Московский государственный университет печати

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.


         

Промышленная электроника

Учебник для вузов


Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.
Промышленная электроника
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Введение

1.

Полупроводниковые и микроэлектронные приборы

1.1.

Электропроводность полупроводников

1.2.

Процессы в электронно-дырочном переходе

1.3.

Полупроводниковые диоды

1.4.

Биполярные транзисторы

1.5.

Характеристики и параметры биполярных транзисторов

1.6.

Полевые транзисторы

1.6.1.

Полевые транзисторы с р-n переходом

1.6.2.

Полевые транзисторы МДП-типа

1.7.

Тиристоры

1.8.

Параметры и разновидности тиристоров

1.9.

Интегральные микросхемы

1.10.

Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

1.11.

Контрольные вопросы и задачи

2.

Транзисторные усилители

2.1.

Передаточная характеристика усилительного каскада

2.2.

Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

2.3.

Обратные связи. Стабилизация режима покоя

2.3.1.

Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ

2.4.

Виды связей и дрейф нуля в усилителях постоянного тока

2.5.

Дифференциальный каскад

2.6.

Каскад с общим коллектором

2.7.

Каскад с общим истоком

2.8.

Операционный усилитель

2.9.

Неинвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.10.

Инвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.11.

Операционные схемы

2.12.

Компенсация входных токов и напряжения смещения нуля

2.13.

Частотные свойства и самовозбуждение усилителей

2.14.

Избирательные усилители и генераторы синусоидальных колебаний

2.15.

Усилители с емкостной связью

2.16.

Каскады усиления мощности

2.16.1.

Каскад усиления мощности класса А

2.16.2.

Однотактный каскад класса В

2.16.3.

Двухтактный каскад усиления мощности класса В

2.17.

Контрольные вопросы и задачи

3.

Импульсные устройства

3.1.

Преимущества передачи информации в виде импульсов

3.2.

Ключевой режим транзистора

3.3.

Нелинейный режим работы операционного усилителя. Компараторы

3.4.

Преобразование импульсных сигналов с помощью RС-цепей

3.4.1.

Дифференцирующие (или укорачивающие) цепи

3.4.2.

Интегрирующие цепи

3.5.

Мультивибратор на операционном усилителе

3.6.

Одновибратор на операционном усилителе

3.7.

Генераторы линейно изменяющихся напряжении

3.8.

Магнитно-транзисторные генераторы

3.9.

Контрольные вопросы и задачи

4.

Логические и цифровые устройства

5.

Маломощные выпрямители однофазного тока

5.1.

Структура источника питания

5.2.

Однофазные выпрямители с активной нагрузкой

5.3.

Однофазные выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой

5.4.

Фильтры маломощных выпрямителей

5.5.

Особенности работы и расчета выпрямителя с емкостным фильтром

5.6.

Внешние характеристики маломощных выпрямителей

5.7.

Стабилизаторы напряжения

5.8.

Источники питания с многократным преобразованием энергии

5.9.

Контрольные вопросы и задачи

6.

Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности

6.1.

Применение вентильных преобразователей в энергетике и электротехнике

6.2.

Однофазный управляемый выпрямитель

6.3.

Однофазный ведомый сетью инвертор

6.4.

Трехфазный нулевой выпрямитель

6.5.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

6.6.

Составные многофазные схемы выпрямления

6.7.

Реверсивные выпрямители и непосредственные преобразователи частоты

6.8.

Регулируемые преобразователи переменного напряжения

6.9.

Контрольные вопросы и задачи

7.

Влияние вентильных преобразователей на питающую сеть

7.1.

Коэффициент мощности вентильных преобразователей

7.2.

Вентильные преобразователи с повышенным коэффициентом мощности

7.3.

Источники реактивной мощности

7.4.

Контрольные вопросы и задачи

8.

Системы управления вентильными преобразователями

8.1.

Функции и структура систем управления

8.2.

Фазосмещающие устройства (ФСУ)

8.3.

Многоканальные системы управления

8.4.

Одноканальные системы управления

8.5.

Контрольные вопросы и задачи

9.

Автономные вентильные преобразователи

9.1.

Способы регулирования постоянного напряжения

9.2.

Узлы коммутации однооперационных тиристоров

9.3.

Инверторы напряжения

9.4.

Инверторы тока

9.5.

Резонансные инверторы

9.6.

Контрольные вопросы и задачи

10.

