Вопросы

1. Классификация и принцип работы зависимых инверторов.

2. Коммутация анодных токов при работе инвертора.

 

1.При эксплуатации электроустановок в ряде случаев возникает необходимость преобразования постоянного тока в переменный. Процесс, обратный выпрямлению переменного тока, выполняемый статическими преобразователями, называют инвертированием тока, а преобразователи, соответственно, называют инверторами.

В устройствах электроснабжения железных дорог постоянного тока инвертирование тока оказывается необходимым при рекуперативном торможении ЭПС. В этом случае кинетическая энергия движущегося поезда, преобразованная тяговыми двигателями электровоза в электроэнергию постоянного тока, передается через контактную сеть на тяговые подстанции для инвертирования и далее в питающую систему переменного тока. При применении рекуперативного торможения на электровозах переменного тока инвертирование осуществляется преобразователями, установленными на электровозе.

При работе инвертора на общую сеть параллельно с мощными источниками переменного тока коммутационные процессы в нем зависят от этих источников, определяющих напряжение и частоту чети. Такие инверторы называют зависимыми или ведомыми сетью.

Другой класс инверторов, автономно преобразующих постоянный ток в переменный и определяющих частоту и значение выходного напряжения, называют автономными или независимыми.

Принцип работы переключаемого зависимого инвертора может быть рассмотрен на примере трехпульсового преобразователя при работе его совместно с обратимой машиной постоянного тока, которой является тяговый двигатель ЭПС.

На тяговых подстанциях, как правило, применяют выпрямители, соединенные по шестипульсовым схемам: с нулевым выводом и уравнительным реактором или мостовой. Составным элементом каждой из этих схем является трехфазная коммутирующая группа. Поэтому все особенности работы трехпульсового инвертора могут быть отнесены и к шестипульсовым.

Принципиальная схема трехпульсового выпрямителя, питающего тяговые двигатели ЭПС представлена на рис.1,а.

В условиях стационарного режима работы выпрямленный ток в цепи выпрямитель-двигатель определяется выражением

I_d = (U_d - E_d)/R_d,

где U_d – выпрямленное напряжение на шинах преобразователя;

R_d – активное сопротивление в цепи выпрямленного тока (для систем электроснабжения постоянного тока это сопротивление контактной сети на участке между подстанцией и ЭПС и сопротивление сглаживающего реактора подстанции);

E_d – ЭДС двигателя.

При этом направлении тока в обмотке якоря встречно по отношению к ЭДС E_d (рис.1,а), что является признаком двигательного режима электрической машины.

 

Рис.1

При рекуперативном торможении поток возбуждения двигателей увеличивают и переводят их в генеративный режим без изменения полярности E_d. Для получения эффекта электрического торможения тяговые двигатели, работающие в генеративном режиме, должны быть нагружены. Поэтому ЭДС машин повышают с тем, чтобы предать энергию рекуперации через контактную сеть поездам, находящимся в тяговом режиме.

В случае отсутствия таких поездов, нет либо при потреблении ими лишь части энергии рекуперации, остальная часть энергии является избыточной и должна быть инвертирована в питающую систему. Для этого ЭДС электрических машин должна быть поднята до значений, больших напряжения холостого хода выпрямителя (E_d>U_d0).

Однако, хотя E_d>U_d0 протеканию тока от двигателей ЭПС будут препятствовать вентили преобразователя. Поэтому для случая использования вентилей преобразователя также и для инвертирования тока для перевода преобразователя в инверторный режим необходимо изменить полярность присоединения его к тяговой обмотке в соответствии с рис.1,б. На тяговых подстанциях это осуществляется посредством выключателей присоединяющих преобразователь к шинам выпрямленного тока. Направление выпрямленного тока после переключения полярности совпадает с направлением ЭДС E_d, что говорит о генеративном режиме работы двигателей ЭПС.

Необходимо отметить, что для реализации процесса инвертирования тока вентильная обмотка преобразовательного трансформатора, по которой в данный момент протекает ток инвертора I_и, должна работать в двигательном, а не в генеративном режиме, воспринимая электрическую энергию, отдаваемую машинами ЭПС, и передавая ее путем трансформации через сетевую обмотку в питающую систему.

Так как вентили выпрямителя как правило неуправляемые, ток I_и может протекать по любой из фаз вентильной обмотки, однако не во всех случаях будет иметь место инвертирование тока.

Условия, при которых в рассматриваемой схеме достигается инвертирование тока, могут быть пояснены с использованием диаграммы напряжений, представленной на рис.3,а.

 

Рис.3

 

 

На синусоидально изменяющееся напряжение фаз вентильной обмотки (U_a, U_b, U_c) наложено напряжение источника E_d. Положение его в линейной диаграмме соответствует схеме (рис.3,б), в которой положительный полюс генератора связан с точкой О вентильной обмотки, потенциал которой отражен прямой, совпадающей с осью t. Потенциал минусового полюса смещен на величину E_d. Полярность активных элементов схемы показана на рис.3,б для момента времени t₁.

