Ниже приводится анализ работы инвертора для индуктивной нагрузки, которая в частотном диапазоне, оптимальном для инвертора данного типа, наиболее часто встречается на практике. Однако излагаемый метод анализа пригоден и для емкостной нагрузки.
Чтобы получить основные расчетные соотношения для определения параметров схемы параллельного инвертора, токов и напряжений в ней, достаточно проанализировать работу инвертора в интервале времени перезаряда емкости С, т. е. от момента t0 до t2.
Анализ производится для одного полупериода (второй полупериод аналогичен). Отсчет времени начинается с момента t0. Дифференциальное уравнение, описывающее перезаряд емкости С в контуре, состоящем из индуктивности L" (L" = L'= L), тиристора T2, нижнего по схеме источника питания, имеет вид
(4-3)
где Uc (0) — напряжение на емкости С при t0 = 0, равное Е'0.
Решая уравнение (4-3) с помощью преобразования Лапласа, получим выражение для тока через тиристор:
(4-4)
где ω0 = 1√CL — собственная частота контура LC.
Максимального значения Iam ток ia достигает в момент, когда напряжение на индуктивности L" становится равным нулю.
Чтобы определить Iam приравниваем нулю выражение для напряжения на индуктивности L" и находим время tм, соответствующее максимальному значению тока:
ω0tм = arctgx, (4-5)
х= Е'0/ Iн√L/C
Подставив ω0tм в выражение (4-4), найдем
(4-6)
Полученная формула для тока Iam позволяет, как указывалось выше, определить максимальный ток диода:
(4-7)
Выражение для напряжения на коммутирующей емкости С легко получить с помощью (4-4):
(4-8)
Положив uC = 0, определим время, в течение которого на аноде тиристора T1 сохраняется отрицательное напряжение, т. е. схемное время выключения:
(4-9)
При расчете параметров инвертора целесообразно ориентироваться на минимум энергии, запасаемой в индуктивности L" на этапе перезаряда емкости С, т. е. к моменту отпирания обратного диода.
В этом случае потери в инверторе уменьшаются, так как меньшая мощность рассеивается в контуре L", Т2, Д2, ZZ' в то время, когда диод Д2 открыт.
Энергия, запасенная в индуктивности L" к моменту отпирания диода Д2, равна
(4-10)
Здесь можно пренебречь некоторым уменьшением тока ia к моменту отпирания диода. Это возможно, как следует из сделанных выше пояснений, благодаря малым значениям величин n.
Для удобства дальнейших вычислений введем безразмерную величину h (х), пропорциональную WL:
(4-11)
Расчеты показывают, что функция h (x) имеет минимум при xmin = 1,15, и он равен
(4-12)
где Wlmin, Iнmin, tвmin — значения величин, соответствующие минимальной энергии в индуктивности.
Казалось бы, величины L и С следует вычислять, исходя на условия xmin=1,15 и формулы (4-12). Однако этого не делают, так как при xmin=1,15 не обеспечивается минимальная энергия WL в случае, если ток нагрузки в процессе работы оказывается меньше Iнmin.
Последнее обычно встречается на практике при изменении нагрузки в процессе работы инвертора.
Величина х, как известно, обратно пропорциональна току нагрузки Iн.
Вводя в рассмотрение отношение
Iн/Iнmin=xmin/x
и используя выражения (4-10), (4-12), получим
(4-14)
Зависимости 
построены на
рис. 4-4 для Iн/Iнmin=1; 0,25; 0.
 |
Из рисунка видно, что при условии 0,75≤xmin≤1,15 величина WL мало зависит от Iн т. е. от нагрузки. Поэтому на практике xmin обычно выбирают посредине указанного диапазона, т. е. xmin = 1. |
Рис. 4-4. Зависимости для величин, характеризующих режим работы параллельного инвертора с обратными диодами и практически прямоугольной формой выходного напряжения
Зная, что 
и используя
выражения (4-10), (4-14), определяем
(4-15)
Ранее указывалось, что величина n обычно выбирается малой. Это объясняется следующими соображениями.
Средний ток тиристора за время, когда энергия индуктивности L" рассеивается в контуре L", Т2, Д2, ZZ' (от t2 до t3), равен Iam/2.
