Инверторные источники питания для электродуговой сварки

Введение

Наиболее прогрессивен вид нового сварочного оборудования, выполняемого в настоящее время по инверторной схеме. В большинстве случаев оборудование неразрывно связано с конкретным типом проволокоподающего устройства. В наиболее простом варианте это источник, позволяющий выполнять механизированную сварку плавящимся электродом в защитных газах низколегированных и коррозионно-стойких сталей и алюминия. Используется также при сварке порошковой и самозащитной проволоками. Особенностью высокочастотных инверторов являются высокая стабильность и качество сварки различных материалов в широком диапазоне толщин с минимальным разбрызгиванием металла. Такое оборудование в ряде случаев обеспечивает высококачественную сварку и покрытыми электродами со всеми видами покрытий. Сварка неплавящимся электродом является обычно дополнительной функцией. При импульсной сварке плавящимся электродом в смеси газов появляется возможность получения импульсов тока различной частоты и формы. При достаточной технологической проработке это свойство может улучшить качество сварных соединений. Например, введение функции двойного импульса улучшило очистку металла при сварке алюминия, в результате чего сварной шов формируется того же вида, что и при сварке вольфрамовым электродом.

Все источники питания снабжены цифровыми дисплеями, в отдельных применена система "Минилог", обеспечивающая возможность переключения двух режимов сварки на сварочной горелке. Это важно при разной форме разделки или смене пространственного положения шва. В настоящее время наиболее распространена сварка плавящимся электродом конвекционным способом с раздельным регулированием скорости подачи проволоки и сварочного напряжения. В то же время, значительно расширяется область применения синергетического способа регулирования одной кнопкой. Такой режим решает проблему установки правильного соотношения подачи проволоки и напряжения для каждого вида сварки в зависимости от ряда исходных параметров (диаметра электродной проволоки, свариваемого материала, вида защитных газов, функции заварки кратера, параметров импульсной сварки и др.). Контроль за сваркой и все виды регулирования осуществляются с панели управления или специальных пультов. Например, установка "AnstoMig Universal" фирмы ESAB имеет 200 программ для обычной импульсной сварки. Полуавтомат фирмы KEMPPI выполняет 20 программ. Существует возможность создания собственных программ, необходимых заказчику.

Инверторы для сварки плавящимся электродом выпускает ряд фирм (во многих из них реализованы решения на принципах синергетики): ESAB - "Anston Mig" на ток 320-500 A, Fronius - "Trans Puls Synergic" на ток 210-450 A, KEMPPI - "PRO" на ток 300, 420 и 520 А и др.

Универсальные транзисторные инверторы начали выпускать Санкт-Петербургская фирма "ФЕБ" - "Магма-315" и "Магма-500" и ООО "ПТК" -"Инверт-400" (ручная сварка, механизированная сварка плавящимся электродом, сварка неплавящимся электродом - 400 А, ПН - 80 %).

Инвертором называется прибор, схема, или система, которая создает переменное напряжение при подключении источника постоянного напряжения. Существует другой способ определения: инверсия - функция обратная выпрямлению. Выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное, а инверторы наоборот, превращают постоянное напряжение в переменное.

Инверторы совсем не редкие устройства. Под другими названиями они появляются в многочисленных приложениях. Инверторами, конечно, можно назвать и вибропреобразователи, и генераторы с обратной связью, и релаксационные генераторы. Разве они не превращают постоянное напряжение в переменное? Фактически, использование названий «инвертор» и «генератор» несколько произвольно. Инвертор может быть генератором, а генератор можно использовать как инвертор. Обычно предпочитали использовать термин «инвертор», когда рабочая частота была меньше чем 100 кГц, и выполняемая им операция обеспечивала переменным напряжением некоторую другую схему или оборудование. Современные инверторы не имеют ограничений по частоте.

Поскольку нет четко установленной границы между инверторами и генераторами, можно сказать, что многие инверторы являются генераторами специального типа. Другие инверторы могут по существу быть усилителями или управляемыми переключателями. Выбор термина фактически определяется тем, как расставлены акценты. Схема создающая радиочастотные колебания с относительно высокой стабильностью частоты традиционно назвалась генератором. Схему генератора, в которой основное внимание обращается на такие параметры как к.п.д., возможность регулирования и способность выдерживать перегрузки, и которая работает в диапазоне звуковых или инфразвуковых частот, можно назвать инвертором.

