Однофазные инверторы тока

Принципиальное различие между схемами инверторов тока и напряжения было кратко рассмотрено в начале этой главы. Отметим дуальный характер этих схем: фазные токи одного типа инвертора подобны фазным напряжениям другого. Это свойство инверторов двух разных типов позволяет более ясно понять электромагнитные процессы, протекающие в этих схемах, их характеристики и методы управления выходным напряжением. На рис. 4.10,о приведена схема однофазного инвертора тока, работающего на активно-емкостную нагрузку. Внешними отличительными признаками схем инвертора тока и инвертора напряжения являются:

• • наличие дросселя L_rl в цепи постоянного тока инвертора тока;
• • последовательное соединение транзисторов и диодов в инверторе тока;
• • встречно-параллельное соединение диодов с транзисторами в инверторе напряжения.

Рис. 4.10. Однофазный инвертор тока:

а — мостовая схема; б — схема замещения; в — диаграммы тока и напряжения; г — диаграммы импульсов управления и тока нагрузки при широтно-импульсном регулировании Принимая допущение об идеальной сглаженности тока i_d в схеме инвертора тока, считаем индуктивное сопротивление х = соL_d бесконечно большим (со — угловая частота выходного напряжения, которая определяется частотой генератора импульсов системы управления инвертора). Подобные допущения принимались в гл. 3 при рассмотрении схем выпрямителей и зависимых инверторов в установившихся режимах работы, когда в дросселе устанавливался постоянный ток I_d, который не изменялся при периодических коммутациях ключей, т. е. пульсация тока была равна нулю. В этом случае можно считать, что на стороне постоянного тока включен источник постоянного тока 1_(]у что отражено в схеме замещения на рис. 4.10,6. Диоды, включенные последовательно с транзисторами, блокируют появление на транзисторах обратного напряжения, которое они не выдерживают. В результате в инверторе тока ключи 5 проводят ток только в одном направлении. В схемах инверторов напряжения диоды включены параллельно и встречно по отношению к транзисторам, что обеспечивает двунаправленную проводимость ключей для возврата в источник напряжения U_d энергии, накапливаемой в индуктивностях нагрузки. При этом исключается появление обратного напряжения опасного значения.

Рассмотрим принцип работы инвертора тока с учетом сделанных допущений и пояснений. Предположим, что на интервале 0 — 7 г включены ключи 51 и 52 (состоящие из транзистора и последовательного диода). При этом ток нагрузки i_n = +/_rf протекает от узла «а» к узлу «Ь» (см. рис. 4.10, б). В момент 9 = л импульсы управления транзисторов /_у1 и z_v2 транзисторов VT и VT2 становятся равными нулю, a i_v3, i ₄ поступают на транзисторы VT3 и VT4. В результате ключи 51 и 52 выключаются, а 53 и 54 включаются. При этом ток нагрузки i_H изменяет направление (i_H = -I_d) и начинает поступать от узла «b» к узлу «а» цепи нагрузки. Далее через половину периода ключи 51,52 снова включаются и начинают проводить ток I_d, а ключи 53,54 выключаются. Затем рассмотренные процессы периодически повторяются. Таким образом, в нагрузку поступает переменный ток прямоугольной формы (рис. 4.10, в). Этот ток создает напряжение на нагрузке, которое зависит от ее параметров. Мгновенные значения этого напряжения могут быть определены из дифференциальных уравнений, связывающих ток и напряжение на нагрузке через параметры нагрузки, в рассматриваемом случае — С_п и R_H. Эти уравнения будут сходны с уравнением (4.4), если учесть дуальность схем, т. е. одинаковые законы изменения напряжения и_п и тока i_n в инверторах, выполненных по схемам рис. 4.3, а и рис. 4.10, с/:

где знак «+» соответствует интервалу 9 л.

В общем виде решение уравнения (4.19) можно записать в форме.

где т = C_nR_n. Постоянная интегрирования А определяется из условия непрерывности напряжения на конденсаторе в моменты коммутации ключей. С учетом значения А окончательное решение имеет следующий вид:

Приведенные зависимости свидетельствуют о дуальности рассматриваемых схем. В то же время необходимость в конденсаторе С_и в схеме инвертора тока неочевидна, так как транзисторы являются полностью управляемыми электронными ключами. Поэтому при активной нагрузке и приведенном алгоритме управления конденсаторы могут отсутствовать, при этом работоспособность схемы не изменится, и на выходе будут формироваться ток и напряжение прямоугольной формы.

При широтно-импульсном регулировании выходного напряжения применяется другой алгоритм управления ключами. Поскольку в цепи постоянного тока включен дроссель с большой индуктивностью с протекающим через него током i_d, то разрыв этой цепи недопустим по условиям правил коммутации цепей с индуктивностью. В этом случае задача создания нулевой паузы в токе нагрузки может быть решена переводом в проводящее состояние ключей одного плеча, например VT1, VT4 или VT.2, VT3 при размыкании ключей другого плеча. В результате постоянный ток будет протекать через них, минуя цепь нагрузки. Па рис. 4.10, г представлена диаграмма выходного тока с длительностью полуволн менее половины периода, полученных при рассмотренном алгоритме формирования импульсов управления. Длительность нулевой паузы тока (угол сх) может изменяться системой управления. Регулирование тока нагрузки обеспечивается изменением величины фазового сдвига между импульсами управления, поступающими на транзисторы противоположных плеч моста.

Рассмотренный алгоритм управления позволяет работать не только на активную нагрузку без подключения на выходе конденсатора, но и на активно-индуктивную нагрузку. Однако на интервалах коммутации ключей энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, будет вызывать перенапряжения со стороны цепи нагрузки. С целью ограничения величины этих перенапряжений на выходе инвертора подключают конденсаторы, поглощающие энергию индуктивностей. Поскольку нагрузка, как правило, имеет активно-индуктивный характер, такие конденсаторы входят в состав инвертора.