Элементы классификации автономных инверторов и свойства согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Часть 1
…и нет ничего нового под солнцем. Бывает нечто, о чем говорят: «смотри, вот это новое»;
но это было уже в веках, бывших прежде нас. Нет памяти о прежнем; да и о том, что будет, не останется
памяти у тех, которые будут после.
Екклесиаст
— Элемент необъясненности имеется, порыв снизу… Почему я и рекомендовал. Эта… — сказал он старику. — Объясни, мон шер, товарищам, что тут у тебя к чему.
Старичок словно взорвался.
— Высочайшие достижения нейтронной мегалоплазмы! — провозгласил он. — Ротор поля наподобие дивергенции градуирует себя вдоль спина и там, внутре, обращает материю вопроса в спиритуальные электрические вихри, из коих и возникает синекдоха отвечания…
У меня потемнело в глазах. Рот наполнился хиной, заболели зубы, а проклятый нобль вё все говорил и говорил…
А. Стругацкий, Б. Стругацкий
Первые в мире публикации об инверторах и инвертировании (одном из основных способов преобразования электрической энергии) относятся к первой половине 20-х годов прошлого века [11, 12]. То есть инверторы, в том числе как класс сложных электрических цепей, имеют почти вековую историю. И отечественная наука, в первую очередь в советский период, внесла в эту область промышленной (силовой, энергетической) электроники исключительно значимый и признанный вклад.
К настоящему времени опубликовано огромное число работ по инверторным (электротехническим) устройствам, и даже поверхностно проанализировать их в сколько-нибудь «полном перечне» не представляется возможным. Тем не менее автор считает необходимым высказать некоторые соображения по данной теме общего и частного характера (касающиеся, в том числе, и такого важного вопроса, как классификация инверторных схем).
Согласно СТ МЭК 50(151)-78, инвертором является преобразователь электрической энергии, который преобразует ток одного направления в систему переменных токов. А в ГОСТ 23414-84, в частности, полупроводниковым инвертором (или просто инвертором) называют полупроводниковый преобразователь электроэнергии, предназначенный для преобразования постоянного тока в переменный. В Википедии инвертором же обозначено устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением напряжения.
Статические инверторы (преобразовательные устройства, не имеющие вращающихся частей, т. е. электронные, полупроводниковые), как это принято в отечественной практике, разделяют на зависимые, или ведомые сетью, и автономные, называемые также независимыми. Здесь следует заметить, что существует еще один класс устройств силовой электроники для получения переменного тока — преобразователи частоты с неявно выраженным (или скрытым) звеном постоянного тока (конвертеры), преобразующие ток одной частоты (например, сетевой) в переменный ток другой частоты, но в настоящей статье они не рассматриваются.
Дать адекватное определение зависимому инвертору, опираясь на известные источники, сегодня довольно непросто. По ГОСТ 23414-84 ведомый инвертор — это полупроводниковый инвертор, в котором коммутация полупроводниковых приборов осуществляется под действием напряжения, обусловленного внешними — по отношению к полупроводниковому инвертору — источниками электроэнергии. В классической и «новой» литературе [12–22] приводятся отличающиеся определениия этого типа устройств. Инверторный режим [16] возникает при работе управляемого выпрямителя на индуктивную нагрузку или нагрузку с противо-ЭДС (электродвижущая сила). То есть наличие отдельного источника постоянного тока даже не является строго обязательным. Ток в зависимом инверторе протекает, в том числе, за счет ЭДС самоиндукции или ЭДС, например, электрической машины, а напряжение сети переменного тока также включается встречно напряжению (и энергия передается в сеть) преобразователя [16]. Выпрямитель с фазовым управлением и ведомый сетью инвертор [12] работают похожим образом, и любой из этих режимов может быть осуществлен в одной и той же схеме. В некотором отношении, согласно [12], изменение названия не является необходимым, так как указанный вид инвертирования, по существу, является выпрямлением с таким глубоким фазовым управлением, что выпрямленное напряжение становится (при определенной нагрузке) отрицательным. В [13] к зависимым, или ведомым сетью, инверторам относят преобразователи, питающие сеть переменного тока, в которой имеются другие источники энергии со значительно большей мощностью (посторонние источники синусоидального напряжения, которые можно считать источниками бесконечно большой мощности). Там же, в [13], дается несколько иное определение зависимого инвертора, как устройства, на стороне переменного тока которого, кроме самого инвертора, есть другой источник энергии той же частоты. В упомянутом источнике указано, что инверторы, ведомые сетью, довольно широко применяются в технике: в электрической тяге и электроприводе для рекуперации электрической энергии при торможении двигателей постоянного тока; в электроприводе по схеме вентильного каскада для возвращения в сеть переменного тока энергии скольжения из ротора синхронного двигателя; для передачи электроэнергии из линии электропередачи постоянного тока в линию переменного тока; в различного рода испытательных установках для возвращения энергии в сеть переменного тока, и т. д. [16, 23, 24]. В [14] инвертором, ведомым сетью, называют преобразователь, работающий на сеть с источником ЭДС, в котором коммутация вентилей обеспечивается ЭДС сети. В [15], аналогично [13], к ведомым сетью инверторам относят устройства, на стороне переменного тока которых действуют другие источники энергии. В [16] рассматривается работа различных типов управляемых выпрямителей в инверторных режимах. В [17], подобно [13], определено, с некоторым снижением общности, что ведомым сетью (или зависимым) инвертором называется инвертор, работающий на сеть, в которой имеются мощные источники переменного тока. Инвертор, ведомый сетью (зависимый инвертор), передает энергию из сети постоянного тока в сеть переменного тока, напряжение и частота в которой заданы другими, более мощными источниками переменного тока [17]. В качестве практически важных примеров применения зависимых инверторов в [17] рассмотрены системы передачи энергии постоянным током и вставки постоянного тока. В [18] инверторы классифицируют по принципу коммутации на ведомые сетью и автономные. Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. В [19] инверторами, ведомыми сетью, названы устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и способные работать на нагрузки, содержащие источники электрической энергии. В [20] отмечается, что инвертированием в силовой электронике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное, то есть процесс, обратный выпрямлению, а устройства, осуществляющие такое преобразование, являются инверторами. Авторы [20] различают два типа инверторов: зависимые, или ведомые сетью; и независимые (автономные). Зависимый инвертор работает при условии наличия в его выходной цепи источника переменного напряжения, который задает форму, частоту и величину напряжения образованной им сети переменного напряжения. В этой сети могут находиться потребители переменного тока, и задача зависимого (от этой сети) инвертора сводится к поставке в эту сеть недостающей или дополнительной активной мощности [20]. В [21] процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока при наличии сети переменного тока, созданной каким-то другим источником энергии переменного тока, называют зависимым инвертированием. Автор [21] обращает внимание на то, что теперь им вместо термина «управляемый выпрямитель» используется термин «вентильный преобразователь», ибо речь пошла о двух возможных режимах работы одного и того же устройства — режиме управляемого выпрямления и режиме зависимого инвертирования. В тех же случаях, когда режим зависимого инвертирования является единственным (длительным), такое устройство преобразования постоянного напряжения в переменное, частота, форма и величина которого определены другой существующей сетью, называют зависимым инвертором, или инвертором, ведомым сетью. Назначение зависимого инвертора в этом случае сводится к поставке дополнительной активной мощности в существующую систему переменного напряжения. Рассмотренные ситуации, пишет далее автор [21], показывают, что выпрямители и зависимые инверторы имеют одинаковые принципиальные схемы преобразования, но зависимые инверторы не могут быть выполнены на неуправляемых вентилях. С примером использования зависимого инвертора [20] мы сталкиваемся в системе передачи электрической энергии постоянным током при связи двух энергосистем переменного напряжения. При этом на передающем конце линии выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное, а на приемном конце зависимый инвертор преобразует постоянный ток в переменный, добавляя в приемную энергосистему свою активную энергию [20]. Возможна смена функций вентильных преобразователей на обратные для обращения потока активной мощности в линии постоянного тока. Взаимная обратимость функций выпрямления и зависимого инвертирования позволила построить их теорию на базе единой методологии [20]. В [22] указывается, что термин «инвертирование» впервые был применен именно для обозначения процесса, обратного выпрямлению, то есть такого процесса, при котором поток энергии поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым, или ведомым сетью [22]. Выходная частота и напряжение зависимого инвертора соответствуют параметрам сети. И только исторически термин «инвертор» в преобразовательной технике распространился на все типы статических преобразователей электрической энергии постоянного тока в переменный [22].
