В силовой преобразовательной технике при мощностях нагрузок от десятков киловатт и выше традиционно используют тиристорные инверторы. Эксплуатация тиристорных преобразователей наиболее целесообразна при напряжениях питания инверторов от единиц до десятка киловольт и токах от сотен ампер и выше, хотя позиции тиристоров все интенсивнее отвоевывают IGBT.
Триодные тиристоры, в отличие от транзисторов, не являются полностью управляемыми приборами. Для того чтобы отпереть триодный тиристор, необходимо подать импульс тока от задающего генератора на выводы катода и управляющего электрода. Для запирания триодного тиристора недостаточно прекратить подачу отпирающего импульса. Для этого следует или уменьшить ток через тиристор ниже тока удержания, или поменять полярность напряжения на выводах анод-катод прибора. Исключение составляют запираемые тиристоры, которые можно закрывать, подавая на управляющие электроды соответствующие импульсы. Для запирания триодных тиристоров в преобразователях используют реактивные компоненты: конденсаторы и дроссели. Накопленная в них энергия идет на запирание ранее открытых тиристоров.
Для подавления колебательных процессов, возникающих при переключении тиристоров, параллельно выводам анод-катод включают демпфирующие RС-цепи. При переходе электронного ключа в состояние отсечки импульс ЭДС самоиндукции, обусловленный наличием запасенной энергии в паразитных индуктивностях, должен быть поглощен RС-цепью.
Вычислить ориентировочные значения сопротивлений и емкостей компонентов демпфирующих RС-цепей можно согласно формулам:
I обр.а — максимальная амплитуда обратного тока, протекающего через закрытый тиристор, А;
а также:
Uкз — напряжение, приложенное к тиристору при коротком замыкании (относительных единиц);
ω — круговая частота, радиан / с.
Трансформаторы описанных ниже инверторов (последовательного, параллельного, параллельно-последовательного, преобразователя Мак-Муррея) должны функционировать в линейном режиме без захода петли гистерезиса в область насыщения.
Последовательный тиристорный инвертор тока
Последовательный тиристорный инвертор тока содержит конденсатор, включенный последовательно с нагрузкой или трансформатором, к которому подключена нагрузка. Схема устройства показана на рис. 1. Дроссель на входе (в цепи питания) преобразователя необходим для сглаживания импульсов тока, которые протекают через одновременно включенные тиристоры. Предположим, изначально тиристоры VS2 и VSЗ находятся в открытом состоянии, а тиристоры VS1 и VS4 закрыты. Обкладка конденсатора С1, соединенная с тиристорами У81 и УБ2, заряжена отрицательно. Подключенная к тиристорам VSЗ и VS4 обкладка заряжена положительно. Ток течет по цепи +Uвх, дроссель L1, тиристор VSЗ, конденсатор С1, первичная обмотка трансформатора ТV1, тиристор VS2, -Uвх.
Рис. 1. Последовательный тиристорный инвертор тока
Подадим отпирающие импульсы между управляющими электродами и катодами тиристоров VS1 и VS4. Тиристоры VS1 и VS4 переходят в открытое состояние, и все четыре тиристора находятся в проводящем состоянии. Конденсатор С1 начинает разряжаться, и токи его разряда будут противоположны токам, протекающим через тиристоры VS2 и VSЗ. В момент времени, когда токи через тиристоры VS2 и VS3 станут равны нулю, эти тиристоры закроются. Ток потечет по цепи +Uвх, дроссель L1, тиристор VS1, первичная обмотка трансформатора ТV1, конденсатор С1, тиристор VS4, -Uвх. Напряжение на выводах конденсатора С1 теперь имеет обратную полярность, в соответствии с которой происходит его заряд.
Приложим отпирающие импульсы между управляющими электродами и катодами тиристоров VS2 и VSЗ, в результате чего они перейдут в открытое состояние. Все четыре тиристора будут открыты, происходит разряд конденсатора С1, и направление токов разряда таково, что токи через тиристоры VS1 и VS4 станут равны нулю. Тиристоры VS1 и VS4 переходят в закрытое состояние, а тиристоры VS2 и VSЗ будут открыты. Далее процесс повторится.
Напряжение на первичной обмотке трансформатора ТV1 допустимо вычислить согласно выражению:
соsφн — коэффициент мощности нагрузки.
При отсутствии нагрузки последовательного тиристорного преобразователя возможен аварийный режим, когда все тиристоры остаются в открытом состоянии. По этой причине включение данного преобразователя без нагрузки или с недостаточной нагрузкой недопустимо. Нагрузочная характеристика преобразователя является почти неизменной при существенных флюктуациях мощности нагрузки.
Параллельный тиристорный инвертор тока
Рассмотрим однофазный параллельный тиристорный инвертор тока мостового типа, схема которого показана на рис. 2.
