Инверторы тока последовательного типа

Последовательные инверторы тока так же, как и параллельные, мо­гут выполняться по однофазным и трехфазным схемам с применением тран­сформатора на выходе и без него [2]. Характерным признаком схемы инверто­ра является последовательное соединение коммутирующего конденсатора и сопротивления Z_нг. Принципиальная схема однофазного мостового по­следовательного инвертора приведена на рисунке 36.

Принцип действия и основные свойства. Рассмотрим электромагнит­ные процессы и энергетические ха­рактеристики инвертора (рисунок 37) при активной нагрузке и полностью сглаженном входном i_d=const. На рисунке 38 построены временные диа­граммы токов и напряжений в элемен­тах схемы.

Рисунок 36. Инвертор тока последовательного типа

В момент времени ωt=0 им­пульсы управления открывает венти­ли V1, V2. В результате через последовательно соединенные L_d, C, R_нг протекает ток нагрузки i_d=const . Мгновенное значение тока нагрузки i_нг=i_d, а напряжения на нагрузке u_нг=i_нгR_нг. Taк как заряд коммутирующего конденсатора осуществляется постоянный током, то напряжение u_c изменяется по ли­нейному закону (смотри рисунок 37). В момент времени ωt=π управляющие импульсы посту­пают на вентили VЗ, V4. Заряд конденсатора С в этот момент вре­мени имеет полярность, указанную на рисунке 36 (без скобок). При пода­че управляющие импульсов на вентили V3, V4 конденсатор С получает возможность разряжаться по двум путям: через V1, VЗ, Z_нг; через V4, V2, Z_нг. В результате такой ток разряда практически мгновен­но закрывает вентиля V1 ,V2 (при прежнем условии γ=0), ток i_d переходит на венти­ли V3, V4, а ток нагрузки i_нг меняет знак. На нагрузке появляется переменное напряжение, частота которого определяется частотой следо­вания импульсов управления. Токи вентилей и напряжения на вентилях приведены также на рисунке 37. Среднее значение тока вентиля I_vcр=0,5I_d, мгновенное напряжение на закрытом вентиле u_v=u_с+u_нг. Очевидно, что для устойчивой работы инвертора необходимо выполнение условия

β>К_зωt_q. (88)

При невыполнении условия (88) проис­ходит срыв коммутации тока вентилями инвертора, приводя­щий к опрокидыванию схемы. Этот аварийный процесс протекает так же, как в параллель­ном инверторе.

Величина угла β изме­няется с изменением величины сопротивления нагрузки. Опре­делим предельно допустимую ве­личину сопротивления нагрузки R_нг.пр., при которой β=0, U_vпр=0. Очевидно, что

, ,

,

где

.

Следовательно,

(89)

При значениях R_нг <R_нг.пр., схема работает устойчиво.

Основные расчетные соот­ношения и выходные характери­стики.

Для расчета характери­стик последовательного инвер­тора так же, как для парал­лельного, может быть применен метод основной гармоники. На рисунке 38 построена векторная диаграмма инвертора тока последовательного типа при активно-индуктивной нагрузке, из которой очевидно, что соотношения для определения tgβ совпадают с выражениями (80) и (81) для параллельного инвертора. Принимая, что

, ,

после подстановки в (81) получим

(90)

Представив проводимость нагрузки в относительных единицах, т.е.

Y/(ωC)= Y *_нг, выражение (90) преобразуется к виду (91)

Выражение выходной характеристики U=f(Y *_нг) может быть получено на основании баланса входной и выходной мощностей инверто­ра

(92)

откуда полное инвертирование напряжения U на выходе

(93)

Учитывая, что

выражение (93) преобразуется к виду

. (94)

После того, как разделим правую и левую части полученного соотношения на U_d, выражение (94) примет вид

(95)

Напряжение на нагрузке определяется из (96)

(96)

Из выражения (96) следует, что при U_d=const и неизменном коэффициенте мощности нагрузки величина напряжения на нагрузке не­изменна. Таким образом, при cosφ_нг=сonst выходная характеристика последовательного инвертора является жесткой в широком диапазоне изменения величины нагрузки.

На рисунках 39,а,в,б построе­ны зависимости

, , ,

представляющие семейство вы­ходных характеристик после­довательного инвертора при различных значениях коэффициента мощности нагрузки и выраженные в относительных величинах.

Рисунок 37. Временные диаграммы, поясняющие работу инвертора тока последовательного типа

Рисунок 38. Векторная диаграмма инвертора тока последовательного типа

Из приведенных графиков видно, что в зоне малых нагрузок работа инвер­тора невозможна из-за сущест­венного уменьшения угла β, предоставляемого вентилям для восстановления управляющей способности. Область больших нагрузок инвертора характери­зуется увеличением угла β до π/2 и существенным увеличением суммарного инвертируемого напряжения U, что сопро­вождается увеличением напря­жения на вентилях и напряже­ния на конденсаторе.

Сопоставление свойств и характеристик параллельного и последовательного инверторов тока позволяет сделать заклю­чение о том, что по виду ха­рактеристик такие инверторы представляют определенную противоположность. Так, для параллельного инвертора коммутация становится неустойчивой при перегрузках, а для последовательного - при ма­лых нагрузках. Перенапряжения на элементах схемы в параллельном ин­верторе возникают в зоне малых нагрузок, в последовательном инверто­ре - в зоне перегрузок. Параллельный инвертор имеет крутопадающую внешнюю характеристику, которая относительно слабо деформируется при изменении cosφ_нг. Последовательный инвертор, напротив, имеет жесткую внешнюю характеристику, которая значительно деформируется при изме­нении cosφ_нг. Указанные обстоятельства должны учитываться при выбо­ре схемы инвертора в зависимости от требований со стороны потреби­теля.

Рисунок 39. Характеристики инвертора тока последовательного типа:

а- зависимость угла опережения от проводимости нагрузки;

б- выходные характеристики инвертора;

в- зависимость напряжения нагрузки от проводимости нагрузки.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается отличие в схемах инверторов последовательного и параллельного типа?

2. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) происходит опрокидывание инвертора последовательного типа?

3. При каком значении проводимости нагрузки (большом или малом) выходное напряжение инвертора последовательного типа резко возрастает?

4. Отчего и как зависит напряжение на нагрузке последовательного инвертора?