На практике, когда мы рассматриваем конечное назначение схемы, различия между инверторами и генераторами, становятся достаточными очевидными. Назначение схемы тут же подскажет нам как более правильно ее называть: генератором или инвертором. Обычно инвертор применяется в качестве источника питания.

Инвертор питается энергией от источника постоянного напряжения и выдает переменное напряжение, а выпрямитель подключен к источнику переменного напряжения и имеет на выходе постоянное напряжение. Имеется третий вариант - схема или система потребляет энергию от источника постоянного напряжения и выдает также постоянное напряжение в нагрузку. Устройство, осуществляющее эту операцию, называется преобразователем. Но не любую схему, имеющую постоянное напряжение на входе и постоянное напряжение на выходе, можно считать преобразователем. Например, потенциометры, делители напряжения, и аттенюаторы действительно «преобразуют» один уровень постоянного напряжения в другой. Но их вообще нельзя назвать преобразователями. Здесь в процессе выполнения преобразования отсутствует такой элемент как инвертор, вибропреобразователь, или генератор. Другими словами, последовательность процессов в настоящем преобразователе такова: постоянное напряжение - переменное напряжение - постоянное напряжение. Удобным является следующее определение преобразователя: схема или система, потребляющая и выдающая мощность в виде постоянного напряжения, в которой в качестве промежуточного процесса в передаче энергии используется генерирование переменного напряжения (иногда используется выражение dc-to-dc преобразователь).

Практическое значение определения преобразователя состоит в том, что преобразователь по существу работает как трансформатор постоянного напряжения. Это свойство позволяет манипулировать уровнями постоянного напряжения и тока также, как это делается при использовании трансформаторов в системах с переменным напряжением. Кроме того, такой трансформатор-преобразователь обеспечивает изоляцию между входными и выходными цепями. Это способствует электрической безопасности и значительно упрощает ряд проблем при проектировании систем.

Рассмотрим преобразователь с дополнительной операцией. Предположим, что полная последовательность операций такова: переменное напряжение, постоянное напряжение, переменное напряжение, постоянное напряжение. Это означает, что устройство получает энергию от сети переменного напряжения, выпрямляет это напряжение, инвертирует его в переменное напряжение, и снова выпрямляет. Таков основной принцип построения многих источников питания. Не является ли это неоправданно избыточным? Нет, поскольку для выполнения инверсии формируемое переменное напряжение имеет намного более высокую частоту, чем частота сети, что позволяет избавиться от массивного и дорогостоящего трансформатора, рассчитанного на частоту сети. Трансформатор инвертора (работающий на частотах от 20 кГц до нескольких МГц) бывает очень небольшим и обеспечивает полную изоляцию.

1 Инвертор. (Принцип работы, разновидность, область применения)

1.1 Последовательный инвертор

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов последовательного инвертора изображены на рис. 1. Такая схема называется последовательным инвертором, поскольку в ней нагрузочное сопротивление включено последовательно с емкостью. R - нагрузочное сопротивление, L и С - коммутационные элементы. Такой тип инвертора содержит два тиристора. Рассмотрим подробнее фазы работы такой схемы.

Фаза I. Тиристор Т1 включается в момент времени to. Начинается заряд конденсатора от источника питания. Последовательная цепь R, L и С формирует синусоидальный ток через нагрузочное сопротивление и выполняет функцию демпфирующей цепи. Когда ток в цепи уменьшается до нуля, тиристор Т1 запирается. Напряжение на нагрузочном сопротивлении находится в фазе с током тиристора. Формы напряжений VL и Vc можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (VL+ Vc = E), величины VL и Vc должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Фаза II. Тиристор Т2 не должен включаться сразу после того, как ток через тиристор Г, уменьшится до нуля. Для лучшего запирания тиристора Т1, к нему необходимо приложить небольшое обратное напряжение. Если тиристор Т2 включается без запаздывания, или мертвая зона отсутствует, напряжение источника питания замыкается через открытые тиристоры Т1 и Тг.. Если оба тиристора находятся в закрытом состоянии, то VR = 0, VL= 0, следовательно, L di/dt = 0 и конденсатор С остается незаряженным.

