторов на рис. 3.2.4,в,г применимы при условии доступности всех шести концов трехфазной нагрузки. При использовании трансформатора в регуляторе возможно более качественное регулирование переменного напряжения за счет использования комбинации фазового и амплитудного спосо­бов регулирования.