Ширина импульса равна:

(5-44)

Для учета потерь в коммутирующем контуре значение УР™ниях (5-41) и (5-42) следует умножить на

Другие варианты схем

На рис. 5-14 и 5-15 показаны схемы инверторов, работающие подобно схеме рис. 5-1. В однофазной мостовой схеме (рис. 5-14) схема рис. 5-1 использована в ка-

Рис. 5-14. Мостовая схема инвертора, построенная по принципу сх-

мы рнс. 5-1.

4-0-

Ш а

-jj-(-V-w-v-v.

I Г2Л TIA

Рис. 5-15 Вариант схемы рнс. 5-1 с трансформатором с нулевым выводом в цепи нагрузки.

честве одного из двух блоков. Из трех таких блоков можно получить трехфазный мост. В схеме рис 5-15 где в цепи нагрузки использован трансформатор со средним выводом, для коммутации одного основного тиристора 1н

требуются два вспомогательных. Например, основной тиристор Т1 запирается при одновременном включении двух вспомогательных Т1А и Т1В. Отметим, что вместо двух вспомогательных тиристоров можно ввести трансформатор, но его трудно выполнить из-за того, что он должен передавать большие импульсы тока и работать при напряжении низкой частоты.

5-2. КОММУТАЦИЯ ПРИ НАПРЯЖЕНИИ

ОГРАНИЧЕННОМ ОБРАТНОМ

Форма кривой напряжения, приложенного к тиристору во время восстановления его запирающей способности, в схеме, описанной в § 5-1, значительно отличается от таковой в других схемах, описаиных до сих пор. В ранее рассмотренных схемах к коммутируемому тиристору вначале прикладывается резкий скачок обратного напряжения. Амплитуда этого скачка обычно бывает такого же порядка, как напряжение источника питания. Затем напряжение на тиристоре увеличивается по наклонной кривой, продолжая оставаться отрицательным в течение времени, большего, чем время, необходимое для восстановления. Положительное, или прямое, напряжение восстанавливается на тиристоре по плавной наклонной кривой, обычно по тому же закону. Обратный ток, необходимый для рекомбинации носителей, который должен закончиться прежде, чем тиристор может начать выдерживать обратное напряжение, ограничен только вторичными факторами, такими как сопротивление и индуктивность проводов. Иногда для ограничения этого тока в цепь добавляют специальную индуктивность. Обратное сопротивление тиристоров растет очень резко, и энергия, запасенная обратным током в индуктивностях цепи, создает всплеск обратного напряжения на тиристоре, причем получаются колебания, в которых участвует емкость полупроводникового прибора. Этот процесс обычно подавляется /?С-фильтром, включенным параллельно тиристору. Влияние восстанавливающего обратного тока в расчетах силовых цепей не учитывалось.

В инверторе по схеме рис. 5-1 обратное напряжение на тиристоре ограничивается прял-гым падениел! напряжения на встречно-параллельном диоде (около 1 в). Обратный ток также ограничен величиной избытка коммутационного тока над током нагрузки. Хорошо также то, 8* 115

Что напряжение на тиристоре во время рекомбинации носителей остается слегка положительным, иначе обратный диод должен был бы отводить по меньшей мере часть возможного восстанавливающего тока. Ограничение амплитуды и скорости изменения обратного тока не является недостатком схемы, наоборот, оно позволяет избежать пробоя прибора. В действительности заряд, требуемый для рекомбинации носителей, получается гораздо раньше момента наступления амплитуды коммутационного тока. Так как после максимума тока меняется знак его производной, то необходимо иметь минимальную индуктивность проводов к обратному диоду, чтобы э.д.с. самонндукции не превысила прямого падения напряжения на диоде и не сделала положительным напряжение 1на тиристоре в это время.

Коммутация при ограниченном обратном напряжении, исключая вредное воздействие большого всплеска восстанавливающего тока, создает трудности в конце коммутирующего импульса напряжения. Прямое напряжение, прикладываемое к тиристору, имеет очень крутой фронт. Действительно, полное напряжение источника питания восстанавливается на тиристоре в течение времени включения последующего тиристора. Типичное время включения тиристоров колеблется от долей микросекунды до нескольких микросекунд. При реактивной нагрузке фронт может оказаться еще круче в результате восстановления обратного диода. Ток рекомбинации, необходимый обратному диоду, по окончании избытка импульса коммутирующего тока дает возможность этому току стать меньше тока нагрузки. Затем, когда обратный диод быстро запирается, следующий тиристор под действием э. д. с. индуктивности нагрузки п коммутирующей индуктивности, в которых ток резко снижается, отпирается очень быстро. Переключение может произойти за доли микросекунды.

Такая большая скорость нарастания прямого напряжения может вызвать повторное отпирание тиристора, что влечет за собой короткое замыкание источника питания. Такие отпирания за счет большого du/dt вызываются большими всплесками зарядного тока емкости полупроводникового прибора. Часть этого тока действует на управляющий электрод и отпирает тиристор. Очень быстрое отпирание при индуктивной нагрузке можно замедлить, включив параллельно тиристору соответствую-116

щий фильтр. Можно также подобрать тиристоры, способные выдержать нарастание прямого напряжения за время, .равное собственному времени включения. В противном случае необходимо добавление к основной схеме специальных смягчающих элементов. Существенно улучшает этот процесс включение индуктивности между парой следующих друг за другом (основных) тиристоров, которая принимает на себя часть напряжения источника питания сразу после включения тиристора.