Фаза III. В момент времени t2 тиристор Т2 включается и инициирует отрицательный полупериод. Конденсатор разряжается через L, R и Т2. Следует заметить, что электрический ток через нагрузочное сопротивление R протекает в противоположном направлении. В момент времени, когда этот ток уменьшается до нуля, тиристор Т2 выключается. Формы напряжений VL и Vc можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (VL + Vc = 0), величины VL и Vc должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Рис.1 - Последовательный инвертор:

а) Электрическая схема;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях последовательного

инвертора

Если тиристор Т1 запустить с задержкой на величину мертвого времени, вышеупомянутые процессы повторятся.

Преимущества:

1. Простая конструкция.

2. Выходное напряжение близко к синусоидальному.

Недостатки:

1. Индуктивность L и конденсатор С имеют большие габариты.

2. Источник питания используется только в течение положительного полупериода.

3. В выходном напряжении имеются высшие гармоники из-за наличия мертвой зоны.

Последовательный инвертор лучше всего подходит для высокочастотных устройств, так как для требуемых значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет:

T0=T + 2td. где Г = l/ft и t6 - мертвое время.

Выходная частота последовательного инвертора всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны. Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

Рис.1г. -Форма выходного напряжения последователного инвертора

1.2 Параллельный инвертор

Базовая схема параллельного инвертора изображена на рис.2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют положительный потенциал. Выходное напряжение - положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение - отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора изображены на рис.2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров. Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t= tx тиристор Т1 включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t= t2 тиристор Т2 включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем самым к тиристору Т1, прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т1 выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения - 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы. Форма выходного напряжения аналогична форме напряжения на конденсаторе.

Рис.2 - а) Базовая схема параллельного инвертора;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях параллельного инвертора

Недостатки

Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.

Ток источника питания не является чистым постоянным током.

Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

1.3 Мостовые инверторы

Однофазный полумостовой инвертор

Однофазный полумостовой инвертор состоит из двух источников питания и двух коммутаторов. Нагрузка подключена между общим выводом источников питания и общей точкой коммутаторов.

1.3.1 Резистивная нагрузка

Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с резистивной нагрузкой изображены на рис.3. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии в течение периода Т0/2 (Г0 = 1//о). Тиристор Т2 включается в момент времени Т0/2 и инициирует отрицательный полупериод тока нагрузки, за счет чего тиристор Т1, выключается. В момент времени То снова включается тиристор T1 а тиристор Т2 выключается. Этот процесс повторяется, тем самым обеспечивается непрерывное прямоугольное напряжение на нагрузке. Это возможно, так как тиристоры T1 и Т2 одновременно не запускаются.

Рис.3 - а) Схема полумостового инвертора с резистивной нагрузкой;

б) Фазы работы схемы,

в) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

1.3.2 Индуктивная нагрузка

Принцип действия схемы можно объяснить, рассмотрев четыре фазы ее работы. Диоды Dx и D2называются возвратными диодами. Инвертор не может управлять индуктивной нагрузкой без возвратных диодов. Без диодов в схеме имеются большие выбросы напряжения при переключении тиристоров, поскольку нагрузка индуктивная. Эти выбросы напряжения могут разрушить тиристоры. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой изображены на рис.4.

Фаза I. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии, и через нагрузку протекает ток положительного полупериода. Ток через индуктивную нагрузку линейно увеличивается. В момент времени t= t2 тиристор Т1 принудительно закрывается за счет изменения полярности напряжения на нагрузке. Направление тока при этом сохраняется.

Рис.4 - а) Схема полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой;

б) Фазы работы схемы,

в) Форма напряжения полумостового инвертора

Фаза II. Ток со стороны нагрузки смещает в прямом направлении диод D2, и он переходит в состояние проводимости. Мощность со стороны нагрузки передается в источник питания V2. Когда величина тока падает до нуля, диод D2 запирается.

Фаза III. Пока диод D2 проводит ток, тиристор Т2 не может находиться в состоянии проводимости, поскольку он смещен в обратном направлении. Как только диод D2 запирается, можно включить тиристор Т2. На промежутке времени t2 - t3 напряжение и ток отрицательные, а мощность - положительная, то есть мощность передается от источника питания к нагрузке. В момент времени t= t4 тиристор Т2 принудительно включается.

Фаза IV. На индуктивной нагрузке изменяется полярность напряжения, но направление тока через нее сохраняется. За счет изменения полярности напряжения диод D1, смещается в прямом направлении. Ток теперь течет по направлению к источнику питания Vv, имеет место рециркуляция мощности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока диод D1 не перейдет в закрытое состояние в момент времени t5. Если тиристор Т1 снова включить, вышеупомянутые процессы повторятся.

