Что такое инверторы ведомые сетью

19

Принцип действия инверторов, ведомых сетью

Инвертор, ведомый сетью (зависимый инвертор), передает энергию от источников постоянного тока в сеть переменного тока, напряжение и частота в которой заданы другими более мощными источниками тока. Однофазная нулевая схема зависимого инвертора представлена на рис.1.

Сравнение ее со схемой управляемого выпрямителя показывает полную идентичность их элементов; различие заключается только в том, что вместо нагрузочного резистора в инверторе включен источник энергии постоянного полярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя. Одна и та же вентильная схема может использоваться и в выпрямительном, и в инверторном режимах. Речь идет не столько о различных преобра­зователях, сколько о выпрямительно-инверторном преобразователе, способном функционировать в двух названным режимах, отличающихся направлением потока энергии. В выпрямителе энергия из сети переменного тока поступает в цепь постоянного тока (U_d, i_d), в инверторе из сети постоянного тока (U_d, i_d) в сеть переменного тока. Напряжение u_d и ток i_d в инверторе называется входными.

Обратимся к временным диаграммам рис.2. На интервале полярность u_d (t) и направление i_d (t) совпадают, следовательно, мощность передается из цепи переменного тока в нагрузку. На интервале ток течет в прежнем направлении, а напряжение u_d меняет знак, следовательно, цепь постоянного тока возвращает энергию в сеть переменного тока. Очевидно, что в инверторном режиме второй интервал, при котором энергия передается в сеть переменного тока, должен быть длиннее первого, т.е. ( —0) > ( ) или

Выражение (1) — это первое условие осуществления инверторного режима. Второе условие — это работа цепи постоянного тока в режиме источника энергии, для этого полярность напряжения U_d и направление тока I_d должны быть противоположны.

Подключение источника Е_н минусом к катодам тиристоров приводит к возрастанию длительности протекания тока через тиристоры инвертора , и при осуществляется режим непрерывного тока.

На рис.3,а представлены временные диаграммы при работе зависимого инвертора без учета процессов коммутации ( X_a=0) . Сравнение диаграмм (рис.3 и 2) показывает, что в этих диаграммах различны только значения угла управления: < в выпрямителе и инверторе. В момент подается управляющий импульс на тиристор VI, при открывании тиристора u_d=e₂, ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и цепь постоянного тока L_d,E_и. При этом напряжение u_d и ток i_d имеют одно направление и энергия передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. В момент изменяется полярность е₂=u_d, начинается передача энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. Протекание тока через V1 при отрицательном напряжении на аноде обеспечивается приложением к катоду отрицательного потенциала источника Е_и. В момент управляющий импульс подается на V2, и процесс повторяется.

На рис.4, а показана полная регулировочная характеристика вентильного преобразователя в режиме непрерывного тока. При и преобразователь является выпрямителем, при — осуществляется инверторный режим.

При рассмотрении инверторов, используются обозначения: ( — угол опережения, показан на рис.3, а) и E_d=—E_d — противо-ЭДС инвертора. Подставив в уравнение регулировочной характеристики , получим Е_d = E_d0 cos = -E_d0 cos = -E . Зависимость называется регулировочной характеристикой ведомого сетью инвертора (рис.4,б); она представляет собой симметричное отображение части характеристики (рис.4,а).

При отсутствии потерь в дросселе L_d среднее значение напряжения U = U_d должно быть равно напряжению источника Е_и. При увеличении Е_и>Е_d возрастает ток I_d. Учтем влияние анодных индуктивностей на коммутационные процессы. Временные диаграммы представлены на рис.3, б. Индуктивности трансформатора X_а

препятствуют нарастанию и спаду анодных токов, поэтому на протяжении угла коммутации VI и V2 открыты одновременно при этом u_d (t)=0. Как и в управляемом выпрямителе коммутационное падение напряжения U_x уменьшает положительную часть u_d, среднее значение U_d с ростом I_d и уменьшается, а U_d = U_d увеличивается.

Среднее значение напряжения U_d рассчитаем по формуле

поскольку данное выражение справедливо в режиме непрерывное тока при любом . Подставив в (2) , получим

Зависимость U_d =f (I_d) (рис. 4, в) называется входной характеристикой инвертора (ток I_d— входной ток, напряжение U_d-входное напряжение). Выражение (3) позволяет связать напряжение источника Е_и со средним значением U .

