Схемы АИН.

В зависимости от структуры коммутационного контура, АИН можно подразделить на несколько групп:

1. Инверторы с индивидуальной (повентильной) коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для запирания одного тиристора (вентильного плеча). Инвертор трёхфазный содержит шесть коммутирующих конденсаторов.

2. Инверторы с пофазной коммутацией. Коммутирующее устройство служит для попеременного запирания тиристоров двух вентильных плеч, относящихся к одной фазе. В АИН трёхфазном имеется три коммутирующих конденсатора.

3. АИН с групповой коммутацией. Для запирания всех вентильных плеч одной анодной или катодной группы служит отдельное коммутирующее устройство. В инверторе имеется два коммутирующих конденсатора.

4. АИН с общей коммутацией. Коммутирующее устройство является общим для всех вентильных плеч инвертора и содержит один коммутирующий конденсатор.

5. АИН с межвентильной коммутацией. Запирание каждого тиристора происходит при отпирании следующего по порядку работы тиристора другой фазы, но этой же группы. В инверторе содержится шесть коммутирующих конденсаторов.

6. АИН с межфазной коммутацией. Коммутирующее устройство служит для запирания двух тиристоров разных фаз и содержит три коммутирующих конденсатора.

5.5.1. Трёхфазный мостовой инвертор напряжения с межвентильной коммутацией.

Угол проводимости тиристоров АИН составляет 2π/3, а порядок их переключения следующий: VS1 – VS6 – VS3 – VS2 – VS5 – VS4 – VS1. Коммутация тиристоров происходит следующим образом. Предположим, что открыты VS1 и VS6, а конденсаторы С1-С6 заряжены указанной полярностью. Для запирания VS1 отпирается VS3, в результате чего образуется контур С1 – VS1 – VS3 и за счёт тока разряда С1, VS1 запирается практически мгновенно и на нем поддерживается отрицательное напряжение в течении времени разряда С1 по контуру С1 – VD7 – VD1 – L₁ – VS3 до нуля. В связи с тем, что в инверторе остается открытым тиристор другой фазы, это приводит к образованию контура перезаряда коммутирующих конденсаторов через этот тиристор. Например, при отпирании VS3 и запирании VS1 образуется контур Е - L₁ - VS3 – С3 – VD11 – VD12 – VS6 – L₂ перезаряда С3.

Напряжение на коммутирующих конденсаторах примерно равно напряжению источника питания Е. В этом инверторе коммутирующий конденсатор подключён параллельно нагрузке только в моменты его перезаряда. При высоких частотах, свыше 400 Гц, влияние отсекающих диодов VD7 ÷ VD12 уменьшается. Это вызвано тем, что время заряда конденсатора становится соизмеримым с периодом переменного напряжения на выходе инвертора. Кроме того, при окончании коммутации тока коммутирующий дроссель L1 (L2) оказывается закороченным через вентили. Например, при переводе тока с VS1 на VS3 дроссель L1 закорачивается через VD9 – VD3 – VS3, а дроссель L2 - через VD12 – VS6 – VD6. Инвертор на идеальных элементах оказывается неработоспособным. Это объясняется тем, что в коммутационном периоде ток в L1 и L2 несколько возрастает за счёт тока перезаряда конденсаторов. Поскольку после этого интервала дроссели будут закорочены вентилями, к началу следующей коммутации ток в дросселе не изменится. В следующий период коммутации ток опять несколько возрастает и т.д., что приводит к беспрерывному возрастанию тока в дросселях. А так как этот ток определяется скоростью перезаряда коммутирующих конденсаторов, то при большом токе для восстановления запирающих свойств тиристоров остаётся мало времени и инвертор опрокидывается.

С повышением рабочей частоты инвертора возрастает скорость накопления электромагнитной энергии в дросселях, что приводит к увеличению потерь, а, следовательно, к снижению к.п.д. инвертора. Улучшить работу инвертора можно за счёт введения цепей, предотвращающих накопление электромагнитной энергии в дросселях. Это резисторы R2 или диоды VD и резисторы R1.

Повысить к.п.д. инвертора можно, если коммутирующий дроссель вывести из цепи постоянного тока и включить последовательно с конденсатором. В этом случае электромагнитная энергия в дросселях не накапливается, т.к. через них протекает переменный ток. Однако в таком инверторе наблюдаются большие скорости нарастания напряжения на тиристорах и повышение напряжения на коммутирующих конденсаторах, а значит и на тиристорах с ростом тока нагрузки.

5.5.2. Трёхфазный мостовой инвертор напряжения с пофазной коммутацией.

