4.1.1.1 Однофазна мостова схема автономного інвертора струму

Однофазна мостова схема автономного інвертора струму (АІС) наведена на рис.4.3,а. Джерело – батарея або випрямляч з напругою U працює в режимі генератору струму, для чого у вхідне коло введено згладжувальний дросель Др з великою індуктивністю, що підтримує значення струму джерела І_d незмінним (рис.4.3,б). Умовно позитивна напівхвиля вихідного струму інвертору і_і = і₁₄ формується відкриванням тиристорів VS1 і VS4 (інтервал t₁ – t₂ на рис.4.3). При цьому конденсатор С заряджається від джерела з полярністю, що вказана на рис.4.3,б без дужок.

Напруга на конденсаторі u_С, що є напругою на навантаженні Z_Н, зростає як показано на рис.4.3,б. При подаванні у момент часу t₂ імпульсів керування (и_ІМП) на тиристори VS2, VS3 вони відкриваються і з боку конденсатора С до тиристорів VS1, VS4 прикладається зворотна напруга. Це викликає їх вимкнення. За відсутністю в контурі комутації індуктивності (контури VS2 - С - VS1 та VS3 - С – VS4) комутація струму з тиристорів VS1, VS4 на тиристори VS2 і VS3 стається практично миттєво. При цьому формується негативний напівперіод вихідного струму і_і=і₂₃. Конденсатор перезаряджається за кривою u_C (кінцева полярність вказана у дужках), готуючись до наступної комутації. В момент t₃ відкриваються тиристори VS1, VS4 і процеси повторюються.

Таким чином, тиристорний міст почергово перемикає постійний струм джерелаІ_d, спрямовуючи його крізь навантаження то в один бік, то в інший, тобто перетворює його в змінний, але несинусоїдної (прямокутної) форми. Змінюючи частоту подавання імпульсів керування на тиристори інвертора, можна регулювати частоту вихідного струму, тобто частота визначається лише параметрами самого інвертора.

Комутація тиристорів інвертора також, як і у схемах, що розглядались вище, забезпечується подаванням зворотної напруги. Це витікає з принципу роботи тиристора. Відміна в тому, що для цього використовується передчасно заряджений конденсатор. Таку комутацію названо штучною, а конденсатор комутувальним. Для стійкої комутації тиристорів тривалість інтервалу β (час розряду конденсатору, що визначається його ємністю), коли до тиристора прикладена зворотна напруга (u_VS1 на рис.4.3,б), повинна бути достатньою для відновлення його запиральних властивостей β>ωt_В (t_В – час необхідний для відновлення тиристором запиральних властивостей, що задається у паспорті).

Слід відзначити, що вихідний струм інвертора і_і випереджає напругу u_Н (рис.4.3,б), тобто характер вихідного кола АІС активно–ємнісний. При активно-індуктивному навантаженні (Zн) ємність С конденсатора, що комутує, повинна бути достатньою також для компенсації реактивної потужності навантаження (Q_С >Q_LН).

Для аналізу властивостей схеми використаємо еквівалентну схему (рис.4.4), що складена для основної (першої) гармоніки. При цьому АІС представлено у вигляді джерела струму, що дорівнює І_І(1). У відповідності зі стандартним розкладанням Фур’є діюче значення першої гармоніки вихідного струму АІС

. (4.1)

Спочатку розглянемо випадок, коли навантаження активне (L_H=0). Еквівалентна провідність паралельно з’єднаних С і R_H становить

.

Еквівалентний опір кола

.

Діюче значення першої гармоніки вихідної напруги

. (4.2)

Якщо нехтувати витратами у схемі АІС, активна потужність P_d, що споживається від джерела дорівнює потужності, що віддається у навантаження P_Н

, звідки значення струму інвертору становить

. (4.3)

Підставивши значення струму із (4.3) в (4.2) отримуємо вираз

.

Після перетворення отримуємо значення вихідної напруги в функції опору навантаження

, (4.4)

де R*_H – відносне значення опору навантаження (відносно ємнісного опору) .

Згідно (4.4) вихідна напруга є нелінійною функцією від навантаження, особливо при малих навантаженнях (R_H – зростає і R*_H >1) коли напруга зростає, особливо у режимах наближених до холостого ходу.

Вираз (4.4) також показує, що вихідна напруга при незмінних параметрах навантаження є залежною від частоти вихідного струму ω, що не завжди доцільно.

Із зростанням струму навантаження (зменшенням R_H) прискорюється процес перезаряджання конденсатору С, що призводить до зменшення β. Це призводить до порушення комутації – тиристор, що виходить з роботи не встигає відновити запиральних властивостей і знову вмикається оскільки напруга на ньому позитивна. Таким чином, всі тиристори АІС ввімкнені, що призводить до короткого перемикання на вході схеми. Цей режим називають зривом інвертування, або прорив інвертора.

Недоліком АІС є також залежність форми вихідної напруги від навантаження – в режимах наближених до холостого ходу форма трикутна (перезаряджання конденсатору постійним струмом) і згладжена при збільшенні навантаження.

З принципу дії інвертору струму (рис.4.3) слідує, що вихідний струм випереджає напругу на кут β, тобто характер вихідного кола інвертора активно-ємнісний.