Список литературы

Указатели
12   предметный указатель
148   указатель иллюстраций
Рис. 9.1. Схема и временные диаграммы импульсного преобразователя постоянного напряжения при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б) нагрузки Рис. 9.2. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме рис. 9.1, б при различных способах регулирования напряжения Рис. 9.3. Основные способы подключения коммутирующего конденсатора к тиристору Рис. 9.4. Схема и временные диаграммы токов и напряжений узла принудительной коммутации тиристора при линейном перезаряде конденсатора Рис. 9.5. Схема и временные диаграммы токов и напряжений узла принудительной коммутации тиристора с колебательным перезарядом конденсатора Рис. 9.6. Схема и временные диаграммы однофазного мостового инвертора напряжения Рис. 9.7. Временные диаграммы тока, напряжения и интервала проводящего состояния вентилей в схеме рис. 9.6 при регулировании выходного напряжения Рис. 9.8. Трехфазный мостовой инвертор напряжения (а) и временные диаграммы напряжений в инверторе (б) Рис. 9.9. Схема (а) и временные диаграммы (б) однофазного параллельного мостового инвертора тока Рис. 9.10. Внешняя характеристика (а), схемы замещения (б, г) и векторные диаграммы (в, д) инверторов тока Рис. 9.11. Инвертор тока с индуктивно-тиристорным регулятором Рис. 9.12. Трехфазный мостовой инвертор тока Рис. 9.13. Резонансный инвертор с обратными диодами Рис. 9.14. Временные диаграммы токов и напряжения в резонансном инверторе в режиме непрерывного (а) и прерывистого (б) токов

Автономные вентильные преобразователи не связаны с мощной электрической сетью переменного тока: в качестве источника энергии автономные преобразователи используют источники постоянного тока. Таким источником может быть выпрямитель, преобразующий энергию сети переменного тока, аккумуляторы или другие источники постоянного тока. Автономные преобразователи работают на автономную, отделенную от других источников энергии нагрузку постоянного или переменного тока,

Основными типами автономных преобразователей являются импульсные преобразователи постоянного напряжения, у которых на входе и выходе постоянное напряжение, и инверторы-преобразователи постоянного тока в переменный.

При питании от источников постоянного напряжения для регулирования мощности постоянного тока в нагрузке с высоким КПД используются импульсные преобразователи (регуляторы) постоянного напряжения с ключевым режимом работы.

На рис. 9.1, а Рис. 9.1. Схема и временные диаграммы импульсного преобразователя постоянного напряжения при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б) нагрузки приведена схема такого преобразователя на идеальном ключе, включенном последовательно с нагрузкой (активная нагрузка). При периодическом замыкании и размыкании ключа Кл напряжение на нагрузке принимает вид прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ЭДС питания Е.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса <?xml version="1.0"?>
называется скважностью (см. § 3.1): <?xml version="1.0"?>
Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения <?xml version="1.0"?>

Изменением длительности включенного и выключенного состояния ключа К можно воздействовать на среднее и действующее значения напряжения на нагрузке.

Среднее напряжение на нагрузке

<?xml version="1.0"?>

Действующее значение напряжения

<?xml version="1.0"?>

Примером активной нагрузки могут служить электрические лампы накаливания и электрические печи сопротивления. Для тех и других существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока, аккумуляторной батареи и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер (например, содержит дроссель для сглаживания выпрямленного напряжения или для ограничения пульсации тока якоря двигателя постоянного тока), то для того, чтобы при разрыве цепи не было опасных перенапряжений, она шунтируется диодом <?xml version="1.0"?>
(рис. 9.1, б). При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то через источник Е, когда ключ замкнут (на интервале <?xml version="1.0"?>
энергия запасается в нагрузке), то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут (на интервале Т-<?xml version="1.0"?>
часть энергии, запасенной в нагрузке, рассеивается). При идеальном ключе напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
имеет форму прямоугольных импульсов, а ток <?xml version="1.0"?>
пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени <?xml version="1.0"?>
При этом среднее и действующее значения напряжения определяются теми же формулами, что и при активной нагрузке.

При активной и активно-индуктивной нагрузках среднее значение тока в нагрузке находится по среднему значению напряжения на нагрузке:

<?xml version="1.0"?>

Возможны два способа регулирования выходного напряжения:

  • широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда для изменения среднего значения тока и напряжения нагрузки изменяют длительность замкнутого состояния ключа <?xml version="1.0"?>
= var при постоянном периоде повторения Т = const (рис. 9.2, а, б Рис. 9.2. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме рис. 9.1, б при различных способах регулирования напряжения);
  • частотно-импульсное регулирование (ЧИР), когда изменяют частоту повторения при постоянной длительности импульса <?xml version="1.0"?>
= const, Т = var, рис. 9.2, а, б).

В обоих случаях воздействуют на <?xml version="1.0"?>
что приводит к изменению среднего и действующего значения напряжения в нагрузке в соответствии с (9.1), (9.2).

В качестве ключей импульсных преобразователей постоянного напряжения можно использовать транзисторы, запираемые (двухоперационные) тиристоры и обычные однооперационные тиристоры, снабженные узлами принудительной коммутации, т.е. дополнительными схемными элементами, обеспечивающими выключение тиристоров в заданные моменты времени.

Различают узлы параллельной и последовательной коммутации. В обоих случаях для выключения тиристора к нему прикладывают обратное напряжение, под действием которого прекращается анодный ток тиристора и восстанавливаются его запирающие свойства. Источником коммутирующего напряжения обычно является конденсатор, предварительно заряженный с нужной полярностью.

При параллельной коммутации конденсатор через замыкающий ключ подключается либо параллельно силовому тиристору (рис. 9.3, а Рис. 9.3. Основные способы подключения коммутирующего конденсатора к тиристору), либо параллельно нагрузке (рис. 9.3, б). При подключении конденсатора параллельно тиристору напряжение на тиристоре во время коммутации <?xml version="1.0"?>
а напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
При подключении конденсатора параллельно нагрузке анодное напряжение тиристора <?xml version="1.0"?>
а напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
В обоих случаях напряжение на нагрузке зависит от напряжения на конденсаторе, которое будет изменяться в зависимости от тока нагрузки.

