Автономные инверторы и преобразователи частоты

Управляемыми вентилями можно осуществлять различные преобразования электрического тока: преобразовывать переменный ток в постоянный различной частоты и напряжения, изменять частоту переменного тока, изменять напряжение постоянного тока и пр. В силовых электрических цепях для этих целей применяют главным образом тиристоры, а в низковольтных цепях малой мощности - транзисторы. С помощью этих приборов могут быть созданы: импульсные регуляторы, осуществляющие преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения; автономные инверторы, служащие для питания потребителей переменного тока от источников постоянного тока (контактная сеть постоянного тока, аккумуляторные батареи, дизельные генераторы постоянного тока); преобразователи частоты, служащие для изменения частоты переменного тока.

При включении тиристора в цепь переменного тока запирание его происходит автоматически в момент прохождения тока через нуль. При включении тиристора в цепь постоянного тока приходится применять специальные меры для его принудительного запирания.

Искусственная коммутация. Тиристор, включенный в цепь постоянного тока, запирается с помощью искусственной (принудительной) коммутации, которая осуществляется кратковременным пропусканием через тиристор тока в обратном направлении (в результате чего его анодный ток уменьшится до значения тока выключения) и последующим приложением к нему обратного напряжения на время восстановления тиристором запирающих свойств. Обратный ток и напряжение могут быть получены от специального источника постоянного тока, но в большинстве случаев их создают с помощью предварительно заряженного конденсатора, называемого коммутирующим. Заряд конденсатора и подключение его или источника постоянного тока к запираемому тиристору осуществляются с помощью вспомогательных вентилей.

Применяя искусственную коммутацию, можно создавать бесконтактные выключатели и переключатели постоянного тока, автономные инверторы, преобразователи частоты и устройства для импульсного регулирования напряжения на потребителях постоянного тока (тиристорные прерыватели).

Импульсные регуляторы напряжения.При импульсном методе регулирования напряжение, получаемое от источника постоянного тока, преобразуется в импульсное, которое подается на двигатель постоянного тока или какую-либо другую нагрузку. Импульсы напряжения могут иметь различную ширину, частоту и форму.

В простейшем случае импульсное регулирование напряжения можно осуществить ключом S (рис.30, а), который периодически замыкает и размыкает цепь двигателя М, вследствие чего к нему подводятся импульсы напряжения прямоугольной формы. Продолжительность (ширина) импульса t_н и паузы t_п (рис. 30, б) определяет среднее напряжение на двигателе U_d. Изменяя моменты времени замыкания и размыкания ключа, можно плавно регулировать продолжительность импульсов от нуля до Т (период частоты подачи импульсов) и таким образом плавно регулировать напряжение U_d от нуля до напряжения U_и источника питания. Среднее значение напряжения, подаваемого на двигатель,

U_d = U_иt_и/T = tU_и,

где t = t_и/Т - относительная продолжительность включения.

Поскольку двигатель обладает определенной индуктивностью и в цепь его включают сглаживающий реактор L_d, ток i, поступающий от источника питания в двигатель, нарастает не мгновенно, а по апериодическому закону (рис. 30, в). При разомкнутом ключе S ток двигателя так же падает по апериодическому закону и замыкание через обратный диод V (см. рис. 30, а), включенный параллельно двигателю.

Таким образом, ток i в цепи двигателя слагается из тока i_и, поступающего от источника, и тока i_v, замыкающегося через диод V, поэтому он имеет пульсирующий характер. Подбором достаточно высокой частоты импульсов и индуктивности в цепи двигателя эту пульсацию можно сделать незначительной.

Рис.30. Принципиальная схема импульсного регулятора напряжения двигателя постоянного тока (а), кривые изменения напряжения (б) и тока (в)

Плавное регулирование напряжения U_d на двигателе возможно двумя способами: изменением ширины импульса t_и при постоянном значении периода Т или изменением периода Т при постоянном значении ширины импульса t_и. Первый способ называется широтно-частотным регулированием, второй - частотно-импульсным. Можно также применить комбинированный способ регулирования. Так как выключатели с электрическими контактами не обладают требуемым быстродействием, то для импульсного регулирования напряжения обычно используют бесконтактные тиристорные регуляторы.

Автономные инверторы.В автономном (независимом) инверторе в отличие от независимого инвертора частота получаемого переменного тока определяется исключительно режимом работы его вентилей. Инвертор подключается к источнику постоянного тока и от него постоянный ток через тиристоры поочередно подается на нагрузку.

В автономных инверторах тиристоры открываются в соответствующие моменты времени подачей импульсов тока на их управляющие выводы. Запираются же они с помощью различных схем искусственной коммутации. В зависимости от этого различают инверторы: параллельные, в которых коммутирующие конденсаторы подключены параллельно нагрузке и разряжаются посредством включения одного из рабочих тиристоров; последовательные, в которых коммутирующие контуры LС включены последовательно с нагрузкой и тиристоры запираются в результате колебательного изменения их анодных токов; с отдельной емкостью, где искусственная коммутация осуществляется вспомогательными тиристорами, которые подключают коммутирующие конденсаторы параллельно рабочим тиристорам.