Рассмотрим принцип работы АИН с пофазной одноступенчатой коммутацией (инвертор Мак-Маррея) на примере одной фазы. Для коммутации тиристоров используются двухобмоточные дроссели L и конденсаторы С1-С6. Коммутация тиристоров осуществляется в одной фазе VS1 - VS2, VS3 - VS4, VS5 – VS6. Угол проводимости тиристоров составляет λ = π, т.е. форма выходного напряжения не зависит от коэффициента мощности нагрузки. Предположим, что в некоторый момент времени открыт VS1. VS2 и обратные диоды VD1 и VD2 не проводят ток. Если пренебречь падением напряжения на дросселе и тиристоре VS1, nо напряжение на С₁ в этот момент равно нулю, а на С₂ – равно Е. Тиристор VS1 запирается при отпирании VS2. При этом к нижней обмотке дросселя прикладывается напряжение U_C2 = E, а в верхней его обмотке индуцируется э.д.с. равная Е (если взаимная индуктивность M=1), которая через конденсатор С₁ прикладывается к VS1 в обратном направлении. VS1 запирается и ток нагрузки протекает через конденсатор С₁. В течение времени, когда конденсатор С₁ заряжается, а конденсатор С₂ разряжается к VS1 приложено обратное напряжение и он восстанавливает свои запирающие свойства. При разряде С₂ до нуля и заряде С₁ до Е, протекание тока через конденсаторы прекращается, а ток нагрузки (нагрузка активно - индуктивная) и ток дросселя замыкаются через обратные диоды, причем энергия, запасённая в дросселе, будет циркулировать в контуре L – VS2 – VD2 – L. Таким образом, в инверторе наблюдается накопление избыточной энергии в коммутирующих дросселях. Интенсивность накопления этой энергии возрастает с повышением выходной части инвертора, а следовательно увеличиваются потери в инверторе, выполненном на реальных элементах. Улучшить энергетические показатели инвертора можно, подключив обратные диоды к отпайкам выходного трансформатора. Преимуществами такого инвертора являются хорошая форма выходного напряжения и низкое напряжение на тиристорах U_VSm E.

5.5.3. Трёхфазный мостовой инвертор напряжения с индивидуальной коммутацией.

Такие инверторы по своим свойствам наиболее близки к инверторам на полностью управляемых вентилях. Особенностью рассматриваемого инвертора является то, что каждый рабочий тиристор VS1 ÷ VS6 имеет специальное коммутирующее устройство, состоящее из дросселя L₁, конденсатора С, тиристоров VS7 ÷ VS12 и диодов VD13 ÷ VD18. Инвертор работает следующим образом. Для запирания, например, рабочего тиристора VS1 отпирается коммутирующий тиристор VS7 и, под действием разрядного тока конденсатора, VS1 запирается. Ток нагрузки переходит на тиристор VS7, а конденсатор С перезаряжается по контуру С - VS7 - VD7 – L₂ – VD1 – C. После того, как конденсатор зарядится до напряжения, равного напряжению источника питания полярностью в скобках, VS7 запирается, а ток нагрузки переходит на обратный диод VD2, что обеспечивает обмен реактивной энергии между фазами B и C. Энергия, запасённая в дросселе L₂ в момент коммутации, возвращается через обратные диоды VD1 и VD2 в источниках питания. Поэтому в данном инверторе необходимость в энергопоглотителе отпадает. Диоды VD7 ÷ VD12 предотвращают разряд коммутирующих конденсаторов на нагрузку. После коммутации, полярность на конденсаторе (в скобках) такова, что следующая коммутация не может осуществиться. Изменение полярности конденсатора происходит следующим образом. При очередном отпирании VS1 образуется контур С - VS1 - VD13 – L₁. Поскольку активное сопротивление контура мало, то происходит колебательный процесс, в результате которого конденсатор перезаряжается первоначальной полярностью (без скобок). Напряжение, до которого зарядится конденсатор, зависит от добротности контура и приблизительно равно первоначальному напряжению. Для нормальной работы инвертора требуется предварительная подготовка его к пуску, т.е. вначале следует зарядить коммутирующие конденсаторы.

5.5.4. Трёхфазный инвертор напряжения с групповой коммутацией.

Рассмотрим работу трёхфазного мостового АИН с последовательной двухступенчатой коммутацией. Анодная VS1, VS3, VS5 и катодная VS2, VS4, VS6 группы рабочих тиристоров имеют свои отдельные групповые коммутирующие контуры С₁, L₁, VS7 и C₂, L₁, VS8. Диоды VD7, VD8 и дроссели L₂ предназначены для заряда коммутирующих конденсаторов С₁ и С₂. Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы L₂ L₁. Для запирания тиристоров анодной группы отпирается коммутирующий тиристор VS7 и к коммутирующему дросселю L₁ прикладывается импульс напряжения при перезарядке конденсатора С₁, а к тиристорам VS1, VS3, VS5 – импульс обратного напряжения, запирающий открытый тиристор. Аналогично происходит запирание рабочих тиристоров катодной группы. Контур перезаряда коммутирующего конденсатора на интервале отделён от цепи нагрузки запертым рабочим тиристором и ток нагрузки не участвует в перезаряде конденсатора.