При последовательной коммутации напряжение коммутирующего конденсатора вводится в цепь последовательно с тиристором, например, если конденсатор включается параллельно дросселю (рис. 9.3, б). Тиристор на интервале коммутации оказывается под обратным напряжением <?xml version="1.0"?>
а напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
Контур перезаряда конденсатора не включает нагрузку, поэтому напряжение на нагрузке при последовательной коммутации не зависит от процессов на интервале коммутации, т.е. от условий перезаряда конденсатора.

На рис. 9.4, а Рис. 9.4. Схема и временные диаграммы токов и напряжений узла принудительной коммутации тиристора при линейном перезаряде конденсатора приведена схема простейшего тиристорного импульсного преобразователя постоянного напряжения с узлом параллельной коммутации, в котором коммутирующий конденсатор <?xml version="1.0"?>
подключается параллельно нагрузке. В коммутирующий узел силового тиристора <?xml version="1.0"?>
входит конденсатор <?xml version="1.0"?>
, коммутирующий тиристор <?xml version="1.0"?>
и цепь для колебательного заряда конденсатора, состоящая из дросселя <?xml version="1.0"?>
и диода V. Нужные для коммутации вентиля <?xml version="1.0"?>
полярность и величина напряжения на конденсаторе С получаются после включения при <?xml version="1.0"?>
тиристора <?xml version="1.0"?>
, когда по контуру <?xml version="1.0"?>
происходит заряд конденсатора <?xml version="1.0"?>
до напряжения <?xml version="1.0"?>
(рис. 9.4, б). При этом к нагрузке прикладывается напряжение <?xml version="1.0"?>
, через теристор <?xml version="1.0"?>
при его включении протекает ток заряда конденсатора <?xml version="1.0"?>
(рис. 9.4, а), по форме близкий к полуволне синусоиды (заряд конденсатора имеет колебательный характер): <?xml version="1.0"?>
Для выключения тиристора <?xml version="1.0"?>
подаем в момент <?xml version="1.0"?>
импульс управления на тиристор <?xml version="1.0"?>
. При его включении напряжение на нагрузке становится равным напряжению заряженного конденсатора <?xml version="1.0"?>
а к тиристору <?xml version="1.0"?>
прикладывается обратное напряжение, равное <?xml version="1.0"?>
Ток через тиристор <?xml version="1.0"?>
прекращается, а ток нагрузки замыкается по цепи <?xml version="1.0"?>
Конденсатор перезаряжается током нагрузки, а так как этот тек из-за большой индуктивности <?xml version="1.0"?>
хорошо сглажен, то напряжение на конденсаторе <?xml version="1.0"?>
и тиристоре <?xml version="1.0"?>
изменяется по линейному закону. Тиристор <?xml version="1.0"?>
за время существования обратного напряжения восстанавливает свои запирающие свойства.

После окончания разряда конденсатора при <?xml version="1.0"?>
ток (с становится равным нулю, а ток нагрузки замыкается через шунтирующий диод <?xml version="1.0"?>
. Схема готова к формированию следующего импульса напряжения на нагрузке. В момент <?xml version="1.0"?>
поступает импульс управления на тиристор <?xml version="1.0"?>
, опять отпирается <?xml version="1.0"?>
и процессы в схеме повторяются.

За длительность импульса на нагрузке принимают время между управляющими импульсами, подаваемыми на силовой тиристор (<?xml version="1.0"?>
) и коммутирующий тиристор (<?xml version="1.0"?>
) (рис. 9.4, б). Этот интервал соответствует длительности открытого состояния ключа, т.е. тиристора <?xml version="1.0"?>
. Обратное напряжение на тиристоре <?xml version="1.0"?>
поддерживается в течение интервала <?xml version="1.0"?>
, когда конденсатор С разряжается током нагрузки от <?xml version="1.0"?>
до Е. Имеем

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
в зависимости от потерь в зарядном контуре <?xml version="1.0"?>
. За это время <?xml version="1.0"?>
тиристор <?xml version="1.0"?>
должен восстановить свои управляющие свойства.

На рис. 9.5, а Рис. 9.5. Схема и временные диаграммы токов и напряжений узла принудительной коммутации тиристора с колебательным перезарядом конденсатора приведена более совершенная практическая схема импульсного преобразователя постоянного напряжения, в которой при коммутации конденсатор подключается параллельно силовому тиристору <?xml version="1.0"?>
. В узел коммутации входят коммутирующий конденсатор <?xml version="1.0"?>
. коммутирующий тиристор <?xml version="1.0"?>
и цепь для колебательного перезаряда конденсатора <?xml version="1.0"?>
, V1.