Из краткого обзора инверторов, ведомых сетью, явно просматривается «некоторая» ограниченность приведенных формулировок. Действительно, согласно перечисленным определениям, зависимыми инверторами можно назвать, например, инверторные генераторы (каждый в отдельности), используемые в системах централизованного питания в электротермии. А в современных распределенных системах с элементами «альтернативного» электроснабжения, содержащих статические преобразователи инверторного типа, вращающиеся генераторы, солнечные (и просто) батареи и прочие элементы, в зависимости от режима (и времени) одни и те же инверторы возможно относить и к автономным, и к зависимым. Можно привести и другие аналогичные примеры. Поэтому справедливо, вероятно, инверторами, ведомыми сетью, как это сложилось исторически, называть управляемые выпрямители, работающие в инверторном режиме. Все остальные статические преобразователи постоянного тока в переменный следует классифицировать иначе (по мнению автора, правильнее — как автономные, или независимые, инверторы).
К вопросу инверторов, ведомых сетью, необходимо добавить следующее замечание: сегодня в специальной литературе для преобразовательных устройств используется много определений, заимствованных из зарубежных источников. Известен, в частности, термин «grid-tie invertеr». В Википедии, например, относительно данного понятия утверждается, что в русском языке для обозначения указанных устройств используется слово «зависимый» или «ведомый инвертор». По мнению автора статьи, применение такого соответствия нельзя считать правильным — хотя бы потому, что здесь речь идет о сложных преобразовательных устройствах, имеющих, как правило, несколько каскадов преобразования энергии (как от двух и более инверторов, которые можно отнести к автономным, так и от одного и более выпрямителей в структуре одного преобразователя). Кроме того, насколько известно, с начала 30-х годов для обозначения инвертора, ведомого сетью, в англоязычной литературе использовались термины «grid controlled rectifier» или «grid controlled invertеr».
Можно констатировать, что и с определением «автономный (независимый) инвертор» в доступных технических источниках также не все однозначно. Согласно ГОСТ 23414-84, автономный полупроводниковый (или просто автономный, независимый) инвертор — это полупроводниковый инвертор, в котором коммутация полупроводниковых приборов осуществляется под действием напряжения, обусловленного элементами, входящими в состав полупроводникового инвертора. Причем словосочетание «независимый инвертор» определено в стандарте как недопустимый синоним. А что же в известной литературе по инверторам? Например, в [22] автономным (независимым) инвертором называется преобразователь электрической энергии постоянного тока в переменный, выходные параметры которого (форма, амплитуда и частота выходного напряжения) определяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы. Согласно [21], автономный инвертор может работать при условии отсутствия на его выходе каких-либо источников переменного напряжения. При этом частота выходного напряжения автономного инвертора [21] определяется частотой импульсов управления вентилями, а форма и величина выходного напряжения — характером и величиной нагрузки и, в определенной мере, схемой автономного инвертора. Автономные вентильные преобразователи [17] не связаны (?) с мощной электрической сетью переменного тока: в качестве источника энергии они используют источники постоянного тока. Таким источником (согласно [17]) может быть выпрямитель, преобразующий энергию сети переменного тока, аккумуляторы или другие источники постоянного тока. Автономные преобразователи работают на автономную, отделенную от других источников энергии нагрузку постоянного или переменного тока. В [19] к автономным инверторам относят преобразователи электрической энергии, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и способные работать на нагрузки, не содержащие источники электрической энергии. В [15, 18] автономными инверторами называют устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной (неизменной) или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. У автономного инвертора, согласно [15], на стороне переменного тока нет другого источника энергии. В [13] приводится практически аналогичное [15] определение автономного инвертора. Устанавливается, что цепь переменного тока, питаемая инвертором, может и не иметь других источников энергии, тогда (и только тогда) инвертор является независимым, или автономным [13]. Согласно этой публикации, в отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет другого источника энергии той же частоты, кроме самого инвертора. В [25] рассмотрены, согласно данного технического источника, только автономные инверторы. Автономными преобразователями названы устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой. В [26] разделения инверторов на зависимые и автономные вообще нет. В этой публикации утверждается, что инвертирование представляет собой преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока при заданных напряжении или токе и частоте. В [27, 28] также отсутствует разделение инверторов на зависимые и автономные. Инверторы, как определяется в [27], преобразуют мощность постоянного тока в мощность переменного тока с регулируемым напряжением и частотой. Эти устройства, как отмечает автор, применяются при индукционном нагреве, в источниках бесперебойного питания, на линиях электропередачи высокого напряжения на постоянном токе и при регулировании скорости вращения электродвигателей переменного тока. Согласно [28], все преобразователи постоянного тока в переменный, в том числе нагружаемые на сеть переменного тока, называются инверторами (без каких-либо уточнений).
Очевидно, отсутствие связи с мощной электрической сетью и другими источниками (в том числе переменного) тока, способность работать на нагрузку, не содержащую источников энергии, или автономность нагрузки, «отделенность» нагрузки от других источников энергии постоянного или переменного тока не могут являться определяющими параметрами для отнесения инвертора конкретного типа к независимым устройствам. Обоснованным представляется, что к классу автономных инверторов следует относить преобразователи электрической энергии, содержащие все необходимые и достаточные элементы, системы (цепи) и функции для обеспечения основного назначения — преобразования постоянного тока в переменный. То есть вывод, что все инверторы (кроме выпрямителей, работающих в инверторном режиме, или, иначе, инверторов, ведомых сетью) относятся к автономным устройствам, по мнению автора, имеет право на существование. Поэтому далее в тексте автономные инверторы называются просто инверторами, без дополнительного уточнения, что инвертор является автономным (кроме случаев, где, по мнению автора, такое упоминание все-таки необходимо, и при цитировании).
Довольно продолжительное время инверторы, в том числе для электротехнологических установок, классифицировались (да и сейчас нередко разделяются) по виду электрической схемы компенсации реактивной мощности нагрузки — в частности, на параллельные, последовательные, параллельно-последовательные и последовательно-параллельные [12, 13, 28–32]. Такая классификация является неточной и неудобной и не позволяет однозначно охарактеризовать принцип действия и работу конкретного инвертора на заданную нагрузку или нагрузочную цепь (при этом принципиально различные устройства могут относиться к одному классу). Сказать «параллельный инвертор» (или последовательный, параллельно-последовательный и проч.) в настоящее время — это почти ничего не сообщить об упоминаемом устройстве.
Важнейшим же классификационным признаком для инверторов, безусловно, следует считать характер электромагнитных процессов в силовой части (фактически — принцип действия). Другие признаки, в частности тип схемы компенсации реактивности нагрузки и схемы вентильного блока, число фаз, вид коммутации, место включения нагрузки, вариант подключения источника энергии, тип используемых вентилей, вид возбуждения, способ регулирования и прочее, являются второстепенными и уточняющими. Только определение характерных особенностей электромагнитных процессов позволяет однозначно понять, с каким устройством мы имеем дело, какой оно обладает внешней характеристикой, какие имеет переходные режимы, какие у него предельные энергетические параметры, как его анализировать, как им управлять, как правильно проектировать на его основе преобразователь, где и как его можно эффективно применить.
В начале 60-х годов ХХ в. в отечественной практике автономные инверторы стали разделять на инверторы тока и напряжения на основе именно различия в характере электромагнитных процессов в их схемах и принципе функционирования. К середине 60-х годов эта классификация получила распространение. Выделение же резонансных инверторов в самостоятельный класс произошло в начале 70-х годов (что связано с совершенствованием и широким внедрением к тому времени однооперационных тиристоров, для которых было разработано много новых схем). И только во второй половине 70-х годов термин «резонансный инвертор» стал относительно регулярно употребляться в технической литературе многими специалистами.
