2-1. ПРИНЦИП КОММУТАЦИИ

Принцип коммутации параллельного инвертора показан на рис. 2-1. Термин «параллельный инвертор» используется для обозначения инвертора, у которого при коммутации конденсатор включается параллельно с нагрузкой. В схеме рис. 2-1 конденсатор не включен непосредственно параллельно нагрузке, но эта упрощенная

схема иллюстрирует процесс коммутации, осуществляемый в наиболее эффективных инверторах с параллельным включением конденсатора.

Когда тиристор (кремниевый управляемый вентиль) Т находится в проводящем состоянии (рис. 2-1), конденсатор будет заряжаться по экспоненте с полярностью, соответствующей полярности источника постоянного напряжения. При замыкании выключателя 5 конденсатор оказывается подключенным к тиристору Т так, что между анодом и катодом последнего создается отрицательное напряжение. Благодаря этому тиристор Т запирается и ток нагрузки начинает протекать через конденсатор. Емкость конденсатора и величина напряжения, до которого он заряжается, должны быть достаточными, чтобы отводить максимальный ток нагрузки от тиристора Т на то время, которое требуется, чтобы тиристор Т восстановил свою способность удерживать напряжение в прямом направлении.

Рис. 2-1. Схема, и.плюстрирую-щая принцип работы параллельного инвертора.

2-2. ОДНОФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР [Л. 2-1-2-6]

Наиболее известная схема однофазного параллельного инвертора показана на рис. 2-2. Эта схема аналогична схемам с механическим и с транзисторным выключателями, о которых шла речь в гл. 1. Она отличается от них лишь наличием дросселя в цепи постоянного тока и коммутирующего конденсатора. В схемах гл. 1 ток в соответствующем переключающем элементе прекращался, когда контакт размыкался. Таким образом, пе-24

реход тока с одного вентиля на следующий был обусловлен способностью механического или транзисторного выключателя разрывать прямой ток. В схеме инвертора с параллельным подключением коммутирующего конденсатора (рис. 2-2) можно использовать вентили, которые не способны отключать прямой ток, например тиристоры. Функции переключателя (передача тока с одного век-тиля на другой) осуществляются в этой схеме коммутирующим конденсатором. Коммутация начинается с того

Рис. 2-2. Схема параллельного инвертора.

момента, когда отпирается второй тиристор. Дроссель в цепи постоянного тока предотвращает протекание большого тока через коммутирующий конденсатор за время переключения.

Чтобы понять работу схемы рис. 2-2, можно считать, что постоянный ток попеременно переключается из одной половины первичной обмотки трансформатора в другую. Источник постоянного тока попеременно питает обе половины первичной обмотки трансформатора, создавая каждый раз н. с. противоположной полярности. Это равносильно протеканию переменного тока по одной первичной обмотке, в результате чего вторичная обмотка обеспечивает питание нагрузки. В схеме рис. 2-2 дроссель в цепи постоянного тока обычно достаточно велик, чтобы исключить пульсации подводимого постоянного тока. Переключение подводимого постоянного тока с одного тиристора на другой равносильно току с прямоугольной формой кривой, питающему ту часть схемы,

Которая соответствует переменному току, т. е. трансформатор, конденсатор и нагрузку. В течение проводящего интервала каждого тиристора среднее значение напряжения, приложенного к соответствующей половине обмотки трансформатора, должно равняться напряжению источника постоянного тока.

При другом способе анализа работы схемы рис. 2-2 можно считать, что тиристоры выполняют роль переключателей, которые попеременно подводят постоянное напряжение сначала к одной, а потом к другой половине первичной обмотки трансформатора. Это равносильно наличию переменного напряжения на одной первичной обмотке, в результате чего нагрузка получает переменное напряжение.

Вообще говоря, можно считать, что по отношению к элементам схемы, относящимся к переменному току (трансформатор, конденсатор и нагрузка), параллельные инверторы являются переключателями полярности постоянного тока или напряжения. Такое предположение упростит анализ работы схемы как в случае переключения напряжения, так и в случае переключения тока. Например, при большом дросселе в цепи постоянного тока и сравнительно больших углах опережения элементы цепи переменного тока схемы рис. 2-2 могут рассматриваться, как пропускающие ток с прямоугольной формой волны. Если же угол опереления мал, а вся нагрузка практически активная, то можно считать, что к элементам переменного тока приложено напряжение прямоугольной формы.

