Вопросы терминологии и классификация инверторов. Часть 34

Продолжая тему, начатую в предыдущих частях статьи [1–3], отметим, что реальный инвертор, кроме силовой части, обычно содержит и различные вспомогательные (слаботочные) цепи (ГОСТ 18311-80), в том числе цепь (систему) управления. Системы управления-регулирования инверторов сегодня могут, в частности, иметь равное количество входов-выходов аналогичного назначения, одинаковые «обратные» связи, конструктивное исполнение, габариты и вес и выполняться на одной и той же (или подобной) элементной базе, но принципиально отличаться при этом качеством функционирования. Термины «управление» и «регулирование» применительно к автономным инверторам (АИ) имеют смысл (и их различают, так сложилось в течение минимум последних пятидесяти лет), соответственно, как операции (процесс) формирования, распределения (или «расстановки») и подачи управляющих сигналов на вентили силовой части (управление инвертором) и как «управление режимом» устройства и (или) технологическим процессом (суть – «регулирование», варьирование нагрузки, стабилизация, поддержание параметра или параметров, программное изменение и прочее). По принципу управления и способу функционирования системы управления-регулирования инверторы разделяются на устройства с независимым возбуждением, зависимым возбуждением и автогенераторные [4].

В системах с независимым возбуждением (в схеме управления) содержится отдельный маломощный источник колебаний для управления силовым инвертором, который и задаёт основную частоту выходного сигнала. При таком возбуждении в общем случае управление осуществляется от импульсов управляемого задающего генератора (преобразователя напряжения в частоту). Независимое возбуждение реализуется в том числе и в различных устройствах с «фазовой автоподстройкой частоты».

В классическом представлении определение моментов включения вентилей на каждом интервале повторяемости при зависимом возбуждении (инвертора) «производится времязадающими или фазосдвигающими устройствами, синхронизируемыми выходным напряжением или током инвертора». В общем случае синхронизация может осуществляться не только выходным напряжением или током инвертора, но и любым другим сигналом или комбинацией сигналов (в любой цепи силовой схемы инвертора и нагрузки, если это обоснованно и/или необходимо), а синхронизирующий сигнал (комбинация сигналов) преобразуется цепью управления по амплитуде и фазе, или, точнее, временно¢му сдвигу (классическое представление) в сигналы управления вентилями [4–6].

Примером мощных автогенераторных устройств (инверторов) могут служить ламповые генераторы для электротехнологии (в них есть и положительная обратная связь, и контроль фаз сигналов обратной связи, а также выполняются необходимые и достаточные «условия», или балансы фаз и амплитуд). В ГОСТ 24346-80 под «самовозбуждением» понимается «возбуждение колебаний (вибрации) системы поступлением энергии от неколебательного источника, которое регулируется движением самой системы». Наиболее же широко на практике используются маломощные автогенераторные устройства (инверторы).

АИ выполняются по следующим схемам (имеются в виду силовая часть и способ соединения вентилей схемы): одноключевым или четвертьмостовым (quarter-bridge), нулевым (with zero terminal), полумостовым (half-bridge), мостовым (full-bridge) однофазным и многофазным, одно- и многоячейковым (multiple connection, multicellular), а также составным (composite circuit, при питании от нескольких источников по числу секций инвертора). К многоячейковым относятся, в частности, «многоуровневые» (multi-level inverter) и «матричные» (matrix inverter) схемы.

Однонаправленная («нулевая», оригинальный перевод в самом источнике) схема преобразователя, по IEV (551-15-12, single-way connection (of a converter)), определяется как «преобразовательное соединение, такое, что ток через каждую из фазных клемм цепи переменного тока является однонаправленным». В [7] нулевая схема, называемая также «однонаправленной», – это «схема преобразователя, в которой ток через каждый из фазных выводов цепи переменного тока протекает только в одном направлении». Заметим, что название «нулевая схема» для инверторов получило распространение от вводимых в силовую часть в некоторых технических решениях выходных трансформаторов с «нулевыми выводами» (в первичных обмотках) и для АИ определения «нулевой схемы» из IEV и [7] неприменимы (кроме того, их также можно отнести и в общем к неудачным). В [8] рассмотрены варианты «нулевых схем» инверторов тока без выходных трансформаторов. Определяющим для всех «нулевых схем» инверторов является использование в соединении вентилей только одной группы (анодной, катодной, коллекторной или эмиттерной, истоковой и т.д.) и замена вентилей другой группы на обмотки, в частности от одного или нескольких нагрузочных трансформаторов, или на реакторы (см. рис. 1).

