Устройство и работа инверторов статических преобразователей

Рис.1.40

Структурная схема инвертора (статического преобразователя) источника бесперебойного питания имеет вид представленный на рис.1.40. Здесь: И – собственно инвертор; К - конвертор; Ф_ВХ, Ф_ВЫХ входной и выходной фильтры; МШИ – модулятор ширины управляющих импульсов; ИО – измерительный орган.

На вход инвертора подается постоянное напряжение, а на выходе формируется однофазное или трехфазное переменное напряжение. В этой схеме инвертор (И) преобразует постоянное напряжение в переменный ток частотой 50 Гц. Конвертор предназначен для управления величиной постоянного напряжения подводимого к инвертору. Фильтр Ф_ВХ защищает первичную сеть от помех, образующихся при работе конвертора и инвертора. Фильтр Ф_ВЫХ выделяет основную гармонику выходного напряжения частотой 50 Гц.

Инвертор чаще всего выполняется по мостовой схеме, нагрузка инвертора (Z_Н) включается в диагональ моста через повышающий трансформатор. Транзисторы инверторов шунтируются диодами, которые обеспечивают протекание тока при подключении активно-индуктивной нагрузки.

Рис.1.42

Рис.1.41.

Рассмотрим работу однофазного инвертора (рис.1.41). Последовательность включения транзисторов, а также длительность их включенного состояния, определяются импульсами управления, которые подаются на базы транзисторов от независимой схемы управления. Чтобы обеспечить высокий кпд схемы транзисторы работают в ключевом режиме и включаются попарно, на рис.1.42а приведена диаграмма управления транзисторами.

Первую половину периода (Т) выходной частоты 50 Гц (10мс) открыты транзисторы VT1, VT4 затем следующую половину периода открыты транзисторы VT2,VT3, а VT1, VT4 закрыты, затем цикл повторяется. В результате ток первичной обмотки трансформатора меняет свое направление каждый полупериод, и в выходной обмотке трансформатора будут наводиться двухполярные импульсы прямоугольной формы (рис.1.42б). Для получения синусоидального напряжения выходное напряжение инвертора пропускают через LC фильтр, который выделяет первую гармонику частотой 50 Гц и подавляет высшие гармоники.

Степень приближения формы кривой напряжения к синусоидальной характеризуется коэффициентом нелинейных искажений

k_н = ,

где U_н - действующее значение несинусоидальной кривой напряжения; U₁ - действующее значение ее первой гармоники.

Для напряжения прямоугольной формы k_н = 0,484.

С целью приближения формы сигнала к синусоидальной и уменьшения коэффициента нелинейных искажений переключение пар транзисторов инвертора осуществляют с задержкой t_п (рис.1.43а). Задержка характеризуется коэффициентом заполнения импульса выходного напряжения

Рис.1.43

q = (T - 2t_п) / T,

где Т - период изменения напряжения. Во время паузы все транзисторы закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю.

При введении «паузы на нуле» длительностью t_п:

U_н = U_m ;

U₁ =

и, следовательно, для данной формы сигнала

k_н = .

Изменяя q, можно минимизировать k_Н и тем самым уменьшить массу выходного фильтра Ф_вых. На практике задержка t_п выбирается равной 60⁰ (q= 0,66). В этом случае k_н = 0,312 и близок к оптимальному значению, полностью подавляется третья гармоника и упрощается схема управления транзисторами инвертора.

Приближение формы кривой выходного напряжения инвертора к синусоидальной может быть достигнуто и при многократной коммутации транзисторов во время полупериода основной частоты (рис.1.43б). Высшие гармоники, близкие к основной, эффективно снижаются при модуляции ширины заполняющих основную волну импульсов по синусоидальному или трапецеидальному закону. Так, при числе импульсов, равном семи в течение полупериода, кривая выходного напряжения будет содержать высшие гармоники, начиная с четырнадцатой. При таком техническом решении масса фильтра снижается, но сильно усложняется схема системы управления. Так как потери при коммутации транзисторов пропорциональны числу коммутаций, то к. п. д. инверторов по мере возрастания числа импульсов за период снижается.

Трехфазные инверторы чаще выполняется по трехфазной мостовой схеме, либо из трех однофазных мостов. Нагрузка (Z) может быть подключена к инвертору через разделительные трансформаторы либо непосредственно. На рис.1.44 показана схема трехфазного мостового инвертора на тиристорах, существуют аналогичные схемы на транзисторах.

Рис.1.44

Рассмотрим вариант работы моста при условии, что продолжительность открытого состояния тиристора выбрана равной половине периода (l = 180⁰). Для этого варианта на рис.1.45а показаны диаграммы включения тиристоров. Легко видеть, что в любой момент времени одновременно открыты три тиристора, например VS1, VS6, VS5. Через 1/6 периода один из тиристоров закрывается (VS5) и открывается другой (VS2) и т.д. При этом сопротивления нагрузки инвертора Z_А, Z_В, Z_С через открытые тиристоры определенным образом будут подключаться к источнику питания.

Каждая фаза нагрузки включается либо параллельно другой, либо последовательно с двумя другими фазами, соединенными параллельно, в зависимости от номеров открытых тиристоров (рис.1.45в). Поэтому к каждой фазе нагрузки прикладывается напряжение, равное U_d/3 или 2U_d/3 (при равных сопротивлениях нагрузок фаз), напряжение фазы на нагрузке имеет двухступенчатую форму (рис.1.45б). Таким образом, на нагрузке будут формироваться три ступенчатых периодических сигнала. Причем эти сигналы будут сдвинуты по фазе относительно друг друга на 120⁰. Для выделения первой гармоники на выходе инвертора устанавливается трехфазный фильтр.

Рис.1.45

Диоды VD1 - VD6 (см. рис.1.44) обеспечивают энергообмен между нагрузкой и инвертором при активно-индуктивном характере нагрузки. Включение тиристоров осуществляется подачей импульса на управляющий электрод, отключение - с помощью специальной схемы принудительной коммутации, на рисунке не показанной. Для большего приближения кривой напряжения фазы к синусоидальной, продолжительность открытого состояния тиристора уменьшают до значения l = 150° или l = 120°. В этом случае снижается масса выходных фильтров.