Если усредненное за это время прямое падение напряжения на тиристоре равно Uт, то энергия, рассеиваемая в тиристоре, определяется выражением
(4-16)
где tƒ определяется из (4-1).
Выражение (4-16) определяет только часть теряемой в контуре L", Т2, Д2, Z'Z энергии, предварительно запасенной в индуктивности L"; другая часть ее теряется в диоде Д2 и секции обмотки Z'Z.
Однако из этого выражения видно, что теряемая в тиристоре энергия уменьшается с ростом n. С другой стороны, при увеличении n возрастает максимальное напряжение на тиристоре 2E'0/(1—n). Наилучшее компромиссное решение получается при n= 0,1÷0,2.
Максимальный ток через тиристор для выбранного значения х может быть выражен через ток нагрузки.
Для этого используем выражение (4-6), положив х = 1. В результате получаем
Iam=l,82Iнmin. (4-17)
Для сравнения инвертора по эффективности использования тиристоров с инверторами других типов можно вычислить коэффициент использования тиристоров по мощности.
Поскольку ток через тиристоры имеет форму, близкую к прямоугольной (процесс коммутации при ƒ≤1÷2 кГц занимает малую часть периода), то вместо отношения максимального тока через тиристор к его постоянной составляющей в выражение (1-5) для kм следует подставить величину Iam/Ia0≈Iнmin/Ia0≈2. В то же время Uam/E'0 = 2/(1— n).
Соответственно с помощью (1-5) находим kм = 1—n, т. е. при выбранных величинах n = 0,l÷0,2 получаем kм = 0,8÷0,9.
При включении инвертора уже в течение первого полупериода, когда открыт тиристор Т1, емкость С заряжается до напряжения, но всяком случае большего величины Е'0, и процесс коммутации тиристоров протекает так, как это описано выше.
Следовательно, все полученные выше выражения справедливы для первого периода. Это означает, что переходный процесс при включении отсутствует, сответственно схемное время выключения при включении инвертора не уменьшается и устойчивость его не нарушается.
Расчет инвертора для схемы рис. 4-1 по заданным параметрам тиристоров и генерируемой частоте ƒ может быть произведен в следующем порядке.
Зная напряжение Uam = Ua.д, легко находим напряжение источника питания Е'0=;Uam/2 (1-n)
- По известной величине Iamд=Iam находим с помощью выражения (4-17) величину Iнmin (при сильно изменяющейся нагрузке Iнmin определяется иначе). Ранее указывалось, что ввиду малости коммутационного периода можно пренебречь возрастанием тока на короткое время свыше значения Iн и полагать его прямоугольным.
- Величину tвmin следует выбирать равной tв ном. С помощью выражений (4-15) находим величины С и L.
- Для выбора типа диодов Д1, Д2 следует определить максимальный ток через них Iдm = (Iн + Iam)/(1—n).
- Постоянная составляющая тока тиристоров Iа0 = 1,82 Iнmin/2 = 0,91 Iнmin.
На рис. 4-5 приведен еще один вариант схемы рассматриваемого инвертора, расчет которой производится точно так же, как и схемы рис. 4-1.
 |
Следует только учитывать, что напряжение на емкости С по абсолютному значению равно напряжению на аноде тиристоров. Кроме рассмотренных схем, широкое распространение получила мостовая схема, которая, по существу, представляет собой две схемы рис. 4-1, работающие со сдвигом по фазе на 180°, с общими трансформатором и коммутирующей емкостью, что делает ненужным нейтральный вывод источника питания. |
Рис. 4-5. Схема параллельного инвертора с обратными диодами и практически прямоугольной формой выходного напряжения
Наряду с таким преимуществом, как малая зависимость выходного напряжения, напряжения и тока тиристоров от нагрузки, инвертор с обратными диодами по сравнению с параллельным инвертором классического типа с большой индуктивностью имеет меньшие значения индуктивности L и емкости С.
Однако, как и в классическом параллельном инверторе, скачкообразное нарастание тока вызывает в инверторе с обратными диодами существенные потери при повышении частоты генерации.
Кроме того, к недостаткам инвертора с обратными диодами следует отнести прямоугольную форму выходного напряжения, что далеко не всегда является приемлемым.
