Резонансные инверторы

В резонансных инверторах коммутация тиристоров происходит под воздействием LC-контура, соединённого с нагрузкой. Резонансные инверторы используют в основном для получения высокочастотных напряжений в установках индукционного нагрева и выполняют по однофазной схеме.

На рис 8.6, а представлена схема однотактного резонансного инвертора. При подаче управляющего сигнала на тиристор VS1 он открывается, и конденсатор С1 начинает заряжаться от источника постоянного напряжения U_d по цепи L1R_Н. Когда конденсатор зарядится, тиристор VS1 закрывается, а тиристор VS2 открывается, и конденсатор начинает разряжаться по цепи R_НL2. Таким образом, через нагрузку протекает переменный ток.

Рис. 11.6. Однофазные резонансные инверторы: а – однотактный; б – двухтактный (полумостовой)

В двухтактном резонансном инверторе (рис 11.6, б) конденсатор С1 заряжается при разряде конденсатора С2 и наоборот, что создаёт дополнительный запас энергии и повышает выходную мощность инвертора.

В зависимости от соотношения собственной частоты инвертора и рабочей частоты f возможны три режима работы резонансного инвертора:

1. Граничный режим f ₀ = f. В этом режиме ток первого тиристора спадает до нуля в момент отпирания второго тиристора. Напряжение в нагрузке имеет форму, близкую к синусоиде.

2. Режим принудительной коммутации f ₀ < f. В этом режиме ток тиристора в момент коммутации больше нуля. Напряжение на нагрузке имеет форму, близкую к прямоугольной.

3. Режим естественного запирания тиристора f ₀ > f. В этом режиме ток первого тиристора уменьшается до нуля раньше, чем открывается второй тиристор. Напряжение на нагрузке имеет форму косинусоидальных импульсов.

Временные диаграммы выходного напряжения резонансного инвертора представлены на рис 8.7.

Действующее значение первой гармоники выходного напряжения на сопротивлении R_Н можно определить по формуле:

. (11.6)

Рис. 11.7. Форма выходного напряжения резонансного инвертора:

а – граничный режим; б – режим принудительной коммутации;

в – режим естественного запирания тиристора

Если выбран граничный режим работы резонансного инвертора и нагрузка изменяется в небольших пределах, то напряжение на нагрузке близко к синусоидальному и не зависит от нагрузки («жёсткая» внешняя характеристика). Однако вблизи режима холостого хода происходит срыв работы – инвертор выпадает из режима, а при большом токе нагрузки возникают сильные перенапряжения на индуктивности и ёмкости контура, что может привести к пробою тиристоров.

11.4. Трёхфазный мостовой автономный инвертор напряжения

Для питания трёхфазного асинхронного двигателя от сети постоянного тока применяется схема трёхфазного мостового автономного инвертора напряжения. По аналогии с трёхфазным мостовым выпрямителем, трёхфазный мостовой инвертор должен содержать шесть тиристоров инверторного моста. Как и рассмотренный выше однофазный автономный инвертор напряжения (АИН), трёхфазный АИН должен иметь обратный трёхфазный выпрямитель для возврата реактивной энергии из нагрузки в источник питания. Схема трёхфазного автономного мостового инвертора напряжения представлена на рис. 11.8.

Схема содержит трёхфазный инверторный мост на полностью управляемых тиристорах VS1…VS6 (могут применяться GTO или IGCT) и обратный трёхфазный выпрямитель на диодах VD1…VD6. В анодную группу входят тиристоры VS1, VS3, VS5, в катодную - VS2, VS4 и VS6. Трёхфазный мостовой автономный инвертор напряжения формирует в нагрузке прямоугольные импульсы напряжения, частота которых задаётся схемой управления тиристорами. Обычно применяется однократное за период переключение одного тиристора, когда за период выходной частоты инвертора происходит шесть коммутаций шести тиристоров. При таком режиме угол проводящего состояния тиристоров принимают 180, 150 или 120 ⁰Эл.

Рассмотрим работу инвертора с углом проводящего состояния тиристоров 180 ⁰Эл. Временная диаграмма работы трёхфазного инвертора напряжения с углом проводящего состояния тиристоров 180 ⁰Эл представлена на рис. 11.9.

Рис. 11.8. Схема трёхфазного мостового автономного инвертора напряжения

Одновременно проводят ток три тиристора: два в анодной группе, один в катодной и наоборот. Напряжение между анодной и катодной точками и средней точкой нагрузки равно или в зависимости от того, две фазы или одна фаза нагрузки в данный момент подключены к плюсовой (или минусовой) шине источника питания инвертора.

Эффективное значение фазного напряжения составляет

; (11.7)

линейного напряжения

. (11.8)

Напряжение первой гармоники, на которой в нагрузку передаётся активная мощность, может быть определено по формулам:

; . (11.9)

Коэффициент искажения формы выходного напряжения .