При увеличении Е_и. при =const увеличивается I_d и уве­личивается мощность, передаваемая в сеть переменного тока. Если при увеличении Е_и необходимо поддерживать I_d=const, надс увеличить , т. е. уменьшить ; при этом также возрастает мощность, передаваемая со входа инвертора в сеть переменного тока. Максимальное значение инвертируемой мощности достигается при ( =0). Однако этот режим в реальных инверторах на однооперационных тиристорах, как показывается ниже, неосуществим и углы управления ограничены значениями

Рассмотрим кривую анодного напряжения на тиристоре V1 на временных диаграммах (рис.3,б). Для осуществления надежного запирания тиристора после того, как через него проходил ток, необходимо, чтобы в течение интервала, длительность которого не менее t_в, к тиристору было приложено обратное напряжение. Время выключения t_в является паспортным параметром тиристора.

По диаграммам (рис.3,б) видно, что отрицательное анодное напряжение поддерживается на тиристоре на интервале длительностью ( )• Следовательно, надежное запирание тиристоров выполняется при условии , ограничивающем угол . При невыполнении этого условия тиристор при появлении на аноде положительного напряжения вновь включится в работу без управляющего сигнала. Одновременная проводимость двух тиристоров инвертора приведет к короткому замыканию трансформатора и источника постоянного тока, дальнейшая коммутация тиристоров окажется невозможной и возникнет аварийный режим, называемый опрокидыванием инвертора.

Как видно из рассмотренного описания работы инвертора, коммутация вентилей, т.е. выключение одного из них при отпирании другого и переход на него тока i_d, осуществляется, как и в выпрямителе, за счет переменного напряжения сети. Если это напряжение почему-либо исчезнет, например при коротком замыкании в сети, коммутация окажется невозможной и произойдет опрокидывание инвертора. Эта зависимость работы инвертора от напряжения сети отражена в его названии: инвертор, ведомый сетью, или зависимый инвертор.

В режиме I_d=0 угол коммутации , , максимальное значение E_d, при котором возможна коммутация, . При увеличении тока I_d растет угол коммутации , увеличивается и уменьшается . Зависимость называется ограничительной характеристикой ведомого инвертора, она показана на семействе входных характеристик (рис.4,в).

Устойчивая работа инвертора без опасности опрокидывания возможна только при выборе таких значений тока I_d и угла , которые соответствуют значениям U_d, лежащим ниже ограничительной характеристики OX:

Ведомые сетью инверторы широко используются в преобразовательной технике. Наряду с инверторами, которые работают постоянно (например, на приемном конце линии передачи постоянного тока), существуют преобразователи, которые попеременно работают в выпрямительном и инверторном режиме. Например, перевод преобразователя для электропривода с двигателем постоянного тока в инверторный режим позволяет осуществить ускоренное торможение этого двигателя.

Что такое инверторы ведомые сетью

Инверторами называются устройства, преобразующие энергию постоянного тока в энергию переменного тока. Все инверторы принципиально разделяются на автономные и ведомые сетью. Автономные инверторы предназначены для питания отдельной (автономной) нагрузки. Ведомые же инверторы передают преобразованную энергию в сеть переменного тока, в которой уже имеется источник синусоидального напряжения большой мощности.

По внешнему виду схемы ведомых инверторов такие же, как и схемы управляемых выпрямителей. Используем для рассмотрения принципа действия однофазную схему со средней точкой. Предполагаем элементы идеализированными, нагрузку активно-индуктивной ( L d → ∞ ).

Как было выяснено в подразделе 3.3, максимальное значение угла управления α здесь составляет величину 90°. При этом угле управления среднее значение выпрямленного напряжения, а следовательно, и тока, становится равно нулю. Если при α < 90° схемой энергия потребляется из сети переменного тока, то при α = 90° потребление энергии прекращается.

Введем в рассматриваемую схему (см. рис. 3.5, а) дополнительный источник э.д.с. Е с полярностью, согласной с полярностью выпрямителя, как показано на рис. 10.1.

Теперь ток в выходной цепи выпрямителя будет протекать под действием суммы э.д.с. дополнительного источника Е и среднего значения выпрямленного напряжения U d , в том числе и при отрицательном U d , что соответствует значениям α > 90°. Для пояснения используем диаграммы на рис. 10.2, а.

Ввиду принятого допущения L d → ∞ ток через элементы L d и Е идеально сглажен, токи тиристоров представляют собой прямоугольники длительностью π , а ток первичной обмотки трансформатора i 1 — переменный прямоугольный, отстающий от синусоидального напряжения u 1 на величину α. При α > 90° на большей части каждого из полупериодов переменного напряжения (на рис. 10.2, а это кривая u 1 ) направления u 1 и i 1 встречны, т.е. имеют противоположные знаки. Но если ток течет навстречу э.д.с. источника (мгновенная мощность, равная произведению u 1 на i 1 , отрицательна), то источник является потребителем энергии. Другими словами, в схеме на рис. 10.1 поток энергии направлен от источника Е в сеть переменного тока, а не наоборот. То есть это уже не выпрямитель, а инвертор.