При работе инвертора на RL-нагрузку ток в цепи изменяется экспоненциально. Площади положительных и отрицательных периодов не равны, так как на резистивной компоненте нагрузки в противофазные периоды рассеиваются разные мощности.

1.3.3 Полумостовой инвертор с RLC – нагрузкой

Рис.5 - а) Схема полумостового инвертора с RLC-нагрузкой, б) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

Электрическая схема и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с RLС-нагрузкой изображены на рис.5. Если инвертор питает RLС-нагрузку, отдельная цепь коммутирования не требуется. Это можно объяснить с помощью символического изображения на рис.5б. Рабочая частота инвертора должна быть выбрана такой, чтобы Хс > XL. При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t0 до tl тиристор Т1 находится в проводящем состоянии. В момент времени t1 = t2 тиристор Т1, выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t1 до t2 диод D1 находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D1 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D1 находится в состоянии проводимости, тиристор Т1 смещен в обратном направлении. Таким образом, специальная цепь принудительной коммутации в этом случае не требуется. В этой схеме RLC-нагрузка обеспечивает коммутацию тиристоров. В течение отрицательного полупериода тиристор Т2 находится в проводящем состоянии, через некоторое время диод D2 начинает проводить, вследствие этого тиристор Т2 смещается в обратном направлении и запирается.

1.4 Инвертор Мак-Мюррея (инвертирующий преобразователь)

Принцип работы инвертора Мак-Мюррея основан на коммутировании тока. Полумостовой инвертор работает на индуктивную нагрузку, как изображено на рис.6. Тиристоры ТА1 и ТА2 в этой схеме являются вспомогательными. Они используются для коммутации основных тиристоров Т1 и Т2. Индуктивность L и емкость С являются коммутирующими элементами. Конденсатор предварительно заряжен слева отрицательно, а справа -положительно. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т1 запускается, тем самым инициируется положительный полупериод преобразования. Постоянный ток нагрузки протекает через тиристор Т1.

Фаза I I. В момент времени t1 запускается вспомогательный тиристор ТА1. По замкнутой цепи L, С, Т{ и ТА1 начинает протекать ток, при этом ток через конденсатор синусоидально нарастает, как показано на рис.6в. В промежутке времени от t1 до t2 значение ic <I0. В момент времени t= t2; tc = I0. Ток, текущий через тиристор Т1, становится равным нулю, и тиристор выключается. Следует заметить, что в этой фазе ток через тиристор Т1, уменьшается до нуля.

Фаза III. После выключения тиристора Т1 ток продолжает протекать через D1. Диод находится в состоянии проводимости до момента времени t3 до тех пор пока ic - I0 положительны. В момент времени t = t3 диод D1, перестает проводить, так как ток через него уменьшается до нуля.

Фаза IV. После того как диод D1 запирается, постоянный ток нагрузки протекает через конденсатор и дозаряжает его слева отрицательно, а справа положительно. Напряжение на конденсаторе изменяется линейно, так как через конденсатор протекает постоянный ток.

Фаза V. Ток через диод увеличивается, в то время как ток через конденсатор уменьшается. Когда ток через тиристор Ta уменьшается до нуля, тиристор выключается.

Фаза VI. На индуктивной нагрузке изменяется полярность напряжения, и диод D1 смещается в прямом направлении. Начинается процесс рециркуляции. Энергия, запасенная в нагрузке, передается обратно в источник питания Vr После запирания диода D1 запускается тиристор Т2. Чтобы выключить тиристор Т2 необходимо включить тиристор ТA2. Далее подобные процессы повторяются аналогично вышеизложенным.

Рис.6 - а) Схема инвертора Мак-Мюррея;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжения и токов инвертора Мак-Мюррея

При разработке инвертора его параметры выбираются исходя из наихудших условий, таких как минимальное входное напряжение и максимальный выходной ток.

1.5 Инвертор Мак-Мюррея - Бедфорда

Инвертор Мак-Мюррея содержит два вспомогательных тиристора. Инвертор Мак-Мюррея-Бедфорда не требует никаких вспомогательных тиристоров. Один основной тиристор в этой схеме коммутирует другой основной тиристор. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала инвертора Мак-Мюррея - Бедфорда изображены на рис.7. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т1 запущен. Постоянный ток протекает через тиристор Т1 , и индуктивность L1. Напряжение на индуктивности L1 равно нулю, так как через нее протекает постоянный ток. Конденсатор С, замкнут через Т1 и L1. Конденсатор С2 заряжен до напряжения V1 + V2: верхняя обкладка заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.