Способ коммутации при ограниченном обратном напряжении может быть использован и в других схемах инверторов, так же как в схемах, описанных в § 5-1. При этом ие требуется включения индуктивности между источником постоянного тока и нагрузкой переменного тока, что обеспечивает хорошие регулировочные свойства и высокий к. п. д. Коммутирующая индуктивность работает в импульсном режиме и может быть небольшой.

Эти схемы, однако, требуют введения вспомогательных тиристоров и более сложной схемы управления. Ниже будут описаны устройства, в которые вместо вспомогательных тиристоров введены доба1ВОЧ1Ные индуктивности.

5-3. ОБРАТНЫЕ ДИОДЫ

Роль обратных диодов в схемах инверторов, описанных в § 5-1, настолько важна, что заслуживает специального рассмотрения. Если инвертор работает на индуктивную нагрузку, то после запирания основного тиристора необходимо току нагрузки, продолжающему протекать в прежнем направлении, предоставить новый путь; так .как проводящее направление следующего тиристора для этого не подходит, то нуж,ный путь для тока нагрузки предоставляет обратный диод, включенный встречно-параллельно запершемуся тиристору. Коммутирующий конденсатор обеспечивает ток нагрузки только в течение короткого интервала коммутации, когда ток переходит из запираемого тир1истора в обратный диод. В остальную часть периода коммутирующий конденсатор бездействует.

Обратные диоды применяются также и в инверторе с сопряженно-импульсной коммутацией по рис. 5-16, полученном из схемы параллельного инвертора рис. 2-2. Действительно, обратные диоды являются единственным отличием новой схемы. Однако это весьма существенно,

гак как в параллельном инверторе единственным путеМ для индуктивного тока .нагрузки является коммутирующий конденсатор, емкость которого поэтому должна быть большой, чтобы предотвратить чрезмерное повышение напряжения после коммутации.

. Обратные диоды называются обратными (точнее «возвратными»), потому что они возвращают источнику постоянного тока реактивную энергию, запасенную в индуктивности или емкости нагрузки. Периодический обмен

Рнс. 5-16. Инвертор с импульсной коммутацией, полученный из параллельного инвертора.

энергаей между источником постоянного тока и шагруз-кой в цепи переменного тока происходит следующим образом. При емкостной нагрузке энергия, .потребляемая от источника питания через основной тиристор, запасается в емкости IB течение первой части полупериода напряжения на нагрузке, а затем возвращается обратно в источник через обратный диод в оставшуюся часть того же полупериода. При индуктивной нагрузке энергия, запасенная IB индуктивности в течение последней части полу-периода напряжения, возвращается в источник питания в течение первой части следующего полупериода.

При таком характере изменения потока энергии отпадает необходимость в больших коммутирующих конденсаторах и больших сглаживающих дросселях, так как уже не требуется, как прежде, запасать в них реактивную энергию для обмена с нагрузкой. Вместо этого может 118

быть введен небольшой коммутирующий конденсатор, который в сочетании с малой индуктивностью, называемой коммутирующей, формирует коммутирующий импульс напряжения. Хотя импульсная коммутация и обратные диоды - две различные технические идеи, на практике они тесно связаны. Все инверторы, описанные в этой главе, снабжены обратными диодами.

Применение обратных диодов и импульсной коммутации с целью улучшения характеристик и уменьшения размеров инвертора получило развитие сравнительно недавно. Схемы, описанные в настоящей главе, в противоположность рассмотренным в предыдущих главах, были разработаны для тиристоров и кремниевых диодов. Таким образом, эти схемы появились после изобретения тиристоров. Ранее, когда в распоряжении конструктора были только ионные приборы с их вспомогательными устройствами, идея примеиения обратных диодов была менее привлекательной. Большее время восстановления ионных приборов уменьшало преимущество импульсной коммутации. Поэтому это направление развития ннвер-торных схем считалось невыгодным.

Реверсирование потока энергии

Другим замечательным свойством инверторов с обратными диодами является обратимость, т. е. способность длительно передавать энергию со стороны переменного тока к нагрузке постоянного тока. Таким образо.м, такой инвертор, включенный параллельно с системой переменного тока, при соответствующих фильтрах и системе регулирования может работать выпрямителем. Это свойство полезно, когда ии.вертор служит .резервным источником питания. Нормально такой агрегат будет подзаряжать аккумуляторную батарею от сети переменного тока. В случае аварии в сети инвертор немедленно реверсирует поток энергии и обеспечивает непрерывное питание нагрузки переменным напряжением. Такое реверсирование энергии позволяет также осуществить рекуперативное торможение двигателя переменного тока.

Замети.м, что реверсирование потока энергии осуществляется реверсированием тока, а не изменением полярности напряжения, как это получается при фазовом управлении напряжением выпрямителя, когда его угол управления становится больше 90" и он переходит в ре-лшм зависимого (ведомого сетью) инвертора.