Условиями перевода выпрямителя в инверторный режим являются:

а) подключение в цепь постоянного тока дополнительного источника постоянного тока согласно с полярностью схемы;

б) задание угла управления тиристорами более 90°.

Инверторы обычно характеризуют не углами управления α, а углами β , которые называют углами опережения (см. рис. 10.2, а) и отсчитывают в направлении запаздывания относительно точек естественной коммутации ( π , 2 π и т.д.). Угол опережения связан с углом управления соотношением β = π − α .

Сравнивая диаграммы u 1 и i 1 (см. рис. 10.2, а) может показаться, что минимальное значение β может равняться нулю ( u 1 и i 1 в противофазе), но это не так. Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании очередного тиристора в ведомом инверторе осуществляется под действием обратного напряжения, создаваемого суммой напряжений двух вторичных обмоток трансформатора. Но при β = 0 это напряжение равно нулю, а отрицательно лишь при β > 0. Кроме того, реальным тиристорам необходимо обеспечить некоторое время для восстановления запирающей способности. Поэтому длительность действия обратного напряжения, выраженная в угловой мере, не должна быть меньше некоторой величины (см. рис. 10.2, а). Если же очередной тиристор отпирается при β < 0, то условие для запирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, этот тиристор останется в открытом состоянии, создав с начала очередного полупериода переменного напряжения короткое замыкание цепи с последовательно включенными вторичными обмотками трансформатора и источником Е. Такое явление называется срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.

Реально инверторы, ведомые сетью, выполняются на достаточно большие мощности, поэтому следует учитывать явление коммутации, т.е. учитывать индуктивности рассеяния обмоток трансформатора. В ведомых инверторах коммутация происходит аналогично выпрямителям (см. раздел 5) и здесь представлены лишь диаграммы изменения соответствующих величин без пояснения протекающих процессов (см. рис. 10.2, б). На этих диаграммах экспоненциальное изменение токов на интервалах коммутации γ упрощенно представлено линейным.

Для определения среднего значения u d , как и для выпрямителя, справедлива формула (5.7). Запишем эту формулу, заменив угол управления α на угол опережения β:

Соотношение (10.1) определяет противо-э.д.с инвертора, направленную встречно и равную при отсутствии активных сопротивлений в цепи напряжению источника Е. Следовательно, можно записать:

По соотношению (10.2) можно построить зависимость э.д.с. источника Е, питающего инвертор, от тока этого источника I d . Эта зависимость называется входной характеристикой инвертора (аналогичная характеристика для управляемого выпрямителя называется внешней — см. раздел 5).

Подставив в выражение (10.2) среднее значение подъема напряжения в момент коммутации

и заменив величину послекоммутационного угла θ = β − γ , получим систему уравнений для расчета однофазного двухполупериодного инвертора.

Система уравнений для расчета трехфазного зависимого инвертора будет иметь вид:

Семейство входных характеристик приведено на рис. 10.3. Повышение тока I d сопровождается увеличением угла коммутации γ. По этой причине перемещение рабочей точки инвертора вправо по каждой из характеристик вызывает уменьшение угла θ, представляемого тиристорам для восстановления запирающих свойств. При достижении некоторого значения тока I d max ⁡ угол θ становится равным минимально допустимому значению θ min ⁡ . При дальнейшем увеличении тока необходимое условие для восстановления запирающих свойств тиристора не выполняется, что приводит к опрокидыванию инвертора. С уменьшением угла опережения β предел повышения тока I d наступает при меньшем его значении. Предельные значения тока I d находят из точек пересечения входных характеристик с так называемой ограничительной характеристикой инвертора U d max ⁡ = f ( I d max ⁡ ) , проведенной на рис. 10.3 штриховой линией.

Для определения ограничительной характеристики используется выражение

Принцип работы более сложных инверторов, в том числе и трехфазных, таков же, как и принцип работы рассмотренной схемы.

Инверторы, ведомые сетью, обычно применяются в электрической тяге и электроприводе для рекуперации электрической энергии при торможении электродвигателей постоянного тока. Электрическая машина постоянного тока питается в двигательном режиме от схемы преобразовательного устройства, работающего в качестве выпрямителя. При торможении же энергия движущихся и вращающихся масс с помощью той же электрической машины, которая переводится в генераторный режим, возвращается в сеть переменного тока через преобразовательное устройство, которое с изменением угла управления становится инвертором.