Многоячейковым устройством, со-гласно IEV (multiple connection, multi-connected converter), называется преобразователь (инвертор), «состоящий из двух или более преобразовательных блоков, соединённых параллельно или последовательно или параллельно и последовательно, каждый из которых является действующим преобразователем». В [7] же со ссылкой на МЭС 551-12-41 дано следующее неудачное определение многоячейкового преобразователя: «Электронный преобразователь, состоящий из двух или более преобразовательных блоков, каждый из которых работает самостоятельно». Многоячейковость традиционно предполагает «идентичность» составляющих инвертор преобразовательных ячеек. При этом каждая из ячеек может преобразовывать постоянный ток в переменный (является полнофункциональной) и сохраняет работоспособность при отключении или закорачивании остальных ячеек (или их части). Многоячейковость в инверторах используется и сегодня, в частности для увеличения выходной частоты или мощности устройства, улучшения гармонического состава и (или) регулирования выходного сигнала, разгрузки входных фильтров, а также для снижения требований к вентилям по предельным токам и напряжениям или частотным свойствам.

В качестве дополнительного (уточняющего) классификационного признака для АИ можно применить также и понятие (наличие явления или принцип) «умножения (выходной) частоты (инвертором)». Если полный цикл работы всех вентилей инвертора равен периоду выходной частоты, то АИ относится к устройствам без умножения частоты. В случае же если время цикла работы всех вентилей превышает период выходной частоты, инвертор следует относить к устройствам с умножением частоты. Умножение частоты, очевидно, может быть получено как за счёт применения специального алгоритма управления (инверторы с «ударным возбуждением» или «ударной генерацией», релаксаторы [9] второго вида), так и за счёт самого схемотехнического решения (удвоители частоты, несимметричные инверторы, инверторы с выходными трансформаторами, многоячейковые схемы умножения частоты). Для примера рассмотрим классическую схему однофазного мостового согласованного (резонансного) инвертора с удвоением частоты (см. рис. 2).

Если нагрузка R_H в этой схеме включена в диагональ переменного тока (симметричная схема) вентильного моста (V₁…V₈), умножения (удвоения) частоты нет. В случае же включения нагрузки R_H в цепь разделительного конденсатора (С₀, удвоение частоты, несимметричная схема) период выходной частоты в два раза меньше времени полного цикла работы всех вентилей схемы (V₁…V₈). При этом заметим, что схему с нагрузкой R_H в цепи разделительного конденсатора С₀ можно считать «двухьячейковым» инвертором с преобразовательными ячейками в виде полумостов.

Инверторы имеют открытый или закрытый вход. При открытом входе цепь источника питания инвертора обладает «малым» или «близким к нулю» [10] сопротивлением (импедансом) для переменной составляющей потребляемого тока основной частоты. При высоком сопротивлении цепи источника питания для переменной составляющей тока инвертор имеет закрытый вход. В частности, классический инвертор тока (а также нулевой инвертор тока (см. рис. 1), инвертор тока с квазирезонансной коммутацией (см. рис. 2 [2]) и согласованные инверторы (см. рис. 1 [2] и рис. 2)) реализуется с закрытым входом, что (автоматически) обеспечивается элементами самой схемы (дроссель в цепи постоянного тока высокой индуктивности). Закрытый (или открытый) вход может быть также организован и за счёт дополнительных компонентов схем, например соответствующего фильтра на входе инвертора.

В заключение отметим, что оптимальный выбор автономного инвертора, способного удовлетворить заданным техническим требованиям (конкретной задаче), должен основываться на тщательном и всестороннем сопоставлении характеристик различных схем и типов инверторов (в соответствии, в том числе, с приведённой в статье классификацией).

Автор предлагает специалистам обсудить на страницах журнала проблемы, касающиеся применяемой сегодня в силовой электронике, в том числе в инверторной преобразовательной технике, терминологии на русском и английском языках.

Литература

1. Силкин Е. Вопросы терминологии и классификация инверторов. Часть 1. Современная электроника. 2018. № 6. С. 74–78.
2. Силкин Е. Вопросы терминологии и классификация инверторов. Часть 2. Современная электроника. 2018. № 7. С. 96–99.
3. Силкин Е. Вопросы терминологии и классификация инверторов. Часть 3. Современная электроника. 2018. № 8. С. 90–95.
4. Силкин Е. Элементы классификации автономных инверторов и свойства согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Часть 2. Силовая электроника. 2017. № 5. С. 58–66.
5. Silkin E.M. Method for controlling resonance-tuned inverter with diodes connected in parallel opposition. Derwent Industry and Technology Patents Profiles, Thomson Scientific, 2001. рp. 124–126.
6. Силкин Е.М. Управление по вычисляемому прогнозу параллельным инвертором тока со стабилизирующим диодом. Тез. Докл. ВНТК, посвящ. микроэлектронике в машиностроении, 14–16 ноября 1989 г. Ульяновск, 1989. С. 81–84.
7. Силовая электроника: краткий энциклопедический словарь терминов и определений /под ред. Ф.И. Ковалёва и М.В. Рябчицкого. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 90 с.
8. Силкин Е. Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной коммутацией. Силовая электроника. 2005. № 3. С. 84–87.
9. Силкин Е. Автономные несимметричные одноключевые инверторы с закрытым входом для новых электротехнологических систем. Силовая электроника. 2008. № 2. С. 110–117.
10. Ивенский Г.В., Писклов А.Е. Принципы построения схем и классификация резонансных автономных инверторов. Электротехническая пром-сть. 1972. Вып. 7. С. 15–17.