5.5.5. Трёхфазный АИН с общей коммутацией.

Коммутация рабочих тиристоров в схеме, рисунок 5.20, производится с помощью специального коммутирующего устройства, состоящего из дросселей L₁÷ L₂, тиристоров VS7 ÷ VS10 и коммутирующего конденсатора С. Инвертор работает следующим образом. Предположим, что открыты рабочие тиристоры VS1, VS4. Для запирания рабочего тиристора VS1 отпираются коммутирующие тиристоры VS7, VS10 и конденсатор С начинает разряжаться по контуру С - VS10 – VD2 – VD1 – L₁ – VS7 – С. К дросселю L₁ прикладывается напряжение U_co >E_d и тиристор VS1 запирается. После запирания тиристора VS1 конденсатор начинает перезаряжаться по цепи E – L₁ – VS7 – C - VS10 – E. Перезаряд конденсатора будет проходить от напряжения U_co до напряжения, превышающего - U_co, т.к. в контур входит источник питания; кроме того дроссель перед началом коммутации обладает энергией L₁ I²/2, которая переходит в конденсатор, т.е. имеет место процесс накопления энергии в коммутирующем контуре. Для устранения энергии, накопленной в L₁ и L_2, служит устройство сброса, состоящее из дополнительных обмоток W₂ и диодов VD7, VD8. Устройство сброса фиксирует напряжение на конденсаторе, отдавая избыточную энергию дросселя в источник постоянного напряжения. Напряжение на конденсаторе U_co всегда больше напряжения Е. При перезаряде конденсатора до напряжения - U_co, ток в коммутирующем контуре поддерживается только за счёт дросселя L₁. Максимальное напряжение на коммутирующем конденсаторе:

, (5.5)

где n_с = W₁/W₂ – коэффициент трансформации между рабочей и дополнительной обмотками.

Оптимальный n = 2. Тогда, с учётом индуктивностей рассеяния обмоток W₂ и W₁ и активных сопротивлений коммутирующего контура .

При отпирании диода VD8 (VD7) напряжение на рабочей обмотке дросселя L₁ не может превысить значения Е/n_с, а напряжение на конденсаторе – значение (1+ n_с) Е/n_с и ток i_L переходит из рабочей обмотки в магнитосвязанную с ней дополнительную обмотку W₂. При этом VS7 и VS10 запираются. Ток i_н после запирания VS7 и VS10 под действием противо – э.д.с. источника питания начинает спадать, замыкаясь через VD8. Для запирания рабочего тиристора VS4, отпираются тиристоры VS8, VS9 и процесс повторяется.

Для рассматриваемого типа АИН характерен многократный (шестикратный) разряд и заряд конденсатора С за период. В связи с этим, такие АИН применяются на сравнительно низких частотах. Коммутирующий конденсатор С в данном АИН используется эффективно.

5.5.6. Трёхфазный АИН с межфазной коммутацией.

В АИН с межфазной коммутацией каждый коммутирующий конденсатор предназначен для запирания двух тиристоров разных фаз (С₁ для VS1, VS4; С₂ для VS3, VS6; С₃ для VS5, VS2). Принцип работы АИН следующий. Предположим, что открыты VS1, VS4, VS5. Конденсатор С₁ при этом заряжен полярностью без скобок. Для запирания VS1 отпирается VS7. К VS1 прикладывается обратное напряжение, равное U_co - Е/2 через VD2 и VS7, а конденсатор перезаряжается по контуру С₁ – С₄ – L₁ - VS7 - С₁. После окончания процесса перезаряда полярность напряжения на С₁ изменяется на обратную (в скобках), что необходимо для запирания VS4.

При n_с =2 максимальное напряжение на тиристорах в прямом направлении U_{пр m} = (1,35÷1,5)Е, в обратном – U_{обр m} = (0,3÷0,5)Е. Максимальное обратное напряжение на диодах сброса U_{обр m VD} = (3,2÷3,5)Е, а максимальное напряжение на коммутирующих конденсаторах ÷1,0)Е. Межфазная коммутация легко обеспечивает двукратное запирание каждого рабочего тиристора в течение полупериода, что позволяет производить широтно-импульсное регулирование выходного напряжения.