1. Определить напряжение холостого хода, развиваемого зависимым однофазным нулевым инвертором, если фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора 180В, а угол опережения 45 0 .

1. Для нахождения напряжения холостого хода воспользуемся выражением (учитывая, что инвертируемый ток равен нулю):

где U d0 = 0,9 U 2 для двухполупериодных однофазных схем.

Ответ: -127В. Знак (-) указывает на то, что ток втекает в обмотку с отрицательной полуволной напряжения.

2. Определить инвертируемое напряжение однофазного зависимого инвертора со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, если он развивает напряжение холостого хода 100В при токе 50А, а индуктивное сопротивление фазы равно 0,4Ом.

1. Инвертируемое напряжение, определяемое суммой напряжения холостого хода и коммутационного подъема напряжения, вызванного инвертируемым током, находим по выражению:

U d(I)(β) = U d(0) + I d ⋅ x s π = 100 + 50 · 0,5 3,14 = 108 B .

3. Определить предельный угол коммутации зависимого однофазного инвертора с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора, индуктивное сопротивление которой 0,4Ом, а напряжение вторичной обмотки 110В, если инвертируемый ток равен 100А, а угол восстановления вентильных свойств тиристоров равен 15 0 .

1. Для определения собственной противо-ЭДС инвертора воспользуемся выражением:

U d(I) = U d(0) + Δ U x , (1)

где U d(0) = 2 2 U 2 π cos ⁡ β — напряжение холостого хода для нулевых однофазных схем при заданном угле опережения β = π − α ,

U d(I) − собственная противо-ЭДС инвертора растет с ростом тока за счет подъема напряжения в момент коммутации

Подставив (2) в (1) получим

и, заменив на θ = β − γ , получим систему уравнений для расчета двухполупериодного инвертора:

где θ = β − γ — послекоммутационный угол оставленный тиристорам для восстановления запирающих свойств.

2. Из выражения (3) определим величину угла опережения

β = arccos ⁡ ( cos ⁡ θ − I d x s 2 U 2 ) = arc cos ⁡ ( cos ⁡ 15 0 − 100 · 0,4 110 · 1,41 ) = 45 0 .

3. Предельный угол коммутации найдем как разность угла опережения и угла необходимого для восстановления вентильных свойств тиристора

1. Что такое входная характеристика зависимого инвертора?

2. Что такое ограничительная характеристика зависимого инвертора?

3. Определить напряжение холостого хода, развиваемого зависимым однофазным мостовым инвертором, если фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора 200В, а угол опережения 45 0 .

4. Определить среднее значение подъема напряжения в момент коммутации в зависимом трехфазном мостовом инверторе, если инвертируемый ток 40А, индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора 0,5Ом.

5. Инвертируемый ток однофазного мостового инвертора 100А. Напряжение вторичной обмотки трансформатора 50В, а индуктивное сопротивление фазы 0,5Ом. Определить угол коммутации, если угол, предоставляемый тиристорам для восстановления запирающих свойств 10 0 .

Инверторы, ведомые сетью

Инвертирование — эго преобразование электроэнергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «шуегею» — переворачивание, перестановка. В силовой электронике этот термин был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При инвертировании поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Преобразователь, работающий в этом режиме, называется инвертором, ведомым сетью, так как коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети [1]. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его иногда называют зависимым инвертором.

Принцип действия инвертора, ведомого сетью, рассмотрим на примере простейшей схемы, представленной на рис. 5.30, а. Допустим, что элементы схемы идеальные, а внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи АБ равно нулю. Наличие источников переменного и постоянного тока и управляемого тиристора позволяет организовать реверсирование потока электроэнергии, т.е. однофазный

Рис. 5.30. Однополупериодный обратимый преобразователь:

а — схема; 6 — диаграммы напряжения и тока в выпрямительном режиме; в — диаграммы напряжения и тока в инверторном режиме преобразователь на тиристоре может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме. В результате однополупериодный ток протекает как от сети в аккумуляторную батарею, так и в обратную сторону — от аккумуляторной батареи в сеть переменного тока.

На рис. 5.30, 6 приведены диаграммы напряжения и тока, иллюстрирующие работу схемы в выпрямительном режиме. При допущении равенства нулю внутренних сопротивлений источников переменного и постоянного тока можно считать, что их напряжения равны ЭДС, т.е. е_аЬ = и_аЬ и Е_АБ = Е_ЛБ— Если вывод «плюс» батареи соединен так, как показано на рис. 5.30, а пунктиром, то схема может работать в режиме выпрямления с нагрузкой в виде прогивоЭДС, что соответствует режиму заряда АБ. При изменении полярности АБ возможна работа схемы в режиме инвертирования. Рассмотрим эти процессы более подробно.