Рис. 2. Параллельный тиристорный инвертор тока
Допустим, тиристоры VS1 и VS4 изначально были в состоянии насыщения, обкладка конденсатора С1, электрически соединенная с тиристорами VS1 и VS2, была заряжена положительно, а обкладка, подключенная к тиристорам УБЗ и УБ4, — отрицательно (см. рис. 2). Ток течет от положительного полюса источника питания через дроссель L1, тиристор VS1, первичную обмотку трансформатора ТV1, тиристор VS4 и возвращается в источник питания.
Подадим отпирающие импульсы положительной полярности на управляющие электроды тиристоров VS2 и VSЗ, которые включены в диагональ моста. Тиристоры VS2 и VSЗ открываются, и все четыре тиристора находятся в проводящем состоянии. Конденсатор С1 начинает разряжаться. Направление токов его разряда противоположно токам через тиристоры VS1 и VS4, и в момент, когда токи будут скомпенсированы, тиристоры VS1 и VS4 перейдут в запертое состояние. Таким образом, ток теперь будет протекать по цепи от +Uвх, через дроссель L1, тиристор VS3, первичную обмотку трансформатора VS1, тиристор VS2, -Uвх. К конденсатору С1 приложено напряжение противоположной полярности (на рис. 2 полярности обозначены знаками в скобках), и происходит его перезаряд.
Подадим отпирающие импульсы на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS4, которые переходят в открытое состояние. При этом все четыре тиристора открыты. Начинает происходить разряд конденсатора С1. Направление токов разряда противоположно направлению токов, протекающих через тиристоры VS2 и VSЗ. В тот момент, когда, благодаря компенсации, токи через тиристоры VS2 и VSЗ будут нулевыми, они перейдут в запертое состояние. Тиристоры VS1 и VS4 будут открыты, а компоненты VS2 и VSЗ — закрыты. Далее процесс повторяется.
Емкость конденсатора С1 допустимо определить согласно выражению:
Uc — напряжение на обкладках конденсатора С1, В;
ω — угловая частота напряжения на обкладках конденсатора С1;
φн — угол сдвига фаз между током, протекающим через конденсатор С1 с первичной обмоткой трансформатора TV1, и током только первичной обмотки трансформатора;
β — угол сдвига фаз между напряжением на обкладках конденсатора С1, имеющим теоретически синусоидальную форму, и током, протекающим через конденсатор С1 и первичную обмотку трансформатора ТV1.
Напряжение на первичной обмотке трансформатора ТV1 можно найти по формуле:
Нагрузка параллельного тиристорного инвертора тока должна иметь емкостный характер, а ток, протекающий через конденсатор С1 и первичную обмотку трансформатора ТV1, должен опережать напряжение, приложенное к конденсатору С1. Иначе только что перешедшие в запертое состояние тиристоры вновь откроются, и возникнет аварийная ситуация, когда непредусмотренный ток потечет через тиристоры, нарушив работу преобразователя.
Функционирование преобразователя без нагрузки недопустимо, что представляет недостаток параллельного инвертора. Нагрузочная характеристика преобразователя — круто падающая, наклон которой, а также форма импульсов на вторичной обмотке трансформатора ТV1 зависят от проводимости нагрузки, индуктивности дросселя L1 и емкости конденсатора С1. Целесообразна работа параллельного тиристорного инвертора тока на фиксированную неизменную нагрузку.
Параллельно-последовательный тиристорный инвертор тока
Параллельно-последовательный тиристорный инвертор тока сочетает достоинства как последовательного, так и параллельного преобразователей. Его схема показана на рис. 3.
Рис. 3. Параллельно-последовательный тиристорный инвертор тока
Принцип действия параллельно-последовательного инвертора тока существенно не отличается от принципа действия рассмотренных ранее инверторов последовательного и параллельного типов. Параллельно-последовательный инвертор обладает довольно «стабильной» нагрузочной характеристикой и может быть в отдельных случаях включен без нагрузки. Чем больше коэффициент мощности нагрузки параллельно-последовательного инвертора, тем незначительнее станет изменение нагрузочной характеристики при флюктуации снимаемой мощности от минимума до максимума.
Тиристорный преобразователь напряжения Мак-Муррея
Преобразователь Мак-Муррея имеет LС-контур, предназначенный для запирания тиристоров, реактивные компоненты которого в определенные моменты соединяют друг с другом посредством тиристоров, находящихся в это время в открытом состоянии. Соответствующая схема показана на рис. 4.
Рис. 4. Преобразователь напряжения Мак-Муррея
Предположим, изначально тиристор VS1 был в открытом состоянии, а тиристор VS2 — в закрытом. Обкладка конденсатора С1, подключенная к тиристору VS2, заряжена положительно, а соединенная с тиристором VS1 — отрицательно. Ток течет по цепи +Uвх, полуобмотка трансформатора ТV1, тиристор VS1, дроссель L1, -Uвх.