Уместно привести некоторые исторические факты, относящиеся к вопросу. Наиболее ранней, известной автору статьи, работой, где упоминаются и инверторы тока, и инверторы напряжения, является публикация Ю. Г. Толстова [33]. В работе Ю. Г. Толстова и А. Г. Придаткова [34] словосочетание «автономный инвертор тока» (1965 г.) уже было вынесено в название статьи. На научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития полупроводниковой техники и преобразовательных устройств на ее основе», проходившей в ВЭИ им. В. И. Ленина в 1966 г., были опубликованы несколько докладов (В. Е. Скороваров, Н. И. Эпштейн, Г. Н. Горбачев, Г. С. Зиновьев и др.), касающихся, в том числе, классификации автономных инверторов, как отмечено в [35], по принципу работы. Разделение автономных инверторов на инверторы тока и инверторы напряжения стало общепризнанным. Позднее, уже в 70-х годах, Ю. Г. Толстовым по вопросу классификации инверторных устройств, в частности в [14], записано, что автономные инверторы можно разделить на два больших класса: инверторы тока и инверторы напряжения. Хотя такое деление [14] в значительной мере условно и существует ряд переходных групп и схем, которые трудно отнести к одному из этих классов, тем не менее оно оказалось полезным с методической точки зрения. Ко времени выхода [14] термин «резонансный инвертор» был уже известен и применялся в работах других авторов. Еще в 1971 г. была опубликована статья В. Ф. Дмитрикова [36], в которой анализировались коммутационные процессы в последовательном, названном резонансным, инверторе с обратными диодами. В 1972 г. в [37] Г. В. Ивенский и А. Е. Писклов привели классификацию автономных резонансных инверторов. В этой статье резонансными инверторами названы преобразователи, в которых, благодаря применению последовательного резонансного LC-контура, ток управляемого вентиля в течение всего интервала проводимости изменяется во времени по колебательному закону. Обычно он (ток), как отмечено в [37], близок по форме к полуволне синусоиды, поэтому скорости нарастания анодного тока diA/dt небольшие. Авторы также пишут, что источник питания резонансного инвертора представляет собой генератор ЭДС или тока. В качестве генератора ЭДС используется выпрямитель с емкостным фильтром или аккумуляторная батарея. Инверторы, питающиеся от генератора ЭДС, можно назвать инверторами с открытым входом, поскольку цепь источника их питания практически не обладает сопротивлением для переменной составляющей тока. В качестве генератора тока используется также выпрямитель или аккумуляторная батарея, но при этом в цепь питания инвертора должен быть включен реактор с большой индуктивностью. Инверторы, питающиеся от генератора тока, можно назвать инверторами с закрытым входом. Далее авторы отмечают, что формально инверторы, питающиеся от генератора ЭДС, можно было бы назвать инверторами напряжения, а питающиеся от генератора тока — инверторами тока. Однако [37] для резонансных инверторов это нецелесообразно, так как в большинстве из них кривые напряжений и токов через вентиль имеют форму, не характерную ни для инверторов тока, ни для инверторов напряжения. Заметим, что подобное описание для автономных резонансных инверторов, как самостоятельного класса вентильных схем, сегодня кажется исчерпывающим. В заключение же Г. В. Ивенским и А. Е. Пискловым указывается, что приведенная ими классификация резонансных автономных инверторов позволяет ориентироваться в многообразии схем резонансных инверторов, детально сравнивать различные схемы, а также разработать общую методику их расчета [37].
В [14] установлено, что для обеспечения принципа работы инвертор тока должен питаться от источника тока с бесконечно большим внутренним сопротивлением. В реальных же условиях питание инвертора производится либо от источника напряжения (аккумуляторной батареи) со сравнительно малым внутренним сопротивлением, либо от выпрямителя, который, вследствие малости внутреннего сопротивления, скорее может быть отнесен к источникам напряжения, нежели к источникам тока. Однако если между источником питания и инвертором, написано далее в монографии, включить достаточно большую индуктивность LD, то почти все сказанное относительно принципов работы инвертора от источника тока может быть отнесено и к этому случаю. В [13] также, в зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов, автономные инверторы разделяют на два (основных) типа: инверторы тока и инверторы напряжения. Согласно [13], для инверторов тока характерно то, что они формируют в нагрузке ток (под нагрузкой в данном случае подразумевается параллельное соединение ZН и СК), а форма напряжения зависит от параметров нагрузки. Источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включается реактор (LD) с большой индуктивностью, выполняющий также функции фильтра высших гармонических напряжений, так как к нему прикладывается разность между выходным и входным напряжением, который препятствует разряду конденсатора на источник питания во время коммутации тока в вентилях и обеспечивает апериодический режим работы инвертора, характеризующийся малыми пульсациями входного тока и малой зависимостью формы инвертированного напряжения от нагрузки. Внешняя характеристика инвертора тока «мягкая» [13]. Инверторы же напряжения формируют в нагрузке напряжение, а форма тока зависит от характера нагрузки. Источник питания инвертора напряжения работает в режиме генератора напряжения (аккумуляторная батарея), а если инвертор питается от выпрямителя, то на его входе ставится конденсатор достаточно большой емкости (С0) для обеспечения проводимости источника постоянного напряжения в обратном направлении. Инвертор напряжения может работать в режиме холостого хода, и внешняя характеристика его «жесткая» [13]. В инверторе напряжения применяются полностью управляемые вентили (запираемые тиристоры и транзисторы) и неполностью управляемые вентили («обычные» тиристоры). Следует отметить, записано далее в [13], что понятия «инвертор тока» и «инвертор напряжения» были бы строгими, если бы, во-первых, не нарушалось равенство LD = ∞, а во-вторых, С0 = ∞. Практические схемы автономных инверторов в большей или меньшей степени приближаются к этим понятиям в зависимости от величин LD и С0. Инверторы с малыми значениями LD и С0 занимают промежуточное место между инверторами тока и инверторами напряжения. Интересно, что в [13], как и, например, в [12], все-таки рассматриваются также и (пользуясь современной терминологией) резонансные инверторы, хотя называются они иначе — «последовательными инверторами». Последовательные инверторы имеют, согласно [13], последовательную резонансную цепочку LC, с помощью которой обеспечивается коммутация тока вентилей. У большинства основных схем инверторов [12] в момент запирания тиристора возникает пульсирующий ток колебательного характера, а резонансная частота схемы определяет продолжительность прохождения затухающего синусоидального импульса тока через тиристор, резонансную цепочку и нагрузку.
В [15] дано уже четкое разделение автономных инверторов на три основных класса: инверторы тока; инверторы напряжения; резонансные инверторы. В инверторах тока источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включен реактор LD с большой индуктивностью, при питании же инвертора от источника с характеристиками, близкими к источнику тока, реактор LD может отсутствовать. Баланс реактивной мощности в инверторе тока обеспечивается коммутирующими и компенсирующими конденсаторами, которые могут быть включены по отношению к нагрузке параллельно, последовательно, последовательно-параллельно. Инверторы тока имеют близкую к синусоидальной кривую выходного напряжения, относительно малые пульсации входного тока, возможность реверса направления потока мощности без изменения направления (?) тока (при переходе в выпрямительный режим). В инверторе напряжения, в соответствии с [15], конденсатор С0 выполняет функции фильтра высших гармонических тока, так как по нему протекает разность между выходным и постоянным в пределах полупериодов (?) входным током, источник питания инвертора напряжения работает в режиме генератора напряжения. Здесь же отмечается, что инверторы напряжения характеризуются относительной стабильностью выходного напряжения при изменении выходной частоты в широких пределах. В резонансных инверторах нагрузка, имеющая, как правило, значительную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур. В отличие от инверторов тока, в резонансных инверторах ток управляемого вентиля в течение всего времени проводимости изменяется по колебательному закону, выключаются же тиристоры благодаря плавному спаданию этого тока до нуля на каждом полупериоде, собственная частота контура должна быть выше или равна рабочей частоте инвертора. Конденсаторы в резонансном инверторе, входящие в состав колебательного контура, могут быть включены, согласно [15], последовательно с нагрузкой, параллельно ей или последовательно-параллельно, а дроссели — в цепи входного тока, в анодных цепях вентилей или последовательно с нагрузкой (нагрузочной цепью). При работе для резонансных инверторов характерен интенсивный энергообмен между накопителями, входящими в состав схемы, и они могут питаться от источников, работающих в режиме генератора ЭДС (инверторы с открытым входом) или тока (инверторы с закрытым входом). Резонансные инверторы имеют близкие к синусоидальным кривые напряжения и тока в нагрузке.