При подаче на тиристор импульса управления в момент времени 9 = 9,, определяемый углом управления а, тиристор включается. В результате этого из сети в батарею АБ поступает ток /’?. Благодаря сглаживающему реактору Б_с1 ток будет плавно изменяться во времени: увеличиваться, пока и_аЬ > и_А, и уменьшаться при и_л> и_а 1,- В момент времени 9₃, соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 5.30, б, ток /?становится равным нулю, а тиристор УБ выключается. Протекание через тиристор тока на интервале от 9, до 9₃, когда 11 _А > и_аЬ, обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток направлен навстречу ЭДС Е_АБ).

Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить полярность батареи.

Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети е_аЬ направлена навстречу току /?. На рис. 5.30, в приведены диаграммы напряжения и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент времени 9, на тиристор УБ подать импульс управления, то тиристор включится, так как к нему приложено положительное прямое напряжение. Прямое напряжение на тиристоре существует вплоть до момента времени 9₂. Начиная с этого момента напряжение ы_аЬ по абсолютному значению больше ЭДС Е_АБ. Под воздействием разности напряжений 11 _ЛБ — и_аЬ в цепи протекает ток /?, противоположный по знаку напряжению сети и_аЬ. Наличие в схеме сглаживающего реактора Б_с1 ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать в тиристоре после того, как напряжение и_аЬ по абсолютному значению будет больше напряжения 11_А и станет равным нулю в момент времени 9₃, соответствующий равенству заштрихованных областей на рис. 5.30, в.

Схемы зависимых инверторов по существу не отличаются от схем управляемых выпрямителей. Поэтому они могут рассматриваться как схемы реверсивных преобразователей, способных передавать электрическую энергию из сети в источник постоянного тока (выпрямительный режим) и наоборот (инверторный режим). Такие преобразователи являются преобразователями переменного (постоянного) тока, преобразующими переменный ток в постоянный и (или) наоборот [1]. Схема однополупериодного инвертора из-за плохих технико-экономических показателей редко применяется.

Рассмотрим работу в инверторном режиме однофазной двухполупериодной схемы со средней точкой и трехфазной мостовой схемы, которая наиболее часто применяется в инверторах средней и большой мощности. Предварительно более детально остановимся на процессе перехода от выпрямительного режима к инверторному. При этом примем допущения идеальности элементов преобразователей и источников (приемников) постоянного тока.

ЭМПС / Лекции ЭМПС / Инверторы, ведомые сетью

Как уже отмечалось, инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию перемен­ного тока. Если при этом приемная часть такого преобразователя (на­грузка) не имеет других источников питания, то инвертор называется автономным. Если же инвертор преобразует энергию постоянного тока и отдает ее в сеть, где есть дру­гие источники, то он называется инвертором, ведомым сетью (ИВС), или просто ведомым.

ИВС выполняют практически по таким же схемам, что и управляе­мые выпрямители. На рис. 1, а показана простейшая схема одно­фазного двухполупериодного ИВС. В качестве источника энергии ис­пользуется обычная машина постоянного тока МПТ, которая может работать в режиме как двигателя, так и генератора.

Рис. 1. Однофазный ведомый ин­вертор (а) и диаграммы его работы (б-д)

Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного то­ка, является трансформатор, параметры которого (количество обмоток и число витков) определяют значение и число фаз получаемого пере­менного напряжения. Для получения такого напряжения необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.

Чтобы изменить направление потока энергии, следует изменить знак мощности , развиваемой выпрямителем. Так как направ­ление тока изменить нельзя вследствие односторонней проводимости тиристоров, то изменить знак P_d можно только изменением знака U_d, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управ­ления .

При выпрямлении источником энергии является сеть, поэтому при () кривая тока i₁, потребляемого от сети, совпадает по фазе с напряжением питания U₁ (рис. 1,6). Если , то форма тока i₁ близка к прямоугольной, тиристор VD1 работает в первом полу­периоде, VD2 — во втором и машина работает в двигательном режиме (рис. 1, в, полярность на клеммах указана на рис. 1, а).

При работе схемы в качестве инвертора источником питания слу­жит машина постоянного тока, причем полярность на ее клеммах — обратная (на рис. 1, а в скобках). Изменение полярности источника постоянного тока — одно из обязательных условий перехода схемы в режим инвертирования. При этом фазовый сдвиг между i₁ и U₁ со­ставит 180° (рис. 1,г), а тиристоры будут работать в обратной по­следовательности: в первом полупериоде — VD2, во втором — VD1 (рис. 1, д).