Рис.7 - а) Схема инвертора Мак-Мюррея; б) Фазы работы схемы

Фаза II. После включения тиристора Т2 напряжение с конденсатора С2 подается на индуктивность L2. Это напряжение равно удвоенному напряжению питания. За счет взаимной индукции на индуктивности L1 появляется напряжение, равное напряжению на индуктивности L2. Напряжение на катоде тиристора Т1 равно учетверенному напряжению питания, а на аноде удвоенному напряжению питания. Таким образом, после включения тиристора Т2 тиристор Т1 выключается. Быстрое выключение тиристора L1 возможно благодаря тому, что энергия, запасенная в индуктивности L1 передается на индуктивность L2 поскольку общий магнитный поток должен оставаться постоянным. Из рис.7в видно, что ток в схеме перераспределяется от тиристора Т1 на тиристор Т2 в начале фазы II. По цепи L2 и С2 начинает протекать ток. Диод D2 смещается в обратном направлении напряжением на конденсаторе С2.

Фаза III. Как только полярность напряжения на конденсаторе изменяется на обратную, диод D2 переходит в проводящее состояние и тем самым шунтирует конденсатор С2. Энергия, запасенная на индуктивности L2 поддерживает неизменное направление тока через тиристор Т2 и диод D2. Постепенно запасенная в индуктивности L2 энергия рассеивается на активном сопротивлении нагрузки, и тиристор Т2 выключается.

Фаза IV. Диод D2 по-прежнему смещен в прямом направлении за счет тока, протекающего через индуктивность нагрузки. Здесь имеет место процесс рециркуляции энергии, запасенной на индуктивности нагрузки. Диод D2 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока запасенная энергия передается источнику питания V2.

Тиристор Т2 снова включается, тем самым инициируя аналогичный отрицательный полупериод инвертора. В конце отрицательного полупериода тиристор Т1 остается в проводящем состоянии и процесс, описанный выше, повторяется.

Рис.7в - Формы токов инвертора Мак-Мюррея –Бедфорда

1.6 Трехфазные инверторы

Трехфазные инверторы могут быть использованы в двух режимах:

1) 120-градусный режим работы;

2) 180-градусные режимы работы.

1.6.1 120-градусный режим работы

Тиристоры здесь нумеруются по аналогии с трехфазными двухполупериодными выпрямителями. Разность номеров тиристоров в каждой фазе равна трем. К трехфазному мостовому инвертору подключена активная нагрузка, состоящая из трех резисторов, как показано на рис.8. При 120-градусном режиме работы каждый тиристор находится в проводящем состоянии от 0 до 120° за период. В любое время два тиристора в этой схеме находятся в проводящем состоянии, и два из трех нагрузочных резисторов являются потребителями мощности. Когда тиристор из нечетной группы находится в проводящем состоянии, соответствующее ему фазовое напряжение - положительное. Если же в проводящем состоянии находится тиристор из четной группы, соответствующее ему фазовое напряжение отрицательное. Фазовые напряжения здесь представляют собой 120-градусные псевдопрямоугольные последовательности импульсов. Выходные линейные напряжения имеют формы шестиступенчатых последовательностей импульсов, сдвинутых на 120° по отношению друг к другу. Формы фазовых и линейных напряжений приведены на рис.8б.

Запуск тиристоров в этой схеме осуществляется в последовательности 61-12-23-34-45-56. Выходная частота определяется частотой запуска тиристоров.

Рис.8а - 120-градусный режим работы инвертора Схема трехфазного мостового инвертора

Рис.8б - 120-градусный режим работы инвертора Формы фазовых и

линейных напряжений

1.6.2 - 180-градусный режим работы

При 180-градусном режиме каждый тиристор находится в состоянии проводимости половину периода. В этом режиме работы инвертора возможны два способа коммутации тиристоров - два тиристора из нечетной группы и один тиристор из четной группы или два из четной группы и один из нечетной группы находятся в проводящем состоянии.

Фазовое напряжение инвертора будет положительным, если тиристоры из нечетной группы находятся в проводящем состоянии, и отрицательным, если тиристоры четной группы находятся в проводящем состоянии. В любое время два нагрузочных резистора подключены к источнику питания параллельно, а третий подключен последовательно к ним. На двух параллельно соединенных резисторах выходное напряжение будет V/3, а на третьем - 2 К/3.