В [17] относительно инверторов тока говорится, что эти устройства связаны с источником питания через сглаживающий дроссель так, что вентили инвертора переключают ток. Для коммутации тиристоров обычно к нагрузке подключается коммутирующий конденсатор, внешняя характеристика инвертора тока крутопадающая, устройство характеризуется сильной зависимостью напряжения на нагрузке от ее параметров, а форма выходного напряжения близка к синусоидальной. В инверторах напряжения переменное напряжение на нагрузке образуется в результате ее периодического подключения с помощью ключей к источнику постоянного напряжения, причем с помощью ключей обеспечивается чередующаяся полярность напряжения на нагрузке. Инверторы напряжения выполняются на полностью управляемых приборах (транзисторах, двухоперационных тиристорах, однооперационных тиристорах, снабженных цепями коммутации). В резонансных инверторах запирание однооперационных тиристоров происходит при спаде тока к нулю в колебательном контуре. Как отмечают авторы, наибольшая мощность выделяется в нагрузке резонансного инвертора при частоте управления (f), максимально близкой к резонансной частоте контура (f0).
В [18, 19], аналогично [15] и [17], автономные инверторы подразделяются на инверторы тока, инверторы напряжения и резонансные инверторы (используются определения для типов устройств, подобные рассмотренным выше). Та же классификация применена в [20, 22, 25, 38].
В [20] отмечается, что входная цепь инвертора тока есть цепь со свойствами источника постоянного тока, а функция вентилей инвертора сводится к периодическому переключению направления этого тока в выходной цепи инвертора. Значит, на выходе вентильного коммутатора будет переменный ток (или, образно говоря, периодически переключаемый по направлению постоянный ток), то есть цепь со свойствами источника переменного тока. Нагрузкой инвертора тока должна быть цепь со свойствами, близкими к источнику напряжения, то есть с близким к нулевому внутренним динамическим сопротивлением, допускающим протекание через нее скачкообразно меняющегося тока. Практически это обеспечивается включением на выход вентильного коммутатора конденсатора, что позволит уже подключить после него любую реальную нагрузку с индуктивностью, не допускающей скачков тока. Согласно [20], режим источника тока на входе инвертора, получающего питание от источника напряжения, создается включением в цепь постоянного тока дросселя LD с индуктивностью, достаточной для подавления возможных пульсаций входного тока. Автономный инвертор напряжения, как преобразователь постоянного входного напряжения в переменное выходное напряжение, отличается от автономного инвертора тока тем, что получает питание от источника напряжения (ЭДС) безындуктивного характера (входной ток инвертора импульсный со «скачком» тока, что и не допускает присутствия во входном источнике индуктивности). Особенность инвертора напряжения связана с тем, что входной ток инвертора может принимать отрицательные значения, что делает необходимым наличие двусторонней проводимости у ключей вентильного комплекта инвертора. Резонансными же, согласно [20], называются инверторы, у которых периодический характер электромагнитных процессов в нагрузке обусловлен колебательными свойствами LC-контура инвертора. Авторы проводят различие между резонансными инверторами с закрытым входом, у которых индуктивность резонансного контура находится в цепи постоянного тока (на входе) инвертора, и с открытым входом, у которых эта индуктивность находится на стороне переменного тока инвертора (в выходной цепи). Работа резонансного инвертора при частотах управления вентилями, больших собственной резонансной частоты LC-контура, возможна, согласно [20], только в случае использования в качестве их вентилей (приборов) с полным управлением (транзисторов, GTO-тиристоров), для которых нет проблем восстановления управляющих свойств.
В [22] констатируется, что (ко времени написания монографии) не существует единой общепринятой системы классификации схем автономных инверторов, но наиболее часто их классифицируют, в том числе, и по характеру электромагнитных процессов, протекающих в схеме. Отмечается, что такое разделение весьма условно, и за определяющий признак принимается проводимость цепи постоянного тока со стороны непосредственно преобразующей части относительно переменной составляющей напряжения. В цепи постоянного тока инвертора тока включен реактор с большой индуктивностью, поэтому при коммутации ключевых элементов ток в реакторе меняется незначительно, а ключевые элементы инвертора изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке. Можно считать, что нагрузка подключена к источнику тока, и она в таких схемах носит, как правило, емкостной характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы. В некоторых разновидностях инверторов тока, рассчитанных на работу с нагрузкой индуктивного характера, предусматриваются устройства для отвода части энергии, накопленной в индуктивности нагрузки. Как сказано в [22], в схеме инвертора источник постоянного напряжения может быть подключен и непосредственно к ключевым элементам, которые периодически, с изменением полярности, подключают это напряжение к нагрузке. В результате можно считать, что нагрузка питается как бы от источника переменного напряжения, и такая схема классифицируется как инвертор напряжения. Нагрузка в этом случае должна носить активный или активно-индуктивный характер (если на выходе инвертора не установлены фильтры), так как при емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имели бы место всплески токов. Для устранения перенапряжений на элементах схемы часть энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, возвращается в источник постоянного напряжения, для чего ключевые элементы, имеющие одностороннюю проводимость, шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды иногда называют «обратными» диодами [22]. Законы изменения токов в цепи нагрузки инвертора напряжения при определенных условиях подобны законам изменения узловых потенциалов на шинах нагрузки инвертора тока. Такое соответствие законов известно в электротехнике как принцип дуальности (двойственности) цепей, используя который можно результаты анализа процессов в схеме инвертора одного типа, например инвертора тока, путем определенных преобразований распространить на схему инвертора другого типа — инвертора напряжения, и наоборот. Индуктивность сглаживающего реактора LD в инверторе тока имеет конечное значение и оказывает существенное влияние на динамические характеристики инвертора; в частности, чем меньше эта индуктивность, тем меньше всплески и провалы выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки инвертора. В цепях постоянного тока некоторых инверторов напряжения, отмечается в [22], имеется индуктивность, обеспечивающая коммутацию тиристоров, поэтому наличие индуктивности в цепи постоянного тока еще не является достаточным признаком для определения типа схемы (инвертор тока или инвертор напряжения). Необходимо знать характер изменения входного тока инвертора. Как правило, считают, что в инверторах тока входной ток непрерывен или прерывается на незначительное (?), по сравнению с межкоммутационным интервалом, время. Далее автор [22] пишет, что по характеру протекания электромагнитных процессов можно выделить еще один тип инверторов, занимающих как бы промежуточное место между инверторами тока и напряжения. В схемах этого типа инверторов нагрузка входит в состав колебательного контура и ток в коммутирующих элементах в течение всего интервала их проводимости носит колебательный характер. Отмечается, что наличие или отсутствие в цепи постоянного тока реактора иногда служит формальным признаком для разделения резонансных инверторов также на инверторы тока и напряжения, однако такое разделение резонансных инверторов нецелесообразно, так как характер изменения токов и напряжений на коммутационных элементах отличен от характера аналогичных процессов в инверторах тока и напряжения.