При подаче ЭДС Е конденсатор <?xml version="1.0"?>
через V1, <?xml version="1.0"?>
и нагрузочную цепь <?xml version="1.0"?>
заряжается до напряжения <?xml version="1.0"?>
= Е с указанной без скобок полярностью. При <?xml version="1.0"?>
на управляющий электрод тиристора <?xml version="1.0"?>
поступает импульс управления <?xml version="1.0"?>
. Тиристор <?xml version="1.0"?>
отпирается, и напряжение на нагрузке (верхняя диаграмма рис. 9.5, б) мн=Я.

Для запирания <?xml version="1.0"?>
на управляющий электрод <?xml version="1.0"?>
в момент <?xml version="1.0"?>
подается импульс управления <?xml version="1.0"?>
. Тиристор <?xml version="1.0"?>
отпирается, и конденсатор по контуру <?xml version="1.0"?>
перезаряжается до напряжения, близкого по величине Е, но с обратной полярностью (знаки в скобках). Процесс носит колебательный характер, а ток конденсатора <?xml version="1.0"?>
имеет форму полуволны синусоиды с длительностью полупериода <?xml version="1.0"?>

После перезаряда конденсатора <?xml version="1.0"?>
при <?xml version="1.0"?>
оказывается под обратным напряжением, в результате чего прямой ток <?xml version="1.0"?>
через него прекращается. Конденсатор перезаряжается постоянным током нагрузки, и напряжение на нем линейно убывает. При <?xml version="1.0"?>
конденсатор разрядился до нуля. Интервал <?xml version="1.0"?>
равен времени приложения к силовому тиристору обратного напряжения, т.е. это время выключения, предоставляемое тиристору <?xml version="1.0"?>
для восстановления управляющих свойств. При <?xml version="1.0"?>
конденсатор вновь заряжается до исходного напряжения, равного Е, а напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
становится равным нулю.

На интервале <?xml version="1.0"?>
ток нагрузки протекает через диод <?xml version="1.0"?>
, а выходное напряжение <?xml version="1.0"?>
= 0. Изменяя время задержки импульса управления на коммутирующий тиристор <?xml version="1.0"?>
можно изменять скважность выходного напряжения и его среднее и действующее значения.

Найдем схемное время выключения <?xml version="1.0"?>
. Обозначаем начальное напряжение на конденсаторе через <?xml version="1.0"?>
- коэффициент заряда конденсатора <?xml version="1.0"?>
и считаем ток нагрузки, которым перезаряжается конденсатор, постоянным:

<?xml version="1.0"?>

При изменении тока нагрузки <?xml version="1.0"?>
изменяется скорость перезаряда конденсатора и поэтому изменяется форма и среднее значение выходного напряжения <?xml version="1.0"?>
.

Для уменьшения влияния тока нагрузки на выходное напряжение, т.е. для стабилизации внешней характеристики <?xml version="1.0"?>
и времени, предоставляемого для запирания тиристоров, силовой тиристор <?xml version="1.0"?>
шунтируют диодом V2. При этом перезаряд конденсатора на интервале <?xml version="1.0"?>
носит колебательный характер. Ток <?xml version="1.0"?>
представляет половину синусоиды той же частоты, что и при заряде конденсатора, и протекает по контуру <?xml version="1.0"?>
Теперь время запирания примерно равно полупериоду собственной частоты контура <?xml version="1.0"?>
а форма выходного напряжения преобразователя приближается к прямоугольной.

Инверторами напряжения называются автономные преобразователи, в которых переменное напряжение на нагрузке образуется в результате ее периодического подключения с помощью ключей к источнику постоянного напряжения, причем с помощью ключей обеспечивается чередующаяся полярность импульсов напряжения на нагрузке. Инверторы напряжения выполняются на полностью управляемых приборах (транзисторах, двухоперационных тиристорах, однооперационных тиристорах, снабженных цепями коммутации).

На рис. 9.6, а Рис. 9.6. Схема и временные диаграммы однофазного мостового инвертора напряжения приведена схема однофазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых вентилях (обратить внимание на изображение запираемого тиристора).

При включенных тиристорах V1 и V4 и выключенных V2 и V3 нагрузка подключается левым концом к положительной шине питания, а правым - к отрицательной и ток <?xml version="1.0"?>
течет, как показано на рисунке. Если V1 и V4 выключить, а V2 и V3 включить, то напряжение и ток нагрузки изменят направление. При активной нагрузке (<?xml version="1.0"?>
= 0) ток нагрузки <?xml version="1.0"?>
повторяет по форме напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
. На рис. 9.6, б штриховой линией показаны кривая тока нагрузки <?xml version="1.0"?>
и входного тока инвертора i при <?xml version="1.0"?>
= 0. Ток <?xml version="1.0"?>
и напряжение <?xml version="1.0"?>
имеют прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке <?xml version="1.0"?>
ток нагрузки <?xml version="1.0"?>
изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени <?xml version="1.0"?>
При запирании V1 и V4 в момент <?xml version="1.0"?>
, несмотря на поступление отпирающих импульсов на V2 и V3, ток нагрузки <?xml version="1.0"?>
из-за присутствия индуктивности <?xml version="1.0"?>
будет стремиться сохранить свое направление. Для того чтобы после запирания V1 и V4 открыть путь току нагрузки, тиристоры шунтируют диодами V10-V40. Поэтому ток нагрузки <?xml version="1.0"?>
при <?xml version="1.0"?>
протекает через V20 и V30 и возвращает часть энергии, запасенной в индуктивности, обратно в источник Е.