Таким образом, тиристоры находятся в открытом состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичных обмоток трансфор­матора, при этом осуществляются поочередное подключение обмоток трансформатора через дроссель к источнику постоянного тока и пере­дача энергии в сеть.

Ранее проводивший тиристор запирается под действием обратного напряжения сети со стороны вторичных обмоток, отсюда и название инвертора — ведомый.

К ранее проводившему тиристору при отпирании очередного прикладывается обратное напряжение, равное сумме напряжений двух вторичных обмоток только в том случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему обмотке имеет место напряжение положительной полярности. Т. е. реальное значение угла должно быть меньше на некоторый угол , иначе говоря , или , или (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма работы тиристора в ИВС

Если же очередной тиристор будет отпираться при , то условие запирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, он оста­нется открытым, будет создана цепь короткого замыкания источника постоянного тока через вторичные обмот­ки трансформатора и ИВС выйдет из строя. Такое явление называется опрокидыва­нием инвертора.

Таким образом, второе условие пере­хода схемы в режим инвертирования — протекание тока через тиристоры при от­рицательном напряжении на обмотках.

Рассмотрим работу однофазного ИВС подробнее (рис. 3). В схеме предпо­лагается , поэтому входной ток ин­вертора идеально сглажен.

На интервале проводит тиристор VD2, его анодный ток , равный i_d, проте­кает под действием ЭДС E_d источника по­стоянного тока (генератора) через вторич­ную обмотку трансформатора навстречу напряжению . Полуволна напряжения отрицательной поляр­ности определяет на этом интервале напряжение U_d инвертора. По окончании интервала , т. е. с опережением на угол относительно точки , подачей управляющего сигнала отпирается тиристор VD1. Ввиду наличия индуктивностей и в анодных целях тиристоров наступает интервал коммутации — период перехода тока с VD2 на VD1, в течение которого . По окончании этого интервала VD2 заперт, VD1 открыт и . На интервале от ( — угол, в течение которого к VD2 приложено обратное напряжение для вос­становления его запирающих свойств) до угла ток от генератора протекает через другую половину вторичной обмотки трансформатора и VD1. Участок напряжения (отрицательной полярности) опреде­ляет U_d инвертора на этом интервале, и т. д.

Рис. 3. Диаграмма работы однофазного ИВС

Заштрихованные участки (рис. 3, а) определяют отрицательный знак напряжения U_d, противоположный режиму выпрямления.

Кривая напряжения на тиристоре (рис. 3, в) определяется сум­мой напряжений на вторичных обмотках трансформатора: максималь­ное прямое напряжение равно , обратное — . Дли­тельность действия обратного напряжения на тиристоре должна обес­печить надежное его запирание, т.е. . На рис. 3, г приведены кривые напряжения сети U₁ и отдаваемого в сеть тока i₁, амплитуда тока равна .

Так как коммутационные процессы в управляемом выпрямителе и ведомом инверторе сходны, то соотношения для периода коммутации в УВ можно использовать и в ИВС при условии подстановки . Тогда

,

т.е. .

При неизменных угле опережения и напряжении U₂ для увеличе­ния инвертируемого тока I_d необходимо уменьшить разность за счет роста угла коммутации, т. е. увеличение инвертируемого тока приводит к уменьшению времени действия запирающего напряжения на выключаемом вентиле. Таким образом, критерием выбора угла является обеспечение при необходимого угла , требуемого для надежного запирания тиристора с целью исключить опрокидыва­ния инвертора.

, (*)

.

Если не учитывать активное сопротивление в цепи источника пи­тания, то его ЭДС будет равна U_d, причем последнее имеет, как видно, отрицательную полярность, а коммутационное падение напряжения будет прибавляться к U_d .

Если принять , то

.

,

или ,

где .

Иначе говоря, при и замене на уравнение инвертора аналогично уравнению УВ.

На рис. 4 приведена обобщенная характеристика преобразова­теля, ведомого сетью, из которой видно, что в пределах угла регули­рования он работает в режиме управляемого выпрямителя, а при — в режиме ИВС.

Рис. 4. Обобщенная характе­ристика тиристорного преобра­зователя

Коммутационное падение напряжения (за полупериод) можно вычислить так:

(**)

.

,

то после подстановки

.

Так как в инверторе E_d = U_d, то повышение E_d приводит к увеличению I_d, т. е. увеличивается мощность, отдаваемая инвертором в сеть.

Зависимость напряжения E_d, питающего ИВС, от тока I_d называется входной характеристикой инвертора. Уравнение характеристики опре­деляется из уравнений (*) и (**):

,

.