В [25] авторы пишут, что для инверторов тока характерно, что в них ток через активные приборы и на входе суммарной нагрузки, включающей коммутирующие конденсаторы и собственно нагрузку, имеет близкую к прямоугольной форму, а форма и фаза выходного напряжения зависят от параметров нагрузки. В таких инверторах в цепь источника питания включается реактор с большой индуктивностью, вследствие чего имеет место апериодический характер заряда коммутирующего конденсатора, необходимого при использовании тиристоров, ток полупроводниковых приборов практически не изменяется в течение всего межкоммутационного промежутка времени. Для обеспечения работоспособности инвертора тока, выполненного на тиристорах, входной импеданс суммарной нагрузки должен иметь емкостной характер. В случае использования транзисторов возможно использование режима (в инверторе тока), близкого к режиму короткого замыкания. К недостаткам инвертора тока, по утверждению авторов [25], относятся, в частности, вероятность возникновения чрезмерных перенапряжений на дросселе и активных приборах при скачкообразных изменениях параметров нагрузки, напряжения питания или импульсной работы инвертора. Выходное напряжение в инверторах напряжения и напряжение, прикладываемое к активным приборам, имеют прямоугольную форму, а форма и фаза выходного тока зависят от характера нагрузки. В таком инверторе источник питания работает в режиме генератора напряжения, а если инвертор напряжения питается не от аккумулятора, то на его входе включается конденсатор достаточно большой емкости для обеспечения проводимости источника постоянного напряжения в обратном направлении. Согласно [25], тиристорный инвертор напряжения может работать в режиме естественной коммутации, когда он в качестве нагрузки имеет резонансный колебательный контур, собственная частота которого меньше частоты генерируемых колебаний, и в режиме принудительной коммутации. В резонансных инверторах выходной ток и напряжение имеют квазисинусоидальные формы, амплитуда и фаза которых зависят от нагрузки. В тиристорных резонансных инверторах нагрузка образует с реактивными элементами схемы резонансный колебательный контур с резонансом напряжений. Конденсаторы, входящие в состав резонансного контура, могут включаться параллельно-последовательно или последовательно-параллельно с нагрузкой, а дроссели — в цепь питания, в анодные цепи тиристоров или последовательно с нагрузкой. Резонансные инверторы могут питаться от источников, работающих в режиме генератора ЭДС или тока. В первом случае, отмечено в [25], источник питания обладает малым, а во втором — большим сопротивлением переменной составляющей входного тока инвертора, и инверторы, питающиеся от генератора ЭДС, можно назвать (резонансными) инверторами с открытым входом, а питающиеся от генератора тока — с закрытым. Основной недостаток резонансных инверторов — существенно меньший (в несколько раз) коэффициент использования усилительных приборов по мощности по сравнению с коэффициентом использования по мощности инверторов тока и напряжения, поэтому, как установлено в [25], резонансные инверторы используются, в основном, только тогда, когда тиристорные инверторы тока и напряжения не обеспечивают требуемой высокой частоты выходных колебаний. Авторы [25] далее отмечают, что конкретные схемы инверторов часто обладают одновременно признаками разных классификационных групп в зависимости от соотношения параметров, режима работы и так далее. Например, инвертор тока при малой индуктивности дросселя в цепи питания, по существу, становится резонансным инвертором, токи и выходные напряжения которого имеют квазисинусоидальные формы. Благодаря уменьшению емкости конденсатора фильтра источника питания, инвертор (напряжения) приобретает принципиально другие свойства и характеристики. В отличие от (традиционного) инвертора напряжения такой инвертор имеет квазисинусоидальные формы тока и напряжения, прикладываемые к активным приборам и нагрузке.
В [26] инверторами тока называются инверторы, работающие от источника постоянного тока. Источник постоянного тока реализуется путем включения катушки индуктивности последовательно с источником постоянного напряжения, то есть преобразователи этого типа являются источниками тока по отношению к нагрузке. В этой же работе устанавливается, что источник электропитания инвертора тока должен иметь большое внутреннее сопротивление, чтобы обеспечить независимость питающего тока от нагрузки, и обычно это сопротивление имеет индуктивный характер. Инверторы же, работающие от источника постоянного напряжения и определяющие величину напряжения на нагрузке, в то время как ток определяется сопротивлением нагрузки, называются инверторами напряжения. В [26] резонансные инверторы не упоминаются.
В [27] нет описания отличий инверторов тока от инверторов напряжения. В этой монографии при описании трехфазного инвертора тока с отсекающими диодами, названного инвертором К.Филипса, вскользь упоминается, что его работа основана на коммутировании напряжения (имеется в виду, напряжения коммутирующих конденсаторов) и что большая индуктивность, включенная последовательно с источником напряжения, работает как источник тока. Что же касается резонансных инверторов, в [27] утверждается: в них коммутационные потери минимальные, поскольку включение и выключение ключа происходит в моменты времени, когда напряжение и ток в цепи проходят через нулевое значение. Резонансный инвертор со связью по постоянному току широко используется в различных мощных источниках питания, так как для него не требуются ключи с большими пиковыми токами и импульсными рабочими напряжениями, в отличие от других типов резонансных инверторов.
В [38] для инверторов тока записано, что на их входе действует источник тока, образованный источником ЭДС и большой индуктивностью, форма тока на выходе вентильной группы прямоугольная, а форма напряжения определяется характером нагрузки. Нагрузка в инверторах тока может быть только активной или активно-емкостной, так как при активно-индуктивной нагрузке ток не может мгновенно изменить направление. Под действием проходящего тока напряжение на нагрузке изменяется по экспоненте. На входе инвертора напряжения, согласно [38], действует источник ЭДС, напряжение на выходе вентильной группы прямоугольное, а форма тока определяется характером нагрузки. Напряжение на нагрузке в инверторе напряжения переключается мгновенно, поэтому нагрузка может быть активной или активно-индуктивной. Под действием приложенного напряжения в инверторе напряжения ток нарастает по экспоненте. В инверторе напряжения встречно-параллельно управляемым вентилям должны быть установлены диоды, которые предназначены для возврата реактивной энергии в источник питания. Резонансные (колебательные) автономные инверторы, согласно [38], — это инверторы, на входе и на выходе вентильной группы которых ток прерывистый, а форма напряжения на выходе определяется нагрузкой. В таких инверторах должно выполняться условие:
RH< 2(LK/CK)1/2,
где RH — сопротивление нагрузки, LK — коммутирующая индуктивность, CK — коммутирующая емкость. При выполнении условия процессы при включении тиристоров носят колебательный характер [38].
В классической работе [39] авторы предлагают рассматривать только инверторы тока и резонансные инверторы, поскольку, по их мнению, инверторы напряжения в электротехнологических установках повышенной частоты практически не применяются. Отличительной особенностью инверторов тока является большая индуктивность реактора на входе вентильной ячейки (имеется в виду однофазный мост), вследствие чего ток вентилей в межкоммутационных интервалах оказывается практически полностью сглаженным при любых параметрах нагрузки и любых емкостях коммутирующих конденсаторов. По способу подключения нагрузки к коммутирующим конденсаторам инверторы тока подразделяются на параллельные, последовательные и на инверторы с усложненной выходной цепью [39]. Отличительной же особенностью резонансных, или колебательных, инверторов является наличие последовательного LC-контура (эквивалентного) с параметрами, подобранными таким образом, чтобы ток управляемых вентилей изменялся по колебательному закону практически в течение всего интервала проводимости. Обычно стремятся к тому, чтобы собственная частота последовательного контура превышала частоту управления; в данных условиях выключение проводящего вентиля предшествует моменту отпирания очередного (так называемый режим естественного выключения). Параллельный резонансный инвертор имеет такую же силовую схему, как параллельный инвертор тока, однако параметры элементов схемы в нем подбираются таким образом, чтобы имел место режим естественного выключения тиристоров [39].
Анализируя вышеприведенный достаточно подробный обзор, можно сделать следующие выводы. Разделение автономных инверторов по характеру электромагнитных процессов (принципу действия) на три самостоятельных класса является, бесспорно, правильным. Нельзя, конечно, согласиться с тем, что такая классификация является «условной», или «нестрогой», или, тем более, «формальной». Очевидно, что правильно классифицировать автономные инверторы по принципу действия возможно только при учете особенностей схемы устройства, параметров элементов и режима работы. А исключая некоторые явные неточности и даже ошибки в ряде работ, в целом, имеющиеся определения все равно нельзя назвать в полной мере достаточными (кроме, может быть, классического определения резонансных инверторов, в котором акцент делается именно на форму тока управляемого вентиля). Определенным «доказательством неполноты» формулировок может служить, в частности, то, что практически в каждой из рассмотренных работ определяющие характеристики для выделяемых типов устройств в чем-то, но отличаются друг от друга. Казалось бы, можно классифицировать все автономные инверторы аналогично резонансным — по форме тока управляемых вентилей, однако и это, очевидно, имеет ограничения.
Для более весомого подтверждения сказанного о «недостаточности определений» рассмотрим, например, схему одноключевого (четвертьмостового) инвертора с встречно-параллельным диодом и закрытым входом (рис. 1). Индуктивность дросселя фильтра LD в этой схеме имеет «большую» величину, входной ток инвертора сглажен, дроссель фильтра LD является необходимым элементом инвертора так же, как и в классическом инверторе тока. Рассматриваемое устройство было предложено Л. Г. Кощеевым [40] еще в 1962 г. Эта схема сегодня широко известна и массово применяется в нашей стране и за рубежом [15, 19, 38, 41, 42]. Согласно IEC 60050-551:1998 International Electrotechnical Vocabulary — Part 551: Chapter 551: Power electronics (ГОСТ Р МЭК 60050-551-1998 Международный электротехнический словарь. Часть 551. Силовая электроника), а также части приведенных выше определений, одноключевой инвертор (он, как известно, может быть выполнен и без встречного диода) следовало бы отнести к инверторам тока, что ошибочно и сделано в [42]. Однако это типичный резонансный (или согласованный с резонансной коммутацией) инвертор. В [15] он и называется несимметричным последовательным инвертором с закрытым входом, а в [39] — несимметричным резонансным инвертором с закрытым входом. Сам Л. Г. Кощеев назвал его последовательным инвертором [40], что на тот момент времени соответствовало определению «резонансный инвертор». Интересно, что в [40] допущены неточности в изображениях временных диаграмм, характеризующих работу данного инвертора, в частности, входной «сглаженный» ток инвертора даже не отражен на указанных диаграммах (а ток управляемого вентиля имеет квазисинусоидальную, или «колебательную» форму).
Рассмотрим еще две схемы (рис. 2, 3): инвертора напряжения и инвертора тока на полностью управляемых вентилях, работающих на чисто активную нагрузку RН (для определенности допускаем, что коммутация вентилей мгновенная, пауз в работе вентилей нет). В обоих случаях для установившегося режима будем иметь для напряжения (uН) и тока (iН) нагрузки:
uН = 2Еp–1S n–1(1–(–1)n)sin(nωt), n = 1, 2, 3,… ∞;
iН = uН / RН,
где Е — напряжение источника питания инвертора, w — угловая частота, t — время. На входе инвертора тока в примере включен дроссель LD с «большой» индуктивностью, входной ток сглажен (кстати, он сглажен в обоих случаях), внешние характеристики (uН = F(iН), где F — знак функции, в этом случае не имеет значения — мгновенные, действующие или максимальные величины используются в выражениях) для обоих инверторов одинаковые и одинаково «жесткие»:
uН = RН iН.
То есть потребитель в этом случае не «почувствует», к чему он подключен (в статическом режиме) на самом деле. Вообще, используя известные определения инвертора тока, говорить для них о внешней характеристике (External characteristic, ГОСТ 18311-80) в этом представлении «теоретически» бессмысленно (ведь питание устройства осуществляется от «генератора тока»). Да и в классическом (реальном) инверторе тока (в устройстве с коммутирующей и компенсирующей емкостью, с реальными элементами и параметрами) в рабочих режимах внешняя характеристика может быть даже возрастающей (более «жесткой», чем в инверторе напряжения), так как с ростом амплитуды нагрузочного тока (iН) увеличивается, например, угол коммутации вентилей. Инверторы же из приведенного примера ведут себя по-разному в динамических режимах. Рассмотрим еще одну схему (рис. 4).
Такой инвертор использован автором статьи при питании импульсного электрофлотокоагулятора (была разработана и соответствующая технология) для очистки «сильно загрязненной» технической воды [43, 44]. При электролизе воды эффективность флотации различных загрязнений зависит от размеров пузырьков, выделяющихся на электродах реактора газов (размер пузырьков обеспечивается напряженностью поля между электродами). С другой стороны, качество коагуляционных процессов также возрастает с ростом напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве реактора. При этом, для обеспечения низких затрат электроэнергии в условиях достаточно высокой электропроводности обрабатываемой воды, предотвращения загрязнения электродов и снижения требований к конструкции и технологии изготовления реактора, необходимо питать электрофлотокоагулятор знакопеременным импульсным током, а при учете вышесказанного — и с выраженным дифференциалом величины сигнала (тока, напряженности поля) на полупериоде выходной частоты. В данном устройстве нагрузка фактически может быть представлена активным сопротивлением RН. Емкость СD в инверторе — это «демпферный» (балластный) элемент, необходимый лишь для обеспечения (требуемого технологией) качества выходного сигнала инвертора. Мощность рассматриваемого устройства достаточно велика и может достигать десятков и сотен киловатт, а параметры элементов связаны соотношением (хотя это не суть важно в данном контексте):
(ωСD)–1 → RН.
Возникает вопрос, как это устройство можно классифицировать? Это, конечно, инвертор и, очевидно, не инвертор напряжения (и, тем более, не инвертор тока). К резонансным инверторам его также нельзя отнести, поскольку токи вентилей не имеют колебательного характера (рис. 5):
uН = 2Еехр[ω t(ω CDRН)–1], uН(ω t) = –uН(ω t+p);
iН = uН / RН;
uC = E– uН;
UH = E(2p–1ω CDRН)1/2;
IH = E(2p-1ω CDRН–1)1/2;
P = 2E2p–1ω CD,
где uC — мгновенное напряжение на демпферном конденсаторе, UH — действующее напряжение на нагрузке, IH — действующий ток нагрузки, Р — активная (выходная) мощность инвертора.
В гранично-непрерывном режиме для рассматриваемой схемы выполняется равенство (ω CD)–1 = RН. Внешняя характеристика инвертора (UH = RН IH) идентична внешним характеристикам двух предыдущих схем. Далее, если продолжить, сегодня хорошо известно [45 ,46, 47], что инверторы напряжения на полностью управляемых вентилях могут вполне эффективно работать на нагрузки и нагрузочные цепи с «емкостным характером нагрузки» (было известно и ранее, так как, например, ламповые генераторы для электротермии выполнялись и выполняются по автогенераторным схемам именно [48] инверторов напряжения), и это находит применение в различных областях [49, 50, 51, 52], в том числе в электротехнологических установках повышенной частоты. Колебательный характер токов и напряжений в коммутирующих элементах и нагрузке резонансного инвертора не является уникальным его свойством (это может иметь место и в инверторах тока, и в инверторах напряжения). Входной ток в инверторе тока всегда является непрерывным. Наличие же реактора с «большой индуктивностью» в схеме питания — это один из признаков «реального» устройства — инвертора тока. И прочее.
Тем не менее рассматриваемая классификация применялась, и до конца 90-х годов применялась, в основном, правильно. Ошибки отнесения отдельных устройств к определенным классам, конечно, имели место, но они не носили системного характера. В качестве примеров: в [53] известная схема резонансного инвертора с удвоением частоты и встречно-параллельными диодами (с закрытым [15, 31, 32, 39, 54, 55] входом, рис. 6) была отнесена к классу инверторов тока, а инверторы тока со встречно-параллельными (без фильтрового конденсатора) [56] диодами (рис. 7) и со стабилизирующим (рис. 8) диодом [57, 58] и резонансной коммутацией в [19, 41, 59] классифицировались как симметричные резонансные инверторы. В [5] автор уже отмечал, что перевести инвертор тока в резонансный режим увеличением углов коммутации вентилей невозможно (по этой же причине, в частности, и широтно-импульсная модуляция [60-62] для инверторов тока не представляет практической ценности). Можно привести и другие примеры. Однако здесь существенно, что ни в одной отечественной публикации до конца 90-х годов не отмечалось смешения классов инверторных схем.
К концу 90-х годов ХХ в. в мире получили развитие силовые полностью управляемые или двухоперационные полупроводниковые вентили, и вновь, в частности, обозначилась востребованность в схемах инверторов, ранее не находивших распространения, а также в «инновационных» технических решениях. В нашей стране это совпало по времени с «активным строительством новой экономической модели» и сопутствующим «системным кризисом» в отраслевой науке и образовании, а также (обозначим это следующим образом) со «сменой поколений» специалистов в области преобразовательной техники. Возрос наплыв «импортной» и переводной литературы, оформились «идеи гармонизации» нормативной документации, сформировалась прослойка «ученых консультантов по научной части» («менеджеров» для науки), начались «погони» за публикациями, в том числе, и в иностранных изданиях, за индексами цитирования, учеными степенями и званиями и прочие процессы, которые далеко не во всем были «только положительными». Результатом этих «процессов» явился существенных рост ошибок и различного рода несуразностей (в том числе и в терминологии) в многочисленных публикациях, затрудняющих, а порой и делающих практически невозможным оперативное восприятие и понимание того, что хотели сказать и донести до читателей авторы некоторых работ по силовой электронике.