При <?xml version="1.0"?>
ток нагрузки <?xml version="1.0"?>
становится равным нулю, а при <?xml version="1.0"?>
ток начинает протекать в противоположном направлении через V2 и V3, на управляющих электродах которых продолжают присутствовать отпирающие сигналы. Аналогично на интервале <?xml version="1.0"?>
т.е. после запирания V2 и V3, ток нагрузки протекает через V10 и V40.

Выходное напряжение инвертора напряжения из-за малой длительности процесса коммутации (запирание вентилей, даже с учетом процессов в коммутационных узлах, если инвертор выполнен на однооперационных тиристорах, длится не более 200 мкс) по форме близко к прямоугольному и не зависит от тока нагрузки. В связи с этим внешняя (нагрузочная) характеристика инвертора напряжения <?xml version="1.0"?>
представляет собой прямую линию с очень малым наклоном.

Входной ток инвертора i' (рис. 9.6, б) при <?xml version="1.0"?>
становится знакопеременным, что говорит о периодическом энергообмене между цепью нагрузки и источником питания: запасание энергии в индуктивности нагрузки при работе тиристоров и возвращение энергии в источник на интервале работы обратных диодов. Если источник питания Е представляет собой выпрямитель, то для создания в нем обратной проводимости, позволяющей принять энергию из инвертора, его шунтируют конденсатором С большой емкости, как показано на рис. 9.6, а.

Найдем выражение для тока нагрузки. Контур тока <?xml version="1.0"?>
включает в себя <?xml version="1.0"?>
Считая, что ток нагрузки состоит из принужденной и свободной составляющих, имеем

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- постоянная времени цепи нагрузки; <?xml version="1.0"?>
- ток нагрузки при <?xml version="1.0"?>

Так как напряжение на нагрузке периодически повторяется, то

<?xml version="1.0"?>

что позволяет определить постоянную А.

После подстановки (9.3) в (9.4) и преобразований получаем

<?xml version="1.0"?>

Максимальное значение тока нагрузки находим из (9.5) при t = Т/2:

<?xml version="1.0"?>

Для регулирования выходного напряжения инверторов напряжения либо изменяют ЭДС питающего напряжения Е, либо используют так называемые внутренние средства, а именно изменяют форму выходного напряжения. С этой целью в схеме рис. 9.6, а сдвигают управляющие импульсы на V3 и V4 относительно управляющих импульсов на V1 и V2 на угол управления <?xml version="1.0"?>
(на временных диаграммах рис. 9.7 Рис. 9.7. Временные диаграммы тока, напряжения и интервала проводящего состояния вентилей в схеме рис. 9.6 при регулировании выходного напряжения представлены интервалы проводимости всех тиристоров и форма тока и напряжения на нагрузке).

На интервале <?xml version="1.0"?>
открыты V1 и V4, на нагрузке <?xml version="1.0"?>
В момент <?xml version="1.0"?>
V1 запирается и подается управляющий импульс на V2, в результате чего ток <?xml version="1.0"?>
замыкается в контуре <?xml version="1.0"?>
а напряжение на нагрузке, закороченной тиристорами V4 и V20, <?xml version="1.0"?>
= 0. В момент <?xml version="1.0"?>
поступает отпирающий импульс на V3, V4 прекращает работать и нагрузка подключается к источнику питания; <?xml version="1.0"?>
= -Е. Из-за индуктивности нагрузки первое время на интервале <?xml version="1.0"?>
ток <?xml version="1.0"?>
протекает в прежнем направлении по контуру <?xml version="1.0"?>
затем после спада тока к нулю при <?xml version="1.0"?>
ток изменяет свое направление и течет в контуре <?xml version="1.0"?>

Таким образом, в кривой <?xml version="1.0"?>
появляется регулируемая пауза. Порядок подачи сигналов управления на вентили инвертора получил название алгоритма управления. Алгоритм управления и характер нагрузки в инверторе напряжения определяют характер и продолжительность работы вентилей - алгоритм переключения.

На рис. 9.8, а Рис. 9.8. Трехфазный мостовой инвертор напряжения (а) и временные диаграммы напряжений в инверторе (б) приведена схема трехфазного инвертора напряжения. Рассмотрим простейший режим, когда каждые два тиристора одной фазы открываются попеременно. Если положить потенциал отрицательного полюса источника питания Е равным нулю, то потенциалы точек А, В, С будут принимать значения либо Е, либо 0. На рис. 9.8, б показаны кривые изменения потенциалов <?xml version="1.0"?>
как обычно в трехфазных системах, они сдвинуты относительно друг друга на 120°. К нагрузке приложено линейное напряжение <?xml version="1.0"?>
форма которого также приведена на рис. 9.8, б. Выходное напряжение (линейное) трехфазного инвертора представляет собой в рассматриваемом режиме знакопеременные прямоугольные импульсы длительностью 120°.