Как видно, разница между входной характеристикой ИВС и внеш­ней характеристикой УВ заключается в замене угла на угол и в зна­ке коммутационного падения напряжения.

Входные характеристики ИВС приведены на рис. 5. Из него видно, что для каждого угла регулирование с увеличением I_d рас­тет E_d, причем при этом происходит уменьшение (времени, пре­доставляемого тиристорам для восстановления запирающих свойств). При достижении током некоторого значения угол становится крити­ческим. При дальнейшем увеличении тока происходит опрокидыва­ние тиристора.

Рис. 5. Входные характеристики ИВС

Так как с уменьшением допускаемый ток ИВС уменьшается, то на том же графике можно построить так называемую ограничительную характеристику, соответствующую предельным значениям , при ко­торых еще не происходит опрокидывания инвертора. Уравнение этой характеристики может быть получено следующим образом:

,

.

Подставив это выражение в уравнение входной характеристики ИВС, можно получить

Коэффициент мощности ИВС , где . При и (критический режим)

, .

Трехфазные инверторы применяются значительно чаще чем одно­фазные. Схема трехфазного ИВС подобна схеме Ларионова, только вместо нагрузки последовательно с дросселем включается источник постоянного тока, а выходной частью схемы служит первичная обмот­ка трансформатора, включенная на ведомую сеть. Характеристики и параметры трехфазного ИВС аналогичны рассмотренным.

РЕВЕРСИВНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Во многих случаях в энергетических установках тре­буется получать в нагрузке напряжение постоянного тока различной полярности при питании ее от сети переменного тока, а часто необхо­димо обеспечить и возврат энергии в сеть. К таким установкам отно­сятся в первую очередь электрические машины постоянного тока, работающие в системе электропривода грузоподъемных устройств (кранов, лебедок), а также гребные электрические установки перемен­но-постоянного тока с регулируемыми УВ. Для обеспечения указан­ных режимов применяются так называемые реверсивные УВ (РУВ), без каких-либо контактных переключателей.

Такие РУВ представляют собой два обычных, чаще всего трехфаз­ных мостовых УВ, включаемых по одной из схем, приведенных на рис. 6.

Схема а — перекрестная, требует раздельного питания мостов от отдельных обмоток, поэтому используется реже. Схема б выполнена так, что оба УВ, включенные встречно-параллельно, получают питание от одной вторичной обмотки трансформатора или просто от сети. Реакторы L1-L4 могут быть независимыми, а могут быть выполнены попарно на общих магнитопроводах.

Рис. 6. Схемы реверсивных УВ

Различают два режима управления тиристорными группами РУВ -раздельное и совместное. При более простом, раздельном управлении тиристорные мосты рабо­тают по очереди. Например, чтобы обеспечить полярность напряжения на нагрузке, указанную на рис. 6, б, мост I ра­ботает в режиме выпря­мителя, причем величина напряжения и, следова­тельно, частота вращения машины постоянного то­ка (МПТ) определяются углом регулирования (при напряжение максимально). При необ­ходимости затормозить и остановить МПТ мост I переводится в инверторный режим (), происходит отдача энергии от МПТ, работающей в режиме генератора, в сеть, а когда МПТ останавливается и ее необходимо реверсировать, включается в работу мост II в выпрямительном режиме. После выключения одного моста перед включением другого необходимо обеспечить некоторую паузу, пока ток через тиристоры ранее работавшего моста не спадет до нуля и не произойдет надежное запирание тиристоров. Эта пауза (5 . 20 мс) приводит к некоторому уменьшению быстродействия в переходных режимах электропривода, но для МПТ большой мощности это время практически неощутимо. Для контроля спадания токов в мостах до нуля в схемах предусматриваются специальные датчики тока, сигнал с которых заводится в схему управления. Реакторы между мостами в принципе не нужны, но для исключения режимов прерывистых то­ков, что неблагоприятно отражается на МПТ, в цепи ее якоря должна быть достаточно большая индуктивность.

При совместном управлении сигналы на управляющие электроды подаются на тиристоры обоих мостов, один из которых работает в ре­жиме выпрямления, второй — в режиме инвертирования. Для предот­вращения появления значительных уравнительных токов необходимо, чтобы средние значения напряжений выпрямителя и инвертора были бы равны, т. е. , а для этого необходимо, чтобы

, или ,

или , т. e. .

При недоиспользуется мощность РУВ, а при возникают значительные уравнительные токи. Если в режиме выпрямления работает мост I, а в режиме инвертирования — мост II, то , или .

При изменении направления тока через нагрузку и изменении режимов работы мостов .