При трех возможных путях протекания тока через обмотки фаз а, в, с наибольшая разность потенциалов в момент t₁ будет в цепи генератор-обмотка фазы а. в линейной диаграмме напряжений эта сумма изображается отрезком 1-5. Пи равных сопротивлениях ветвей вентильной обмотки напряженность поля в цепи обмотки фазы а будет наибольшей и, следовательно, ток в момент времени t₁ будет протекать в цепи фазы а. Как видно из схемы (рис.3, а, в) направление тока I_и при этом совпадает с направлением напряжения U_d. Это означает, что вентильная обмотка трансформатора работает в режиме генератора, т.е. отдает энергию, получаемую из питающей системы переменного тока, совместно с энергией генератора (двигатель ЭПС, работающий в генераторном режиме), где она рассеивается на сопротивлении R_d. Т.о. инвертирование потока энергии при этом не возникает и преобразователь продолжает работать как выпрямитель.

Если в рассматриваемой схеме предварительно отключить выключатель В1, то в момент времени t₁ ток I_н будет проходить по обмотке фазы в. В этом случае аналогично с фазой а направления тока и напряжения в цепи работающей фазы будут совпадать и преобразователь будет работать так же в выпрямительном режиме.

Инвертирование тока может быть достигнуто лишь в случае, когда в момент t₁ ток от генератора будет проходить по обмотке фазы с (выключатель В2, В1 – разомкнуты). В этом случае направления тока I_и, протекающего под воздействием разности напряжений E_d-U_с (отрезок 4-5), и напряжения U_с будут противоположны, что является признаком работы вентильной обмотки в двигательном режиме. Энергия, отдаваемая генератором, будет потребляться вентильной обмоткой и путем трансформации передаваться через сетевую обмотку в питающую энергосистему.

Таким образом, инвертирование тока преобразователем возможно лишь при условии, когда обеспечивается работа фаз вентильной обмотки трансформатора, напряжение которых встречно по отношению к направлению генератора.

В реальных схемах инверторов вместо выключателей В1, В2, В3 используют тиристоры (рис.3, в). Случай, когда инвертируемый ток непрерывен и, следовательно, существуют участки одновременной работы чередующихся фаз, в течение которых происходит коммутация токов, наиболее интересен с точки зрения обеспечения устойчивой работы инвертора.

Рассмотрим этот случай. Для достижения наиболее эффективной работы инвертора коммутационного тока в анодных цепях желательно производить в моменты времени, соответствующие точке пересечения отрицательных участков синусоид (моменты времени t₂ для фазы а). В этом случае выходное напряжение инвертора и реализуемая инвертором мощность при данном токе имела бы максимальные значения.

Очевидно, в начале коммутации на тиристоры очередной фазы (в данном случае фазы а) дожжен быть подан отпирающий импульс. Однако, несмотря на отпирание тиристоров фазы а в момент t₂ перехода тока инвертирования в цепь этой фазы не произойдет, так как протекающий в контуре работающей фазы с ток обеспечивает поддержание открытого состояния тиристоров этой фазы. В последующие моменты времени суммарное напряжение, приложенное в цепи фазы с, становится большим, чем в цепи фазы а. Поэтому фаза с остается в работе, и начиная с момента времени t₃ инвертор переходит в выпрямительный режим, вызывающий аварийные сверхтоки. Такой срыв инверторного режима получил название опрокидывание инвертора.

Для обеспечения коммутации токов при работе инвертора подачу отпирающих импульсов на тиристоры очередной фазы производят раньше моментов времени, соответствующих точкам пересечения отрицательных участков синусоидального напряжения коммутирующих фаз (точка t_и).

 

2.Процесс коммутации происходит аналогично коммутации в выпрямителе. Неизменная ЭДС генератора E_d в данном случае не виляет на процесс коммутации.

Индуктивность в цепях коммутирующих фаз препятствует мгновенной коммутации. В момент отпирания тиристоров очередной фазы ток в ней начинает нарастать до значения полного тока инвертирования, а в цепи, работающей фазы – спадать до нуля. Сумма этих токов равна току инвертирования

i_a+ i_c= I_и = const (при неизменном значении I_инв).

 

Поэтому => .

Так как индуктивность фаз вентильной обмотки трансформатора одинаковы и ЭДС самоиндукции в период коммутации е_sa = - е_sc, то выходное напряжение инвертора в период коммутации равно полусумме напряжений коммутирующих фаз.

Угол опережения β вне зависимости от значения тока инвертирования должен выбираться большим угла коммутации γ для предотвращения опрокидывания инвертора.

При β = γ в момент окончания коммутации к тиристорам работающей фазы прикладывалось бы прямое напряжении, что приводило бы к опрокидыванию инвертора. Поэтому при работе инвертора с постоянным углом опережения его обычно выбирают из соотношения

Β = γ_max+ δ_max+ τ,

где γ_max – время коммутации в угловых единицах при максимальном расчетном токе инвертирования I_{и max};

δ_max – время выключения тиристоров в угловых единицах при токе I_{и max};

τ – угол запаса, равный 5⁰-10⁰ при f=50 Гц.

Время δ ≈ 50-250 мкс.

Время коммутации зависит от значения инвертируемого тока и определяется параметрами элементов инвертора, участвующими в процессе коммутации.