Подадим отпирающий импульс положительной полярности на управляющий электрод тиристора VS2. Тиристор VS2 переходит в открытое состояние, и конденсатор С1 начинает разряжаться. Направление тока его разряда, протекающего по цепи от положительно заряженной обкладки конденсатора С1, через открытый тиристор VS2, тиристор VS1, отрицательно заряженную обкладку конденсатора С1, противоположно току, протекающему через тиристор VS1. В результате тиристор VS1 переходит в закрытое состояние. Конденсатор С1 начинает перезаряжаться, причем этот процесс не может быть мгновенным из-за включенного последовательно с ним, благодаря открытому тиристору, дросселя L1. Напряжение на обкладках конденсатора С1 равно удвоенному напряжению питающей сети (2 • Uвх) плюс напряжение индуктивного выброса ЭДС самоиндукции. Через диод VD4 происходит рекуперация энергии, т.е. возвращение в питающую сеть энергии ЭДС самоиндукции полуобмотки трансформатора ТV1. Часть тока в результате запаса энергии циркулирует по цепи от дросселя L1, через диод VD4, открытый тиристор VS2 и возвращается в дроссель L1. При дальнейших переключениях запасенная энергия возрастала бы, приводя к росту циркулирующего тока. Во избежание этого к части полуобмотки трансформатора ТV1 подключен диод VSЗ. Через диод VDЗ происходит рекуперация накопленной в дросселе L1 энергии в питающую сеть.
Подадим отпирающий импульс на управляющий электрод тиристора VS1, в результате чего он переходит в открытое состояние. Происходит разряд конденсатора С1, который инициирует запирание тиристора VS2. Далее процесс повторится.
Благодаря наличию диодов VD2, VDЗ нагрузочная характеристика преобразователя Мак-Муррея довольно «жесткая». Преобразователь может быть включен без нагрузки и способен питать индуктивную нагрузку.
Последовательный резонансный полумостовой тиристорный инвертор
Последовательный резонансный тиристорный инвертор, схема которого изображена на рис. 5, по сравнению с параллельными инверторами обладает важным достоинством: он может работать на более высокой частоте преобразования ввиду меньших потерь в тиристорах на этих частотах.
Рис. 5. Последовательный резонансный тиристорный инвертор
Конденсаторы С1 и С2 образуют емкостный делитель напряжения. Индуктивности полуобмоток дросселя L1 и емкости конденсаторов С1 и С2 представляют резонансный контур, собственная частота которого равна частоте импульсов управления. Если бы эти частоты отличались друг от друга, что обычно имеет место на практике, то преобразователь следовало бы называть квазирезонансным.
Если добротность контура Θ будет мала, то преобразователь не сможет функционировать, а если она будет большой, то к компонентам колебательного контура, первичной обмотке трансформатора ТV1, тиристорам будет приложено напряжение, которое намного больше необходимого. На практике обычно добротность колебательной системы выбирают от 1 до 4. Емкости конденсаторов С1 и С2 должны быть по возможности близкими.
Допустим, тиристор VS1 открывается, а тиристор VS2 закрыт. Ток течет по цепи: +Uвх, тиристор VS1, верхняя по схеме полуобмотка дросселя L1, первичная обмотка трансформатора ТV1, заряжающийся конденсатор С2, -Uвх и по другой цепи: положительно заряженная обкладка конденсатора С1, тиристор VS1, верхняя по схеме полуобмотка дросселя L1, первичная обмотка трансформатора ТV1, отрицательно заряженная обкладка конденсатора С1. Конденсатор С1 разряжается, а конденсатор С2 заряжается. Поскольку емкости этих конденсаторов в теории одинаковы, через первичную обмотку трансформатора TV1 протекает в два раза больший ток, чем через каждый из конденсаторов. Частота тока, протекающего по нагрузке Rн, зависит от параметров компонентов колебательного контура. Форма импульсов тока в течение полупериода близка к половине синусоиды. В конце полупериода ток через тиристор VS1 уменьшается до нуля, и он закрывается. Заметьте: переход тиристора в состояние отсечки происходит при нуле тока.
Приложим отпирающий импульс между управляющим электродом и катодом тиристора VS2, который переходит в открытое состояние. Ток течет по цепи: +Uвх, заряжающийся конденсатор С1, первичная обмотка трансформатора TV1, нижняя по схеме полуобмотка дросселя L1, тиристор VS2, -Uвх и по второй цепи: положительно заряженная обкладка конденсатора С2, первичная обмотка трансформатора TV1, нижняя по схеме полуобмотка дросселя L1, тиристор VS2, отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2. Форма импульсов тока и в течение второго полупериода близка к половине синусоиды. В конце полупериода ток через тиристор VS2 уменьшится до нуля, и тиристор закроется. Переменное напряжение на чисто активной нагрузке Rн будет почти синусоидальной формы. Далее процесс повторится.
Индуктивность колебательной системы определяют по формуле:
Θ — добротность колебательной системы;
ω — круговая частота, радиан/с.
Емкости конденсаторов С1 и С2 находят согласно выражению:
