Автономные инверторы тока

Автономные инверторы тока (АИТ) служат для преобразования постоянного тока в переменный, регулируемый по частоте. АИТ находят широкое применение в электрических передачах переменного тока.

Инвертор тока – исторически первый тип автономного инвер­тора – характеризуется двумя отличительными энергетическими признаками. Во-первых, его входная цепь есть цепь со свойствами источника постоянного тока, а функция его вентилей сводится к периодическому переключению направления этого тока в выход­ной цепи. Значит, на выходе вентильного коммутатора будет пере­менный ток (или, иначе говоря, периодически переключаемый по направлению постоянный ток), т.е. цепь со свойствами источника переменного тока. Во-вторых, нагрузкой инвертора тока должна быть цепь со свойствами, близкими к источнику напряжения, т.е. с малым внутренним динамическим сопротивлением, допускающим протекание через него скачкообразно меняющегося тока. Практи­чески это обеспечивается включением конденсатора на выход вентильного коммутатора, что позволяет подключить после него лю­бую реальную нагрузку с индуктивностью, не допускающей скач­ков тока.

Прямоугольный характер тока на выходе вентильного комплекта инвертора тока обусловливает близкую к прямоугольной (точнее, трапецеидальной) форме выход­ного напряжения инвертора на низких частотах, когда время пере­заряда коммутирующей емкости становится малым по сравнению с длительностью полупериода выходного напряжения. Это ограни­чивает нижнюю рабочую частоту инвертора тока с простым алгоритмом управления.

Автономные инверторы тока выполняют на полупроводниковых ключах, обладающих односторонней проводимостью, в качестве которых могут использоваться полностью управляемые ключи (транзисторы, запираемые тиристоры) и обычные тиристоры с дополнительными устройствами конденсаторной коммутации (на рис. 8.3 – С_а, С_b, С_с).

Автономный инвертор тока на полностью управляемых ключах - тиристорах VS1 – VS6 (рис. 8.3) – при помощи сглаживающего реактора L_d подключают к источнику напряжения Е, к его выходам подсоединяют фазы нагрузки – асинхронного тягового двигателя (АД). На тепловозе напряжение Е можно получить, снимая напряжение тягового синхронного генератора СГ, выпрямленное выпрямителем ВУ. Система управления инвертором (МСУ) подает отпирающие импульсы на все тиристоры в определенной последовательности с частотой, определяемой задающим генератором по сигналу от автоматической системы регулирования (на рис. 8.3 не показана).

Рис. 8.3. Принципиальная схема автономного инвертора тока

на полностью управляемых тиристорах

Если тиристоры VS1 – VS6 периодически включать и выключать в соответствии с диаграммой, представленной на рис. 8.4, то ток в нагрузке при соединении фаз асинхронного тягового двигателя по схеме «звезда» будет иметь форму прямоугольных положительных импульсов попеременно положительной и отрицательной полярности длительностью 120°эл., с постоянной амплитудой I_d. При этом тиристоры VS1 – VS6 выполняют функцию распределения тока I_d по фазам нагрузки.

Отличительной особенностью автономного инвертора тока является возможность двустороннего обмена энергией между питающей его сетью и двигателем с нереверсивным выпрямителем ВУ за счет изменения направления противо-эдс инвертора и сохранения направления в нем выпрямленного тока.

Качество выходного напряжения инвертора тока можно значи­тельно улучшить, если применить на низких выходных частотах широтно-импульсный способ формирования кривой выходного то­кавентильного комплекта инвертора.

Рис. 8.4. Диаграмма тока на выходе автономного инвертора тока

Улучшение формы выходного тока инвертора достигается формированием каждого полупериода тока в виде последовательности импульсов тока, длительность которых изменяется по трапецеидальному закону (рис. 8.5).

Такой алгоритм управления просто реализуется с учетом особенности трехфазно­го инвертора тока – наличия включенными в любой момент времени одного вентиля катодной группы моста инвертора и одного вентиля анодной группы. Конденсаторы С на выходе инвертора выполняют функцию «энергетического буфера» между импульсами источника тока, каким по выходу является инвертор тока, и нагрузкой, как правило, содержащей последовательный реак­танс индуктивного характера (асинхронных тяговых двигателей), не допускающий скачков тока в них.

Рис. 8.5. Диаграмма напряжения и тока

на выходе автономного инвертора тока

Таким образом,автономные инверторы тока, имеют следующие свойства:

- существенную зависимость величины и формы выходного напря­жения от величины и характера нагрузки в классическом варианте инвертора. Ограничение на минимум нагрузки диктуется допусти­мой степенью возрастания напряжения на выходе инвертора. Ог­раничения на максимум нагрузки обусловлены требованием вос­становления управляющих свойств тиристоров. Влияние измене­ния частоты выходного напряжения на его величину такое же, как влияние изменения нагрузки;

- большую величину индуктивности реактора в звене постоян­ного тока для реализации режима источника тока, что ухудшает массогабаритные показатели инвертора тока. Пульсация амплиту­ды импульсов тока инвертора обусловлена конечным значением индуктивности реактора L_dна выходе инвертора, подключенного к трехфазному мостовому выпрямителю;

- большую инерционность регулирования выходного напря­жения за счет регулирования входного напряжения инвертора из-за большой электромагнитной постоянной времени реактора в зве­не постоянного тока;

- возможность улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора прежде всего при низких частотах методом широтно-импульсного формирования токов вентилей, особенно при использовании алгоритмов векторной широтно-импульсной модуляции тока по синусоидальному закону;

- благоприятный с позиций электромагнитной совместимости режим нагрузки источника входного напряжения постоянным то­ком со входа инвертора тока.