Рис. 9 - 180-градусныи режим работы инвертора

а) Схема трехфазного мостового инвертора,

б) Формы фазовых и линейных напряжений

Линейные напряжения здесь представляют собой 120-градусные псевдопрямоугольные последовательности импульсов. Выходные фазовые напряжения инвертора имеют формы шестиступенчатых последовательностей импульсов, сдвинутых на 120° по отношению друг к другу. Формы фазовых и линейных напряжений приведены на рис.9б. Тиристоры в этой схеме запускаются в последовательности 561-612-123-234-345-456. Выходная частота определяется частотой запуска тиристоров.

1.7 Трехфазный инвертор тока

Электрическая схема и рабочие фазы трехфазного инвертора тока изображены на рис.10. Этот тип инвертора называется инвертором К. Филипса. Его работа основана на коммутировании напряжения. Большая индуктивность, включенная последовательно с источником напряжения, работает как источник тока. Схема работает в 120-градусном режиме.

Рис.10а - Схема трехфазного инвертора тока

Чтобы выключить шесть тиристоров, требуются шесть конденсаторов. Диоды D1 - D6 предотвращают разряд конденсаторов через нагрузку. Эти диоды называются изолирующими. Тиристоры в этой схеме запускаются в последовательности 12-23-34-45-56-61. Если схема переходит из состояния 12 в состояние 23, тиристор Т2 продолжает оставаться в проводящем состоянии, следовательно, тиристор Т2, запирается, а ток продолжает протекать через включенный тиристор Т2.

Фаза I. Конденсатор С, заряжен с левой стороны до напряжения +ve, а с правой - до напряжения -ve. Тиристоры Т1 и Т2 запускаются согласно диаграмме 120-градусного режима работы. Схема остается в этом состоянии от 0 до 60°.

Фаза П. В следующий 60-градусный интервал тиристоры Т1 и Т2 должны находиться в проводящем состоянии. Тиристор Т1 запускается начиная с 60-градусного интервала. Тиристор Т1, выключается коммутирующим напряжением. Ток протекает через D1 фазу А и фазу С. Напряжение на конденсаторе С, меняет полярность.

Фаза III. Диод D1 продолжает оставаться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток через него протекает в том же самом направлении. Диод D3 находится в проводящем состоянии, так как он смещен в прямом направлении присутствующим на конденсаторе С, напряжением. В этой фазе все три ветви нагрузки являются потребителями мощности. Эта фаза называется периодом перекрытия.

Рис.10б - Фазы работы схемы

Фаза IV. Диод D1 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока энергия, запасенная на индуктивности нагрузки в фазе А, не уменьшится до нуля. Далее ток протекает через тиристоры Т2 и Т3 согласно диаграмме управления при 120-градусном режиме работы инвертора.

Формы фазовых токов трехфазного инвертора тока эквивалентны формам фазовых напряжений трехфазного инвертора напряжения при 120-градусном режиме работы.

1.8 Управление выходным напряжением инвертора

Выходным напряжением инвертора требуется управлять в таких устройствах, как регулятор скорости, источники бесперебойного питания и

т. д.

Управлять выходным напряжением можно тремя способами:

1) регулированием входного напряжения инвертора;

2) регулированием выходного напряжения инвертора;

3) регулированием выходного напряжения самим инвертором.

Входное напряжение можно регулировать с помощью фазоуправляемого преобразователя или коммутатора, включенного на входе инвертора. Недостатком фазоуправляемого преобразователя является низкий коэффициент мощности со стороны входа инвертора. Недостатком коммутатора постоянного тока являются высокие коммутационные потери.

Выходное переменное напряжение инвертора можно регулировать с помощью трансформатора с коммутируемыми отводами от вторичной обмотки. Недостатком коммутации отводов является необходимость в обслуживании размыкателей.

Регулирование выходного напряжения самим инвертором называется широтно-импульсной модуляцией. Различают два типа широтно-импульсных модуляторов:

1) однократные;

2) многократные.