Для пояснения процессов пуска, торможения и реверсирования двигателя постоянного тока, питающегося от РУВ, удобно рассмотреть совмещенные внешние характеристики такого преобразователя (рис. 7).

Если необходимо обеспечить пуск МПТ в сторону, определяемую полярностью, указанной на рис. 6, б, осуществляется подача управ­ляющих сигналов на тиристоры моста I с углом , близким к 90°. Дви­гатель начинает разгоняться до небольшой скорости, определяемой . Для дальнейшего увеличения частоты вращения МПТ надо увеличивать , что производится уменьшением угла моста I соот­ветственно до значения . При этом происходит переход рабочей точки с одной внешней характеристики на другую по линиям, показан­ным пунктиром, наклон которых зависит от темпа пуска МПТ и вели­чины индуктивности в цепи якоря. Чтобы не допустить слишком боль­ших токов (больше ), необходимо ограничивать темп изменения . Если схема управления будет настроена на поддержание , то разгон двигателя будет идти практически по линии до дости­жения внешней характеристики УВ, соответствующей заданному углу (например, ), и далее двигатель будет работать в точке пересече­ния этой внешней характеристики и линии М_с=const, если в схеме уп­равления не предусмотрена дополнительная обратная связь, обеспечи­вающая n=const. В этом режиме работает мост I, мост II не используется.

Рис. 7. Диаграмма работы РУВ на электропривод

При необходимости торможения двигателя угол увеличивают, например с до , что эквивалентно для моста II характеристике ; рабочая точка переходит во II квадрант, включается второй мост, отключается первый и дальнейшее торможение (с отдачей энергии в сеть) проводится изменением угла до , т. е. до полной останов­ки двигателя. Для получения максимальной скорости процесса тор­можения тормозной ток следует, регулируя угол , поддерживать на уровне, близком к . При дальнейшем изменении угла регулирова­ния второго моста можно обеспечить пуск МПТ в обратном направ­лении.

Диаграмма напряжений на мостах РУВ приведена на рис. 8. Реверсивный управляемый выпрямитель с совместным управле­нием мостов позволяет обеспечить высокие динамические качества электропривода постоянного тока, однако у него есть и два больших недостатка — повышенные требования к схемам управления мостов для точного обеспечения равенства , а также неизбеж­ность появления уравнительных токов между мостами. Эти токи возникают как следствие неравенства мгновенных значений напря­жений и , создаваемых мостами, работающими соответственно в выпрямительном и инверторном режимах (при равенстве средних значений). Если мост I работает как выпрямитель, а мост II — как ин­вертор, то при имеет место разность напряжений (рис. 8, б). Уравнительный ток протекает по внутреннему контуру, образуемому открытыми тиристорами (в данный момент) и обмотками трансформа­тора. Так, на интервале уравнительный ток протекает через тиристо­ры 5 и 6 моста I и 4 и 5 моста II (расположение диодов в мостах пока­зано на рис. трехфазного мостового УВ). Так как сопротивления этих контуров очень не­велики, для ограничения уравнительного тока необходимо применять специальные меры, например включать в цепь реакторы.

Рис. 8. Диаграмма напряжений на мостах РУВ

Индуктивность реакторов рассчитывают из условия ограничения уравнительных токов до уровня . Естественно, с применением реакторов ухудшаются массогабаритные показатели РУВ, увеличи­ваются потери в вентилях и обмотках трансформатора, требуются дополнительные меры по охлаждению элементов схемы. Поэтому РУВ с совместным управлением следует использовать при создании быстро­действующих, относительно малоинерционных приводов.

Необходимо иметь в виду, что уравнительные токи возникают и в РУВ, выполненном по перекрестной схеме, но так как частота этих токов в два раза больше, чем во встречно-параллельной схеме, то габариты реакторов соответственно меньше.

Для получения в нагрузке регулируемого напряжения постоян­ного тока любой полярности можно применять схему (рис. 9), включающую один трехфазный УВ с одной схемой управления, кото­рый может работать как в выпрямительном, так и в инверторном ре­жиме, и тиристорный переключатель полярности VD7, VD10. При включении VD7 и VD10 ток по нагрузке протекает слева направо, при включении VD8 и VD9 — в обратном направлении.

Рис. 9. РУВ с тиристорным переключателем полярности

Так как в схему управления этими тиристорами можно не вклю­чать устройства фазового управления, а предусмотреть только бло­кировку переключения при , то все устрой­ство получается дешевле, проще и не требует защиты от уравнитель­ных токов. Но, как и в схеме с раздельным уп­равлением тиристорных мостов, в этой схеме следует учесть бестоко­вую паузу.