В АИН форма тока зависит от характера нагрузки. При активно-индуктивной нагрузке ток отстаёт от напряжения, и при переходе напряжения через нуль продолжает протекать по обратному диоду, замыкаясь через конденсатор С. Поэтому входной ток инвертора i _и имеет пилообразную форму со средним значением I_и. Величина тока зависит от сопротивления нагрузки.

При работе инвертора с углом проводящего состояния тиристоров 150 ⁰Эл ток одновременно проводят три или два тиристора. Эффективное значение фазного и линейного напряжения уменьшаются относительно режима 180 ⁰Эл и составляют

; . (11.10)

При работе инвертора с углом проводящего состояния тиристоров 120 ⁰Эл ток одновременно проводят только два тиристора. Эффективное значение фазного и линейного напряжения ещё более уменьшаются и составляют

; . (11.11)

Рис. 11.9. Временная диаграмма работы трёхфазного мостового автономного инвертора напряжения

11.5. Применение автономных инверторов в тяговом электроприводе с трёхфазными асинхронными двигателями

В России первым магистральным локомотивом с электроприводом от трёхфазных асинхронных двигателей был электровоз ВЛ 80А. Технические данные электровоза: мощность 9600 кВт, конструкционная скорость 110 км/ч, сила тяги в часовом режиме при скорости 72 км/ч – 447 кН. Каждая из двух секций электровоза оборудована четырьмя асинхронными тяговыми двигателями (АТД) мощностью по 1200 кВт. На каждую пару двигателей, установленных на одной двухосной тележке, устанавливается отдельный преобразователь, содержащий выпрямитель, сглаживающий фильтр и два трёхфазных автономных инвертора напряжения АИН (рис. 11.10).

Рис. 11.10. Схема одной секции электровоза ВЛ80А:

КГ – групповой коммутатор, В1 и В2 – однофазные выпрямители, АИН – автономные инверторы напряжения, ТД – тяговые асинхронные трёхфазные двигатели

Частота переменного тока в статоре АТД задается системой управления инверторов с учётом частоты вращения ротора АТД и заданной частоты тока ротора Гц. Напряжение на статоре регулируется примерно пропорционально частоте переменного тока переключением отводов вторичной обмотки трансформатора (грубо) и тиристорами однофазного выпрямителя (плавно).

В схеме АИН применяется принудительная коммутация тиристоров с помощью конденсаторов, заряжающихся от отдельной обмотки трансформатора с напряжением 900 В (на схеме не показана). Это позволяет сохранять условия надёжного закрывания тиристоров при больших токах и малом напряжении на входе АИН. Однако такое техническое решение снижает надёжность и технико-экономические показатели. Масса и размеры шкафов с конденсаторами для принудительной коммутации практически такие же, как и шкафов с тиристорами.

Применение запираемых тиристоров GTO на предельные токи до 3000 А и с обратным напряжением до 4500 В позволило устанавливать по одному вентилю в плечо АИН и отказаться от принудительной коммутации с помощью конденсаторов.

В настоящее время ещё ряд российских локомотивов оборудуется асинхронными тяговыми двигателями, например, тепловоз 2ТЭ 25А «Витязь».

Контрольные вопросы

1. Что означает определение «автономный инвертор»?

2. Приведите классификацию автономных инверторов.

3. Поясните принцип работы автономного инвертора тока.

4. Нарисуйте принципиальную электрическую схему однофазного автономного инвертора тока. Для чего в схеме устанавливается конденсатор С?

5. Как определить значение переменного напряжения основной гармоники в нагрузке автономного инвертора тока?

6. Перечислите достоинства и недостатки схемы автономного инвертора тока.

7. Поясните принцип работы автономного инвертора напряжения.

8. Нарисуйте принципиальную электрическую схему однофазного автономного инвертора напряжения. Для чего в схеме устанавливаются конденсатор С и «обратный мост»?

9. Как определить значение переменного напряжения основной гармоники в нагрузке автономного инвертора напряжения?

10. Перечислите достоинства и недостатки схемы автономного инвертора напряжения.

11. Нарисуйте принципиальную электрическую схему резонансного инвертора.

12. Перечислите режимы работы резонансного инвертора и нарисуйте графики выходного напряжения.

13. Нарисуйте принципиальную электрическую схему трёхфазного АИН. Для каких целей применяется эта схема?

14. Чему равно выходное фазное и линейное напряжение трёхфазного АИН при проводящем состоянии тиристоров 180 ⁰Эл?

15. Как изменяется выходное фазное и линейное напряжение трёхфазного АИН при проводящем состоянии тиристоров 150 ⁰Эл и 120 ⁰Эл?

16. Как работает схема электровоза ВЛ 80А?

17. Как в схеме электровоза ВЛ 80А регулируется постоянное напряжение, подаваемое на АИН?

18. В чём заключается преимущество асинхронных тяговых двигателей перед тяговыми двигателями постоянного тока?