1.8.1 Однократный широтно-импульсный модулятор

Электрическая схема инвертора и формы сигналов однократного широтно-импульсного модулятора изображены на рис.11. Однократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает один управляющий импульс за полупериод цикла преобразования. Выходное напряжение инвертора регулируется за счет изменения длительности управляющего импульса в каждом полупериоде цикла преобразования. Эпюры управляющих импульсов однократного широтно-импульсного модулятора изображены на Рис.11б. На выходе инвертора присутствует напряжение, только если транзисторы Т1 и Т2 (или) Т3 и Т4 находятся в проводящем состоянии одновременно.

В промежутке времени от t0 до t1 в проводящем состоянии находятся транзисторы Т1 и Т1. В это время на нагрузке положительное напряжение. В промежутке времени от t2 до t3 проводящем состоянии находятся транзисторы Т3 и Т4, на нагрузке при этом отрицательное напряжение. Выходным напряжением инвертора можно управлять, изменяя угол 9. Чем больше значение 9, тем меньше выходное напряжение инвертора, и наоборот. Недостатком этого способа регулирования является присутствие в выходном напряжении большого количества высших гармоник.

Рис.11 - а) Схема мостового инвертора;

б) Формы сигналов широтно-импульсного модулятора

1.8.2 Многократный широтно-импульсный модулятор

Многократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает серию управляющих импульсов за полупериод цикла преобразования. Существуют два типа многократных широтно-импульсный модуляторов: а) широтно-импульсный модулятор с равными длительностями управляющих импульсов и б) синусоидальный широтно-импульсный модулятор.

Широтно-импульсный модулятор с равными длительностями управляющих импульсов

Формы сигналов симметричного широтно-импульсного модулятора или широтно-импульсного модулятора с равными длительностями управляющих импульсов изображены на рис.12а. Допустим, что V1 -напряжение треугольной формы, Vc - управляющее напряжение и Vo - выходное напряжение компаратора

Рис.12а - Формы сигналов симметричного широтно-импульсного модулятора

В схеме управления опорное напряжение высокой частоты VT (треугольной формы) сравнивается с напряжением управления Vc. Выходное напряжение компаратора Vo высокое, когда больше Vc, и низкое, если Кт меньше Vc. Таким образом, выходное напряжение компаратора представляет собой последовательность импульсов. Сформированные таким образом импульсы можно использовать для управления мощными транзисторами. Если в инверторе используются тиристоры (инвертор Мак-Мюррея), основной тиристор запускается передним фронтом импульса, а вспомогательный тиристор - задним. Таким образом, многократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает серию управляющих импульсов за полупериод цикла преобразования. Гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут намного меньше, чем в инверторе с однократным широтно-импульсным модулятором.

Синусоидальный широтно-импульсный модулятор

Формы сигналов синусоидального широтно-импульсного модулятора изображены на рис.12б. В этой схеме напряжение треугольной формы сравнивается с синусоидальным управляющим напряжением. Входные напряжения компаратора Vc и VT. Выходное напряжение компаратора высокое, когда величина синусоидального управляющего напряжения больше, чем величина напряжения треугольной формы. Отношение величины управляющего напряжения к величине напряжения треугольной формы определяется как коэффициент модуляции. Следует заметить, что выходное напряжение компаратора представляет собой последовательность импульсов неравной длительности. В течение полупериода цикла преобразования длительность центрального импульса максимальна, а длительность крайних импульсов уменьшается. Длительность управляющих импульсов изменяется синусоидально. Этот тип широтно-импульсного модулятора называется асимметричным, так как длительности его управляющих импульсов неравны. Гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут меньше, чем в инверторе с симметричным широтно-импульсным модулятором.

Рис.12б - Формы сигналов синусоидального широтно-импульсного модулятора

1.9 Управление гармоническими составляющими (управление формой напряжения)

Формы выходных напряжений инверторов могут быть прямоугольными, квазипрямоугольными, треугольными или в виде шестиступенчатых последовательностей импульсов. В выходном напряжении содержатся основная гармоника и ее высшие компоненты. Если инвертор используется в качестве источника питания асинхронного электродвигателя, высшие гармоники питающего напряжения вносят потери в виде дополнительного выделения тепла. Например, пятая гармоника питающего электродвигатель напряжения производит крутящий момент в противоположном направлении по отношению к основному крутящему моменту. Поэтому предпочтительно минимизировать коэффициент гармоник в выходном напряжении. Методы уменьшения гармоник следующие:

коммутация промежуточных отводов в трансформаторе;

подключение нагрузки через трансформатор;

использование фильтров;

использование широтно-импульсной модуляции.

1.9.1 Коммутация промежуточных отводов в трансформ