В продолжение темы классификации инверторных схем приведем определения из [61, 62] для автономных (с «самокоммутацией») инверторов тока и напряжения в соответствии с «новыми» тенденциями, в частности, как отмечено в этих книгах, по стандарту IEC 60050-551:1998 (о резонансных инверторах в этом стандарте сведений нет). Автономным инвертором тока авторы называют инвертор, питаемый от источника постоянного тока с преобладающими свойствами источника тока и, соответственно, автономным инвертором напряжения называют инвертор, питаемый от источника постоянного тока с преобладающими свойствами источника напряжения. Принципиальное различие [61, 62] между схемами инверторов тока и напряжения было кратко рассмотрено (в соответствующем параграфе). Отметим, записано далее в [61, 62], дуальный характер этих схем: фазные токи одного типа инвертора подобны фазным напряжениям другого. Это свойство указанных типов инверторов позволяет более ясно понять электромагнитные процессы, протекающие в этих схемах, их характеристики и методы управления выходным напряжением. Необходимо отдать должное, что в [61, 62], тем не менее, о резонансных инверторах все-таки сказано, и сказано, в том числе, следующее: на первых этапах развития силовой электроники в тиристорных преобразователях для обеспечения коммутации тиристоров и повышения их рабочей частоты применялись резонансные преобразователи. Такие преобразователи предназначались для питания электроплавильных установок и другого электротехнологического оборудования в металлургической промышленности. Резонансными преобразователями в [61, 62] называются преобразователи, в которых используются электрические цепи с индуктивными и емкостными элементами для коммутации ключей со снижением потерь мощности при коммутации (?). Создание полностью управляемых быстродействующих приборов (транзисторов и запираемых тиристоров различных видов) исключило необходимость применения резонансных цепей для коммутации ключей. Однако область применения резонансных преобразователей, по мнению авторов [61, 62], не только не уменьшилась, но и значительно расширилась за счет создания преобразователей с повышенной рабочей частотой ключей, имеющих лучшие удельные массогабаритные показатели и более высокий коэффициент полезного действия. В большинстве случаев резонансные преобразователи, сказано далее, предназначены для прямого преобразования постоянного тока в переменный, то есть являются инверторами. Они также широко используются для непрямого преобразования постоянного тока в постоянный (содержат в структуре инвертор и выпрямитель), кроме того, они могут быть выполнены по специальным одноключевым схемам, работающим в так называемом классе Е. Далее, как отмечено в [61, 62], эти преобразователи будут называться последовательными резонансными инверторами или преобразователями с указанием при необходимости характерных отличий.
В [42], в соответствии с зарубежной «современной традицией» деления автономных инверторов на инверторы тока и напряжения, не только одноключевой резонансный инвертор Л. Г. Кощеева, как рассмотрено выше, отнесен к инверторам тока, но и все остальные, приведенные в статье инверторы (кроме классического инвертора тока) неправильно отнесены к инверторам напряжения. В данной работе рассматриваются, на самом деле, только резонансные инверторы и кратко упоминаются классические однофазные мостовые параллельные инверторы тока. Отметим, что включение в схему дополнительных «демпферных» элементов (конденсаторов, дросселей, последовательных контуров и проч.) последовательно с нагрузочной цепью, а также периодическое закорачивание нагрузочной цепи и цепи источника питания устройства работающим вентилем (вентилями) изменяют «внутреннее сопротивление» (импеданс) инвертора как генератора (источника) переменного тока и, соответственно, изменяют характер электромагнитных процессов. Никаких инверторов напряжения и «инверторов тока типа чоппер» в указанной переводной статье нет, а авторы перевода своим примечанием относительно одноключевого резонансного инвертора («ячейковый инвертор»), ошибочно называемого в [42] инвертором тока, ясности не вносят.
Приведем в этой связи цитату из автореферата диссертации [52], с которой, в общем, трудно не согласиться. Автор пишет, что им был проведен обзор работ, в которых составлялись классификации преобразователей, реализующих мягкое переключение, однако в ряде работ необоснованно используются различные названия для обозначения одного и того же преобразователя. По результатам обзора автором, написано далее в автореферате, был предложен свой вариант классификационной диаграммы. С последним же и здесь согласиться без замечания невозможно (к «различным названиям для обозначения одного и того же» автором диссертации добавлены еще и «новые названия»). В [52] исследуемый преобразователь называется «комбинированным двухтрансформаторным преобразователем с обратным ключом и мягким включением». И только из приведенной в конце автореферата схемы (ее могло и не быть) можно понять, что речь идет об (однофазном мостовом параллельном) инверторе напряжения [46, 49, 50, 63] с квазирезонансной коммутацией.
В [55] дается оценка потенциальных возможностей резонансного инвертора с удвоением частоты и встречно-параллельными диодами, и ему противопоставляется также резонансный (последовательный) инвертор, называемый почему-то «последовательным инвертором напряжения». В [65] автор, ссылаясь на зарубежные статьи, классический полумостовой инвертор напряжения, известный из учебников по преобразовательной технике на русском языке на протяжении более полувека, классифицирует как «нерезонансный инвертор напряжения», а «обычный и просто» резонансный (или согласованный) инвертор обозначает «резонансным инвертором напряжения» (последнее устройство предложено Л. Г. Кощеевым в 1959 г. [66] и известно в литературе также как «схема резонансного инвертора М. Депенброка» [31]). Это все «переходит», в частности, в диссертацию [67]. Если есть, согласно [65, 67], «резонансный (нерезонансный) инвертор напряжения», значит, может существовать и «резонансный (или нерезонансный, бирезонансный, полирезонансный, мультирезонансный и прочее) инвертор тока»?
В [68, 69] инвертор тока со стабилизирующим диодом и резонансной коммутацией (рассмотренный, кроме ранее приведенных ссылок, также и в [63, 64], рис. 8) действительно классифицируется как «резонансный инвертор тока». Последнее недопустимо в принципе и противоречит всем устоявшимся представлениям (инвертор тока не может одновременно быть резонансным [64], как и наоборот).
В [70], следует признать, и самим автором этой статьи при попытке выделить (в патенте) особенности организации режимов квазирезонансной коммутации в инверторе тока на двухоперационных вентилях по нулевой схеме (названным токо-резонансным) была допущена практически аналогичная ошибка, хотя, можно надеяться, и менее грубая.
Авторы [71, 72] переняли принцип классификации инверторов, исходя из оценки «внутреннего сопротивления» устройства и сравнения его с «эквивалентным импедансом нагрузочной цепи» [5, 46, 58, 64, 73, 74], но использовали его некорректно. В результате согласованный инвертор с удвоением частоты и резонансной коммутацией (рис. 6) [71] и одноключевой резонансный (согласованный) инвертор с закрытым входом (рис. 1) [72] ими вновь отнесены к инверторам тока. Название статьи [71] не имеет никакого отношения к ее содержанию (в ней отсутствуют какие-либо сведения по инверторам тока).
Все статьи цикла.
Часть 1.
Часть 2.
Часть 3.
Часть 4.
Часть 5.
- Туманишвили Д. Г. Некоторые вопросы классификации в электроприводе // Электричество. 1939. № 4.
- Пат. 61964 РФ, МКИ Н02 М 7/00. Автономный согласованный резонансный инвертор / Е. М. Силкин // Бюл. № 7. 2007.
- Пат. 68805 РФ, МКИ Н02 М 5/45. Согласованный преобразователь частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока и резонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 33. 2007.
- Пат. 68808 РФ, МКИ Н02 М 7/00. Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 33. 2007.
- Силкин Е. Реализация и способы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов // Силовая электроника. 2007. № 3.
- Пат. 89306 РФ, МКИ Н02 М 7/00. Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 33. 2009.
- Пат. 2394343 РФ, МКИ НО2 М 1/08. Способ управления несимметричным одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 19. 2010.
- Пат. 2398346 РФ, МКИ НО2 М 7/516. Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией и способ управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией / Е. М.Силкин // Бюл. № 17. 2012.
- Пат. 2453977 РФ, МКИ НО2 М 7/523. Способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 17. 2012.
- Пат. 2458450 РФ, МКИ НО2 М 7/515. Способ управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 22. 2012.
- Ситников М. М. Через технику электрона — к технике иона // Электричество. 1932. № 23–24.
- Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. Пер. с англ. Под ред. И. В. Антика. М.: Энергия, 1969.
- Чиженко И. М., Руденко В. С., Сенько В. И. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1974.
- Толстов Ю. Г. Автономные инверторы тока. М.: Энергия, 1978.
- Справочник по преобразовательной технике / И. М. Чиженко, П. Д. Андриенко, А. А. Баран и др. Под ред. И. М. Чиженко. К.: Технiка, 1978.