Пусть тиристор Т1 в схеме рис. 2-2 находится в проводящем состоянии и конденсатор заряжается с правой стороны положительно. Когда тиристор Т2 отпирается, напряжение на конденсаторе изменяет знак напряжения на тиристоре Т1 и он запирается. При очень большой индуктивности в цепи постоянного тока от источника течет практически постоянный ток, соответствующий данной нагрузке. При чисто активной нагрузке и небольшом конденсаторе по нагрузке протекает ток с прямоугольной формой волны. Если параллельно активной нагрузке подключена индуктивная нагрузка, то ток в индуктивности в конце каждого полупериода достигает максимума. Входной ток прямоугольной формы не мо-л<ет создать этот максимум тока в индуктивной нагрузке и он образуется благодаря конденсатору, в резуль-26

тате чего напряжение на конденсаторе быстро снижается в течение последней части каждого полупериода. При небольшом напряжении на конденсаторе полу.чается малый угол восстановления. В большинстве практических схем коммутация обеспечивается, когда емкостная мощность конденсатора превышает индуктивную мощность нагрузки. Таким образом, емкость коммутирующего конденсатора должна быть не только достаточно большой для обеспечения коммутации при чисто омической нагрузке, но, кроме того, она должна обеспечивать индуктивную нагрузку. Это усугубляет один из основных недостатков такого инвертора, который заключается в том, что с ростом нагрузки требуется увеличивать емкость конденсатора. Форма кривой и величина выходного напряжения существенно изменяются, если отключить индуктивную нагрузку, но сохранить прежнее значение емкости.

Принцип работы схемы

В этом разделе речь будет идти о некоторых основных принципах работы схемы рис. 2-2. Рассматриваемые принципы важны для более глубокого понимания схемы. Они также будут использованы при расчете схемы.

Как уже отмечалось выше, при большой индуктивности в цепи постоянного тока схемы рис. 2-2 источник постоянного тока обеспечивает в элементах переменного тока протекание тока прямоугольной формы. Этот ток с прямоугольной формой кривой создает на нагрузке переменного тока напряжение, не совпадающее по фазе с током из-за наличия реактивных сопротивлений коммутирующего конденсатора и нагрузки. Можно рассматривать вопрос так, что основная гармоника питающего тока с прямоугольной формой кривой имеет как активную, так и реактивную составляющие. Активная составляющая находится в фазе с основной гармоникой напряжения на нагрузке переменного тока, а реактивная составляющая сдвинута на 90° по отношению к о;-новной гармонике напряжения на нагрузке. Активная составляющая тока создает мощность, которая расходуется в активном сопротивлении нагрузки, в то время как реактивная составляющая тока питает реактивную мощность нагрузки и коммутирующего конденсатора. То же самое справедливо для любой гармоники, содер-

жащейся в питающем токе прямоугольной формы. Эти

сведения позволяют сформулировать следующие специфические принципы работы схемы.

1. Мощность, получаемая от источника постоянного тока, должна быть равна мощности, отдаваемой нагрузке. Этот принцип общеизвестен и справедлив для любого выпрямителя или инвертора в предположении, что потери мощности незначительны и ими можно пренебречь. Кроме того, он справедлив как для основной составляющей и для каждой гармоники так и для полной мощности, если принять, что параметры L, R, С постоянны. Данный принцип выражается формулами

£V = 5L (2-1)

(2-2)

где i7„c(r.) - действующее значение основной (n=l) или п-й гармоники напряжения на нагрузке переменного тока; /d, е(п) - действующее значение п-й гармоники тока источника постоянного тока; (р„ - фазовый угол коэффициента мощности - угол между гармоническими составляющими напряжения на нагрузке переменного тока и тока источника постоянного тока; -сопротивление в параллельной цепочке L, эквивалентной последовательной цепочке R, L, показанной на рис. 2-2. 2. Реактивные мощности основной и каждой гармоники источника питания должны быть равны соответствующим составляющим реактивной мощности всей цепи переменного тока на выходе. Этот принцип аналогичен первому. Его лучше всего можно понять, считая, что схема рис. 2-2 имеет в цепи постоянного тока дроссель с очень большой индуктивностью. В эквивалентной схеме в этом случае источник питания и тиристоры заменяются генератором тока с прямоугольной формой кривой, питающим всю цепь переменного тока, как это показано на рис. 2-3.

Коммутирующий конденсатор в этой схеме вынесен на зажимы вторичной обмотки трансформатора, общее 28

число витков первичной обмотки которого равно удвоенному числу витков вторичной обмотки. Кроме того, последовательная цепочка RL нагрузки заменена эквивалентной параллельной цепочкой R, L. Данный принцип может быть выражен формулами:

• (2-3)

Hei/d.eisin<Pi = P;

CI (/2

U„e{-n)Id.e{n) sin 9„ = ,

(2-4)

где индексы 1 и п означают основную (п=1) и любую другую гармоники, а Xci - разность между емкостным и индуктивным сопротивлениями цепи 4С, L для любой гармоники. Положительная разность между емкостным и индуктивным сопротивлениями цепи всегда необходима для работы схемы.

Рис. 2-3. Эквивалентная схема для схемы рис. 2-2 при большом дросселе в цепи постоянного тока.

3. В установившемся режиме среднее за интервал проводимости каждого тиристора напряжение на половине первичной обмотки трансформатора должно быть равно напряжению источника постоянного тока. Разность между напряжением источника постоянного тока и напряжением на половине первичной обмотки трансформатора равна напряжению на дросселе в цепи постоянного тока. Данный принцип справедлив, так как цепь полностью симметрична для каждого полупериода, как это видно из рие. 2-4, а при установившемся режиме на дросселе в цепи постоянного тока не может быть постоянного напряжения.

Из этого принципа вытекает следующее положение. При синусоидальном напряжении на нагрузке кривая зависимости Еа от угла опережения представляет собой косинусоидальную кривую, показанную ранее на