Инверторами тока называются автономные инверторы, которые связаны с источником питания через сглаживающий дроссель, так что вентили инвертора переключают ток. В качестве вентилей в инверторах тока используют однооперационные тиристоры. Для коммутации тиристоров параллельно нагрузке обычно подключается коммутирующий конденсатор. По способу подключения конденсатора к нагрузке такие инверторы называются также параллельными.

На рис. 9.9, а Рис. 9.9. Схема (а) и временные диаграммы (б) однофазного параллельного мостового инвертора тока приведена схема однофазного мостового параллельного инвертора тока. Из-за большой индуктивности сглаживающего дросселя <?xml version="1.0"?>
входной ток инвертора <?xml version="1.0"?>
(ток источника Е) будем считать идеально сглаженным. При включении V1 и V4 с помощью импульсов от системы управления, не показанной на рисунке, образуется контур протекания тока <?xml version="1.0"?>
Направление тока в диагонали моста i показано на рисунке. При включении V2 и V3 ток изменяет свое направление. Входной ток инвертора <?xml version="1.0"?>
благодаря периодическому переключению, осуществляемому тиристорами, превращается в диагонали моста в переменный ток прямоугольной формы (рис. 9.9, б).

При активной нагрузке <?xml version="1.0"?>
напряжение на конденсаторе <?xml version="1.0"?>
в силу постоянства тока <?xml version="1.0"?>
изменяется по экспоненте с постоянной времени <?xml version="1.0"?>
и к концу интервала, когда открыты тиристоры V1 и V4, имеет полярность, указанную на рис. 9.9, а. В момент <?xml version="1.0"?>
сигнал управления подается на управляющие электроды V2 и V3. При их отпирании коммутирующий конденсатор С оказывается подключенным параллельно к обоим ранее проводившим ток тиристорам V1 и V4. Полярность напряжения на конденсаторе такова, что напряжение на вентилях при этом оказывается обратным, ток через V1 и V4 прекращается и тиристоры восстанавливают свои запирающие свойства. При <?xml version="1.0"?>
напряжение между анодом и катодом вентилей <?xml version="1.0"?>
из-за перезаряда конденсатора снова становится положительным.

При <?xml version="1.0"?>
снова происходит включение V1 и V4 и выключение V2 и V3. В данной схеме имеет место одноступенчатая коммутация тока, когда ток с одного силового тиристора сразу переводится на другой.

Форма и величина выходного напряжения инвертора и время запирания тиристоров зависят от режима инвертора, определяемого постоянной времени <?xml version="1.0"?>
. Чем больше <?xml version="1.0"?>
, тем медленнее изменяется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма напряжения <?xml version="1.0"?>
приближается к треугольной. Напряжение на диагонали моста <?xml version="1.0"?>
о любой момент времени равно напряжению на закрытом вентиле. При работе вентиля V2 <?xml version="1.0"?>
т.е. напряжению на вентиле V1, а при открытом тиристоре V4 <?xml version="1.0"?>
.

Среднее значение <?xml version="1.0"?>
при пренебрежении потерями в дросселе равно Е. Учитывая, что <?xml version="1.0"?>
имеем

<?xml version="1.0"?>

При увеличении <?xml version="1.0"?>
(например, при росте <?xml version="1.0"?>
) происходит увеличение отрицательной площадки кривой <?xml version="1.0"?>
(штриховая линия на рис. 9.9, б) и, в силу того, что <?xml version="1.0"?>
наблюдается рост положительной площадки и увеличение напряжения на нагрузке <?xml version="1.0"?>
. Поэтому внешняя характеристика <?xml version="1.0"?>
инвертора тока является крутопадающей (рис. 9.10, а Рис. 9.10. Внешняя характеристика (а), схемы замещения (б, г) и векторные диаграммы (в, д) инверторов тока).

Выведем формулу для расчета внешней характеристики приближенным методом основной гармоники, т.е. считая выходное напряжение инвертора синусоидальным.

Выразим мощность в нагрузке через мощность, отдаваемую источником Е с учетом КПД инвертора <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- действующее значение 1-й гармоники прямоугольного тока i (см. рис. 9.9, б); <?xml version="1.0"?>
- угол сдвига между током i и напряжением u'. Из разложения тока i в ряд Фурье получаем <?xml version="1.0"?>
Подставляем это значение в (9.7), в результате получаем

<?xml version="1.0"?>

Угол <?xml version="1.0"?>
может быть найден из схемы замещения рис. 9.10, б, которая показывает цепь, по которой протекает ток <?xml version="1.0"?>
. Векторная диаграмма для схемы замещения приведена на рис. 9.10, в.

Введем коэффициент нагрузки В, равный отношению тока нагрузки <?xml version="1.0"?>
к току конденсатора <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

Из векторной диаграммы рис. 9.10, а имеем

<?xml version="1.0"?>

Подставим (9.10) в (9.8), получаем уравнение внешней характеристики рис. 9.10, а:

<?xml version="1.0"?>

По заданной величине В можно найти относительное выходное напряжение <?xml version="1.0"?>
и определить время, предоставляемое для выключения тиристоров, <?xml version="1.0"?>

Тем же способом можно построить внешнюю характеристику инвертора тока для активно-индуктивной нагрузки, для этого строится схема замещения, находится угол <?xml version="1.0"?>
и значение cos<?xml version="1.0"?>
подставляется в (9.8). Крутопадающий характер внешней характеристики сохраняется.