- Полупроводниковые выпрямители / Е. И. Беркович, В. Н. Ковалев, Ф. И. Ковалев и др. Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. М.: Энергия, 1978.
- Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника. Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1988.
- Основы промышленной электроники / В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский и др. Под ред. В. Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986.
- Тиристорные преобразователи частоты / А. К. Белкин, Т. П. Костюкова, Л. Э. Рогинская и др. М.: Энергоатомиздат, 2000.
- Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.
- Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч. 1.
- Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.
- Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления / Н. В. Донской, А. Г. Иванов, В. М. Никитин и др. Под ред. А. Д. Поздеева. М.: Энергоатомиздат, 1984.
- Глинтерник С. Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами. Л.: Энергоатомиздат, 1988.
- Теория и методы анализа преобразователей частоты и ключевых генераторов / В. Ф. Дмитриков, В. Е. Тонкаль, Э. Н. Гречко и др. Под ред. И. В. Волкова. К.: Наукова думка, 1988.
- Уильямс Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление. Спр. пособие. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993.
- Рама Редди С. Основы силовой электроники. Пер. с англ. Под ред. Д. П. Приходько. М.: Техносфера, 2006.
- Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2006.
- А.с. 120586 СССР, МКИ Н02 М 7/48. Последовательный инвертор / Л. Г. Кощеев // Бюл. № 12. 1959.
- Лабунцов В. А., Ривкин Г. А., Шевченко Г. И. Автономные тиристорные инверторы. М.: Энергия, 1967.
- Васильев А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева. М.: Энергия, 1974.
- Бальян Р. Х., Сиверс М. А. Тиристорные генераторы и инверторы. Л.: Энергоиздат, 1982.
- Толстов Ю. Г. Автономные инверторы // Преобразовательные устройства в электроэнергетике: Сб. тр. М.: Наука, 1964.
- Толстов Ю. Г., Придатков А. Г. Некоторые вопросы регулирования автономных инверторов тока // Электричество. 1965. № 11.
- Твердин Л. М. Научно-техническая конференция по силовым полупроводниковым приборам и преобразователям // Электричество. 1967. № 4.
- Дмитриков В. Ф. Анализ процессов принудительной коммутации в резонансном инверторе с обратными диодами // Электротехническая промышленность. Сер. преобразов. техника. 1971. Вып. 20.
- Ивенский Г. В., Писклов А. Е. Принципы построения схем и классификация резонансных автономных инверторов // Электротехническая промышленность. Сер. преобразов. техника. 1972. Вып. 7.
- Гельман М. В., Дудкин М. М., Преображенский К. А. Преобразовательная техника: Уч. пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009.
- Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е. И. Беркович, Г. В. Ивенский,
Ю. С. Иоффе и др. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - А.с. 155222 СССР, МКИ Н02 М 7/48. Последовательный инвертор / Л. Г. Кощеев // Бюл. № 12. 1963.
- Шапиро С. В., Зинин Ю. М., Иванов А. В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. М.: Энергоатомиздат, 1989.
- Лавлесс Д. Л., Кук Р. Л., Руднев В. И. Характеристики и параметры источников питания для эффективного индукционного нагрева // Силовая электроника. 2007. № 1.
- Пат. 2091321 РФ, МКИ С02 F 1/463. Способ очистки воды / Е. М. Силкин // Бюл. № 27. 1997.
- Силкин Е. М., Рой Г. Д., Турченко В. Н. Импульсное электрофлотокоагулирование (технология и оборудование) // Тез. докл. 2 МНТК (МКЭЭ-96), посвящ. электромехание и электротехнологии. Симферополь, 1–5 октября 1996.
- Пат. 89307 РФ, МКИ Н02 М 7/122. Независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией / Е. М. Силкин // Бюл. № 33. 2009.
- Силкин Е. Параллельные инверторы напряжения для электротермии // Силовая электроника. 2009. № 1.
- Пат. 2289190 РФ, МКИ Н02 М 5/44. Способ управления инвертором напряжения / Е. М. Силкин // Бюл. № 34. 2006.
- Донской А. В., Рамм Г. С., Вигдорович Ю. Б. Высокочастотные электротермические установки с ламповыми генераторами. Л.: Энергия, 1974.
- Силкин Е. М. Кузьмин А. Ф. Системы управления с транзисторными преобразователями для промышленных озонаторов большой мощности // Электротехника. 2001. № 5.
- Силкин Е. Преобразователь для индукционного нагрева концов заготовок под пластическую деформацию и объемно-поверхностной закалки шлицевых валов // Силовая электроника. 2008. № 3.
- Силкин Е. Автономные инверторы напряжения с квазирезонансной коммутацией для систем промышленной автоматики, электротехнологий и связи // Электронные компоненты. 2009. № 10.
- Идрисов И. К. Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом и мягким включением: Автореф. дис. канд. техн. наук. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). Томск, 2013.
- Кулик В. Д. Выбор емкости фильтра тиристорного инвертора // Электричество. 1970. № 3.
- А.с. 235177, СССР, МКИ Н02 М 7/523. Независимый инвертор / С. М. Кацнельсон, В. С. Ухов // Бюл. № 5. 1969.
- Дзлиев С. В. Сравнительный анализ схем транзисторных инверторов. chernetsov.ru
- А.с. 1742961, СССР, МКИ Н02 М 5/45. Преобразователь частоты / Е. М. Силкин // Бюл. № 23. 1992.
- А.с. 1683150 СССР, МКИ Н02 М 5/45. Преобразователь частоты / Е. М. Силкин // Бюл. № 37. 1991.
- Силкин Е. Об обратной блокирующей способности типовых структур IGBT // Силовая электроника. 2012. № 6.
- Выбор структуры и параметрический синтез симметричного резонансного инвертора / Л. Э. Рогинская, А. В. Иванов, М. М. Мульменко и др. // Электротехника. 1998. № 7.
- А.с. 542325 СССР, МКИ Н02 Р 13/18. Способ управления однофазным мостовым инвертором тока на тиристорах / Ю. В. Никитенко, А. Г. Придатков, Ю. Г. Толстов // Бюл. № 1. 1977.
- Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Силовая электроника. Уч. для вузов. 2-е изд., стереотипное. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.
- Справочник по силовой электронике / Ю. К. Розанов, П. А. Воронин, С. Е. Рывкин и др. Под ред. Ю. К. Розанова. М.: Издательский дом МЭИ, 2014.
- Силкин Е. М. Управление по вычисляемому прогнозу параллельным инвертором тока со стабилизирующим диодом // Тез. докл. ВНТК, посвящ. микроэлектронике в машиностроении. Ульяновск, 14–16 ноября 1989.
- Силкин Е. Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной коммутацией // Силовая электроника. 2005. № 3.
- Патанов Д. А. Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения // Схемотехника. 2001. № 7.
- А.с. 120586 СССР, МКИ Н02 М 7/523. Последовательный инвертор / Л. Г. Кощеев // Бюл. № 12. 1959.
- Афанасьев А. М. Полупроводниковый преобразователь комбинированной структуры для установок высокочастотного индукционного нагрева. Дис. канд. техн. наук. Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А. Саратов, 2016.
- Белкин А., Исхаков И., Таназлы Г. и др. Индукционная установка для разогрева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей // Силовая электроника. 2005. № 1.
- Болотовский Ю., Таназлы Г. Опыт моделирования систем силовой электроники в среде OrCAD 9.2. Часть 3 // Силовая электроника. 2005. № 2.
- Пат. 2081499 РФ, МКИ Н02 М 7/523. Автономный токо-резонансный инвертор / Е. М. Силкин // Бюл. № 16. 1997.
- Зинин Ю., Рахимова И. Мостовая схема тиристорного инвертора тока для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2009. № 3.
- Зинин Ю. Схемотехническая Micro-Cap-модель полирезонансного ТПЧ в режиме второй гармоники // Силовая электроника. 2013. № 2.
- Силкин Е. М. Транзисторные преобразователи частоты для индукционного нагрева // Электротехника. 2004. № 10.
- Силкин Е. М. Схемотехника, электромагнитные процессы и способы управления независимых инверторов напряжения с квазирезонансной коммутацией // Тез. докл. 8 ВНТК (ДНДС–2009), посвящ. динамике нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем. Чебоксары, 4–6 июня 2009.