Паралельний інвертор струму

На рис. 4.16, а зображена однофазна мостова схема інвертора, яка містить джерело живлення з постійною напругою и _ж, вхідний фільтр (дросель L_d), комутатор з чотирма ключами змінного струму, в якості яких найчастіше використовують одноопераційні тиристори, вихідний фільтр (конденсатор С) та навантаження: асинхронний двигун, який представлено еквівалентними параметрами – індуктивністю розсіювання L_s та протиЕРС . Однофазна схема прийнята тільки для простоти вивчення загальних властивостей інвертора, реально в тязі використовують тільки трифазні схеми.

В перший півперіод ввімкнена пара тиристорів VS 1, VS 4, а друга пара вимкнена. Струм тече по контуру + и _ж – L_d – VS 1 – вихідне коло – VS 4 – -и _ж. Вихідний струм і _в має те ж значення та напрямок, що і вхідний. В другий півперіод ввімкнена вже пара тиристорів VS 3, VS 2, та струм тече по контуру + и _ж – L_d – VS 3 – вихідне коло – VS 2 – -и _ж. Вихідний струм знов таки має ту ж величину, що й вхідний, але змінює напрямок. Далі процеси періодично повторюються.

Таким чином, схема перетворює постійний вхідний струм і_d (рис. 4.16, б) в змінний імпульсний з прямокутною формою (рис. 4.16, в). Перепустити такий струм через двигун неможливо, оскільки індуктивність L_s буде створювати в моменти стрибків струму нескінченно велику ЕРС самоіндукції, яка спричинить пробій тиристорів, що комутують. Щоб зробити схему діючою, треба перепустити вищі гармоніки струму мимо двигуна як навантаження. Для цього і призначений фільтровий конденсатор С, який приєднується паралельно навантаженню. Для гармонік високих частот його опір 1/(ω С) малий, тому ці гармоніки протікатимуть в конденсаторі та спричинять лише мале падіння напруги на його обкла-динках. Для першої гармоніки, яка має найнижчу частоту, конденсатор має досить великий опір, тому струм цієї гармоніки потече, в основному, через навантаження. Таким чином, конденсатор згладжує струм та напругу на навантаженні, які у першому наближенні можуть бути прийняті синусоїдальними (див. и _в на рис. 4.16, в).

Конденсатор С можна використовувати також як комутаційний, що дозволяє застосовувати в комутаторі більш дешеві одноопераційні тиристори. Для цього ємність конденсатора має бути достатньою, щоб вихідна напруга відставала від струму на деякий кут j_в1. В цьому випадку комутація відбувається таким чином. Перед її початком у момент t ₁ напруга на конденсаторі має полярність, яка позначена на рис. 4.16, а без дужок. При ввімкненні тиристорів VS 3 та VS 2 створюються два короткозамкнених контури + С – VS 1 – VS 3 – -С та + С – VS 2 – VS 4 – -С (контури комутації). Струм у цих контурах спрямований проти напрямку провідності тиристорів VS 1 і VS 4 та наростає дуже швидко. Тому ці тиристори швидко вими-каються і до них протягом того ж кута j_в1 прикладається зворотна напруга від зарядженого конденсатора, що потрібно для розсмоктування носіїв зарядів. У другий півперіод конденсатор перезаряджається (його полярність показана на рис. 4.16, а в дужках) та аналогічно вимикає тиристори VS 2, VS 3. Інтервал часу t _в, який відповідає куту j_в1, є схемним часом вимикання. Це той час, який дає схема для вимикання тиристора. Він повинен бути більшим, ніж паспортний час вимикання тиристора t_q. Якщо ця умова не виконується, то один або обидва тиристори, які проводили струм, у момент t ₂ вмикаються повторно та спільно з тиристорами протифазних плечей моста, які ввімкнулися, створюють коротке замикання між точками А і Б на вході комутатора. Такий аварійний режим, як і в широтно-імпульсних перетворювачах, називають зривом інвертування. Вихідна напруга при цьому буде нульовою, бо зникає напруга між точками А і Б на вході комутатора, а вхідний струм i_d зростає до струму короткого замикання u _ж/ R_d (R_d – активний опір вхідного кола). Тому потрібно негайне відключення інвертора від джерела живлення. Це виконується за допомогою автома-тичного вимикача із струмовим захистом.

На рис. 4.16, г показано, як формується напруга и_d на вході комутатора. В перший півперіод вона дорівнює + и _в, а в другий – -и _в, через те що вихідне коло перемикається відносно вхідного. В режимі тяги (рис. 4.16, в–г) кут зсуву j_в1< π /2, тому що навантаження споживає енергії більше, ніж повертає назад. Середня вхідна напруга и_{d 0} при цьому позитивна. В режимі гальмування (рис. 4.16, д–е) напруга та струм, по більшості, мають різні знаки, тому j_в1 > π /2 і змінюється знак середньої вхідної напруги. Щоб підтримувати заданий вхідний струм, напруга живлення повинна зміню-ватися згідно з рівнянням

. (4.49)

Щоб мати високий ККД, усі активні опори при проектуванні мінімізують. Тому потрібна напруга живлення в усіх режимах набли-жається до и_{d 0}. Тоді з рис. 4.16, г, е ясно, що її треба змінювати при зміні як амплітуди вихідної напруги , так і її кута зсуву j_в1 відносно струму. Зокрема, при переході від тяги до гальмування треба змінювати її знак.

Таким чином, при роботі інвертора струму на двигунне навантаження потрібно мати досить великі паралельні конденсатори на виході, а інакше виникнуть великі перенапруги. Використовуючи ці конденсатори також для примусового вимикання напівпровідникових ключів, можна застосувати в комутаторі одноопераційні тиристори, що і є найефективнішим рішенням для інвертора струму.