Сильная зависимость напряжения на нагрузке от нагрузки является недостатком инверторов тока. Для стабилизации напряжения на нагрузке используют различные схемные решения, среди которых наиболее распространенным является схема инвертора тока с так называемым индуктивно-тиристорным регулятором (рис. 9.11 Рис. 9.11. Инвертор тока с индуктивно-тиристорным регулятором).

В схему однофазного мостового параллельного инвертора тока дополнительно введен регулируемый преобразователь переменного напряжения с индуктивной нагрузкой (элементы V5, V6, L). В § 7.3 мы рассматривали работу такого преобразователя переменного напряжения и установили, что потребляемый им ток имеет 1-ю гармонику, фазовый сдвиг которой относительно напряжения всегда равен <?xml version="1.0"?>
. Амплитуда 1-й гармоники тока в соответствии с (7.10) зависит от угла управления <?xml version="1.0"?>
, который равен фазовому сдвигу управляющих импульсов на V5 (или V6) относительно момента смены полярности напряжения <?xml version="1.0"?>
. Поэтому данная схема преобразователя переменного напряжения рассматривается как управляемая индуктивность, которая определяется выражением (7.11).

На рис. 9.10, г приведена схема замещения, а на рис. 9.10, д - векторная диаграмма инвертора по рис. 9.11. На векторной диаграмме появилась дополнительная составляющая тока <?xml version="1.0"?>
. Регулируя <?xml version="1.0"?>
изменением угла <?xml version="1.0"?>
с помощью системы управления, устанавливаем такой ток <?xml version="1.0"?>
, при котором угол сдвига между током i и напряжением <?xml version="1.0"?>
<?xml version="1.0"?>
остается неизменным, тогда в соответствии с выражением (9.8) напряжение на нагрузке будет постоянным при изменении тока нагрузки. Сравним векторные диаграммы рис. 9.10, б и д. На второй из них ток нагрузки уменьшился (<?xml version="1.0"?>
возросло), но благодаря току <?xml version="1.0"?>
угол <?xml version="1.0"?>
остался неизменным и <?xml version="1.0"?>
= const, что показано пунктирной линией на рис. 9.10, а. При уменьшении тока нагрузки угол управления <?xml version="1.0"?>
растет, <?xml version="1.0"?>
снижается.

В инверторе рис. 9.11 можно стабилизировать угол <?xml version="1.0"?>
на другом уровне, например увеличив его по сравнению со значением, показанным на диаграммах рис. 9.10, а и д, при этом выходное напряжение инвертора при том же напряжении Е будет больше, но его стабильность при изменении параметров нагрузки будет сохраняться.

Инверторы тока часто используют для работы на трехфазную нагрузку. На рис. 9.12 Рис. 9.12. Трехфазный мостовой инвертор тока показана схема параллельного трехфазного мостового инвертора тока. Вентили инвертора работают попарно, в том же порядке, как и в мостовом трехфазном выпрямителе.

Инверторы тока с индуктивно-тиристорным регулятором широко используются в промышленности, например, в агрегатах бесперебойного питания, мощность их достигает сотен киловатт. Форма выходного напряжения близка к синусоидальной, что иногда позволяет использовать их без фильтров на стороне переменного тока. При создании инверторов тока с переменной выходной частотой возникают трудности при работе на низких частотах, так как с понижением частоты необходимо увеличивать емкость коммутирующих конденсаторов. Для преодоления этих трудностей разработаны модифицированные схемы инверторов тока, в которых коммутация тока одного тиристора на другой происходит в два этапа, для чего в схему введены вспомогательные вентили. Однако более простые решения в этих случаях обеспечивают инверторы напряжения.

Для формирования переменного напряжения повышенной частоты (от 0,5 до 10 кГц) используются резонансные инверторы. Наиболее распространенной областью их использования является электротермия, где они применяются для питания установок индукционного нагрева. Резонансные инверторы обычно работают на однофазную нагрузку. Схема мостового однофазного резонансного инвертора приведена на рис. 9.13 Рис. 9.13. Резонансный инвертор с обратными диодами. В цепь нагрузки <?xml version="1.0"?>
последовательно подключен конденсатор С, поэтому такой инвертор называется последовательным. Цепь <?xml version="1.0"?>
представляет собой последовательный колебательный контур с высокой добротностью (для чего <?xml version="1.0"?>
должно быть мало) и резонансной частотой <?xml version="1.0"?>
Запирание однооперационных тиристоров в таком инверторе происходит при спаде тока к нулю в колебательном контуре.

