Автономным (самокоммутируемым и независимым) инвер­тором является преобразователь, выходные параметры кото­рого (форма, амплитуда, частота выходного напряжения) оп­ределяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы в отличие от инвертора, ведомого сетью, выходные параметры которого определяются параметрами сети.

В автономных инверторах коммутация вентилей осуществ­ляется либо включением и выключением полностью управ­ляемых полупроводниковых приборов, либо с помощью уст­ройств принудительной коммутации, входящих в состав схе­мы преобразователя и создающих коммутируемое напряже­ние, обеспечивающее включение не полностью управляемых полупроводниковых приборов.

Принцип действия автономного инвертора можно проил­люстрировать рис. 5.13, а. Если переключать попарно через полупериод 772 ключи К1, КЗ и К2, К4, то график напряже­ния Uab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплиту­дой Uab = U и частотой f = 1/Т (см. рис. 5.13, б). При ак­тивной нагрузке форма кривой тока будет повторять кривую напряжения. В схеме рис. 5.13, а очень просто увеличить число фаз, для чего нужно добавить пару ключей и подклю­чить нагрузку к точкам между ними (штриховые линии на рис. 5.13, а). В трехфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разница состоит лишь в том, что ис­точник питания и нагрузка поменялись местами.

б

Форму выходного напряжения и, следовательно, его гар­монический состав можно менять, изменяя продолжитель­ность включенного СОСТОЯНИЯ tі и момент включения Ґ пары ключей (штриховая линия на рис. 5.13, б).

Процессы усложняются при активно-индуктивной нагруз­ке. При этом схема (рис. 5.13, а) окажется неработоспособ­ной, поскольку при разрыве такой цепи напряжения на ключах достигнут бесконечно большой величины. Для обес­печения нормальной работы ключи шунтируют диодами, а источник питания, если его внутреннее сопротивление вели­ко — конденсатором (рис. 5.14, а). При прямоугольной форме напряжения, кривые тока будут состоять из участков экспо­нент (рис. 5.14, б). Напряжение и ток имеют различную форму и гармонический состав, первые гармоники тока и напряжения сдвинуты относительно друг друга на некото­рый угол.

Преобразование постоянного напряжения в переменное может осуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковых ключей. За последние годы в области средних и больших мощностей до 1000 кВт начинают широ­ко применяться инверторы на IGBT. Несмотря на более вы­сокую стоимость по сравнению с традиционными тиристора­ми, они представляют разработчикам более широкие воз­можности формирования напряжения и тока.

По характеру процессов, протекающих в автономных ин­верторах, их разделяют на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ).

Инвертор напряжения — инвертор, питаемый от цепи по­стоянного тока с преобладающими свойствами (характери­стиками) источника напряжения.

Схема (см. рис. 5.14, а) представляет собой инвертор на­пряжения, именно оно формируется принудительно, а ток существенно зависит от нагрузки. В схеме АИН источник по­стоянного напряжения подключен непосредственно к ключе­вым элементам, которые периодически с изменением поляр­ности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается переменным напряжением, Нагрузка в этом случае должна носить индуктивный или активно­индуктивный характер.

Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутации ключей часть энергии, накопленной в индуктив­ной нагрузке, возвращают в цепь источника постоянного на­пряжения. С этой целью ключевые элементы шунтируют быстро восстанавливающимися диодами, включенными «об­ратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды называют «обратными» диодами. Последние обеспечивают путь для протекания тока на интервалах вре­мени, на которых знаки тока и напряжения противоположны.

В АИН с трехфазным выходом минимальное число управ­ляемых ключей равно шести (рис. 5.15, а). Номера ключей соответствуют очередности вступления их в работу, пред­ставленной на диаграмме (рис, 5.15, б). Логика работы клю­чей: в каждой фазе обязательно должен быть замкнут один и только один из ключей в каждой паре (S1 или S4; S3 или S6; S5 или S2), В том случае, когда длительность открытого со­стояния каждого ключа равна п (и, следовательно, в откры­том состоянии всегда находятся три ключа) кривые фазных UaOi иьо, Ucо и линейного напряжения ипЬ, при соединении на­грузки по схеме звезда, имеют вид, показанный на рис. 5.15, а и г.

В выходном напряжении трехфазного мостового инверто­ра отсутствуют гармоники, кратные трем. Относительное значение 5-й гармоники равно 20 % основной, 7-й — 14,3 %, 11-й — 9 %, 13-й — 7,7 % и т. д.

С появлением мощных IGBT и IGCT стало возможным построение инверторов напряжения по многоуровневым схе­мам с ШИМ-управлением. Наибольшее распространение в мировой практике для электроприводов среднего напряжения получила схема трехуровневого (трехточечного) инвертора, называемая NPC (neutral point clamp), позволяющая при ис­пользовании полупроводниковых приборов класса напряже-

Рис. 5.15. Схема автономного трехфазного мостового инвертора напряжения (а). Диаграмма интервалов времени открытого состояния ключей (б). Гра­фики фазных (в) и лииейиого (г) напряжений на выходе инвертора

ния 4,5 кВ построить преобразователи частоты на напряже­ние до 4,2 кВ без использования согласующих трансформато­ров,

Достоинствами АИН являются: жесткая внешняя характе­ристика, независимость формы выходного напряжения от параметров нагрузки, возможность работы при переменной частоте и, в частности, при низких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).

Инвертор тока — инвертор, питаемый от цепи постоян­ного тока с преобладающими свойствами источника тока.

Внешне АИТ похожи на АИН, имеют аналогичную струк­туру (рис. 5.16, а), однако процессы в них существенно раз­личаются. Основное различие — в способе питания: на входе АИТ включен реактор Ld, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты АИТ. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока и он получает пи­тание от источника тока. Напряжение — зависимая перемен­ная (рис. 5.16, б]. Индуктивность сглаживающего реактора Ld оказывает существенное влияние на динамические характе­ристики АИТ. В частности, чем меньше Ld, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходе АИТ при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.

В АИТ ключевые элементы изменяют направление тока в нагрузке (но не его мгновенное значение), так что нагрузка

питается как бы от источника тока, что и нашло свое отра­жение в соответствующей терминологии — инвертор тока.

Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (см. на рис. 5.16, а конденсатор Ск), так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу схемы.

К числу достоинств АИТ относится сравнительно хорошая форма кривой выходного напряжения при наличии на выхо­де параллельного конденсатора. Основными недостатками АИТ являются падающая внешняя характеристика и зависи­мость величины и формы кривой выходного напряжения от частоты, в связи с чем обычно АИТ используется в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.