В момент <?xml version="1.0"?>
(рис. 9.14, а Рис. 9.14. Временные диаграммы токов и напряжения в резонансном инверторе в режиме непрерывного (а) и прерывистого (б) токов) подают управляющие импульсы на V1 и V4, направление тока в колебательном контуре <?xml version="1.0"?>
показано на рисунке. Конденсатор С заряжается до напряжения <?xml version="1.0"?>
, полярность которого показана на рис. 9.13. В момент <?xml version="1.0"?>
ток <?xml version="1.0"?>
контура, который изменялся по синусоидальному закону, спадает до нуля, при этом V1 и V4 запираются. Затем направление тока <?xml version="1.0"?>
изменяется на противоположное, этот ток начинает протекать по контуру <?xml version="1.0"?>
напряжение на конденсаторе уменьшается. На интервале <?xml version="1.0"?>
к V1 и V4 приложено небольшое обратное напряжение, равное падению напряжения на проводящих ток диодах V10 и V40. На этом интервале происходит восстановление запирающих свойств тиристоров V1 и V4. Длительность интервала <?xml version="1.0"?>
выбирается не менее времени выключения тиристоров (см. § 1.8). Затем в момент <?xml version="1.0"?>
подают управляющие импульсы на V2 и V3 и ток переходит с диодов на эти тиристоры. На интервале <?xml version="1.0"?>
ток <?xml version="1.0"?>
протекает по контуру <?xml version="1.0"?>
напряжение на конденсаторе изменяет свои знак и достигает максимума в момент <?xml version="1.0"?>
, когда ток <?xml version="1.0"?>
уменьшается до нуля. На интервале <?xml version="1.0"?>
(длительностью не меньше <?xml version="1.0"?>
) ток <?xml version="1.0"?>
протекает через V20 и V30, далее процесс повторяется.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при частоте управления инвертора f, максимально близкой к резонансной частоте контура <?xml version="1.0"?>
, однако всегда должно соблюдаться неравенство <?xml version="1.0"?>
так как если длительность интервалов <?xml version="1.0"?>
будет меньше минимальной, схемное время, предоставляемое для выключения вентилей, будет недостаточным для надежного запирания тиристоров. При уменьшении частоты, с которой подаются управляющие импульсы на тиристоры, мощность, отдаваемая в нагрузку, снижается, при дальнейшем уменьшении частоты f интервалы протекания тока через контур чередуются с бестоковыми паузами (режим прерывистого тока). Временные диаграммы в этом режиме представлены на рис. 9.14, б. На интервале <?xml version="1.0"?>
работают тиристоры V1-V4, направление тока <?xml version="1.0"?>
указано стрелкой на рис. 9.13, мощность из источника питания передается в нагрузку. В момент <?xml version="1.0"?>
ток в контуре изменяет свой знак, ток протекает через обратные диоды по контуру <?xml version="1.0"?>
При этом нагрузка возвращает часть энергии, накопленной в реактивных элементах, в источник питания. Напряжение на конденсаторе <?xml version="1.0"?>
уменьшается, однако из-за потерь в контуре оно не достигает нулевого значения.

В момент <?xml version="1.0"?>
ток через диоды спадает к нулю. Бестоковая пауза продолжается до тех пор, пока в момент <?xml version="1.0"?>
не будут поданы управляющие импульсы на силовые тиристоры V2 и V3. Во время бестоковой паузы напряжение на конденсаторе неизменно. В момент <?xml version="1.0"?>
начинается формирование второй половины периода выходной частоты инвертора. При таком режиме прерывистого тока мощность в нагрузке меньше, а кривые тока и напряжения на нагрузке сильнее отличаются от синусоиды, чем в режиме непрерывного тока. Поэтому режим прерывистого тока применяется редко. Для того чтобы приблизить кривую напряжения на нагрузке к синусоидальной, часто параллельно нагрузке включают конденсатор (последовательно-параллельный инвертор).

9.1. Объясните назначение диода в схеме рис. 9.1, б. Постройте временные диаграммы напряжения на диоде и тока через диод.

9.2. Объясните влияние тока нагрузки на процессы в контурах коммутации рис. 9.4, а и 9.5, а.

9.3. Как изменится форма напряжения на нагрузке и процессы в контуре коммутации в схеме рис. 9.5, а при включении в схему диода V2?

9.4. Импульсный преобразователь постоянного напряжения рис. 9.1, б работает с <?xml version="1.0"?>
= 0,5. Как изменится среднее значение тока через ключ и его амплитудное значение, если последовательно с активной нагрузкой <?xml version="1.0"?>
= 10 Ом включить сглаживающий дроссель? <?xml version="1.0"?>

9.5. Чему равно среднее значение тока через диод V в схеме из вопроса 9.4, если Е = 100 В?

9.6. Как влияет величина нагрузки и соотношение между <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
в инверторе напряжения на форму выходного напряжения и тока?

9.7. Построить временные диаграммы напряжения и тока через диод V10 в схеме рис. 9.6, а при работе на активно-индуктивную нагрузку.

9.8. Как изменится выходное напряжение инвертора тока при увеличении емкости конденсатора С; при увеличении частоты?

9.9. Найти напряжение на нагрузке инвертора тока (схема рис. 9.9, а), если <?xml version="1.0"?>
= 300 В, С = 0,1 мкФ, f = 300 Гц, <?xml version="1.0"?>
= 20 Ом. Принять <?xml version="1.0"?>
= 0,9.

9.10. Как зависит мощность в нагрузке резонансного инвертора от частоты? Чем ограничена максимальная рабочая частота?

© Центр дистанционного образования МГУП