6. Исследование однофазного мостового зависимого инвертора

6.1. Основные теоретические сведения

Как известно, одним из основных достоинств управляемого выпрямителя является возможность перевода его в режим инвертирования [1, 2, 3]. Инверторы производят преобразование энергии постоянного тока в переменный ток. Если это преобразование осуществляется с отдачей энергии в сеть промышленной частоты, то такие инверторы называют зависимыми или ведомыми сетью. В устройствах электрической тяги переменного тока применяются однофазные зависимые инверторы. В промышленном электроприводе используются как однофазные, так и трехфазные зависимые инверторы. Без них невозможна работа линий электропередач постоянного тока. Инвертирование в основном применяется для рекуперативного торможения как на электрифицированном железнодорожном транспорте, так и метрополитене и городском электрическом транспорте. На электроподвижном составе железных дорог вследствие перехода двигателей в генераторный режим и выпрямителя в инверторный механическая энергия движущейся массы поезда возвращается в виде электрической энергии в тяговую сеть. Таким образом, одновременно с процессом торможения поезда эта энергия может быть использована для тяги другими электровозами, находящимися на этой зоне.

Силовая часть и схема управления однофазным инвертором подобны аналогичным схемам управляемого выпрямителя, поэтому управляемый выпрямитель несложно перевести в инверторный режим.

Условия, при которых управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим, следующие:

1)   наличие в качестве нагрузки выпрямителя эдс (аккумулятор или двигатель постоянного тока, работающий в генераторном режиме);

2)   направление тока и противоэдс электрической машины должны совпадать;

3)   ток и эдс вентильной обмотки трансформатора должны быть направлены встречно;

4)   угол управления тиристоров должен превышать 90° эл.;

5)   режим непрерывного тока нагрузки обеспечивается, если в цепь нагрузки включается большая индуктивность.

Для работы схемы в инверторном режиме необходимо, чтобы двигатель с противоэдс E_d исполнял роль источника, а трансформатор – приемника энергии. Как известно, в источнике направление эдс и тока совпадают, а в приемнике они направлены в противоположные стороны. Чтобы обеспечить подобный режим, необходимо включать тиристоры в те моменты времени, когда при положительном направлении противоэдс E_d напряжение вторичной обмотки трансформатора отрицательно. Положительное по отношению к вентилям направление эдс электрической машины на электровозе обычно обеспечивается изменением полярности питания обмотки возбуждения. Выбор противоположного направления эдс вторичной обмотки обеспечивается с помощью системы управления при угле управления p/2 ≤ a ≤ p.

На рис. 6.1 представлена схема силовой части однофазного мостового зависимого инвертора, которая применяется на электроподвижном составе переменного тока. Рассмотрим работу схемы при следующих условиях: трансформатор и вентили идеальны (х_т = 0, R_д.пр. = 0) и индуктивное сопротивление реактора, включенного последовательно с электрической машиной, имеет достаточно большое значение по отношению к активному сопротивлению всей цепи (х_d → ∞).

 

Рис. 6.1. Схема однофазного мостового зависимого инвертора

 

Во время открытого состояния тиристоров VS1 и VS4 (рис. 6.1) ток от положительного полюса генератора (генератора с эдс E_d) протекает по цепи: +E_d, VS4, вывод обмотки трансформатора х, начало обмотки а, тиристор VS1, индуктивность x_d, минус источника E_d. Направление тока i_d совпадает с направлением эдс (это источник), а в обмотке трансформатора направление тока и напряжения противоположно (приемник энергии).  В следующий момент времени системой управления (СУ) открываются тиристоры VS2 и VS3 и закрываются VS1 и VS4. Ток по источнику E_d будет протекать в прежнем направлении, а по обмотке трансформатора изменится на противоположный. Направление эдс вторичной обмотки трансформатора е₂ соответственно изменится на обратное.

Временные диаграммы токов и напряжений характерных точек схемы однофазного мостового инвертора при идеальном трансформаторе и бесконечно большой индуктивности в цепи нагрузки изображены на рис. 6.2.

При протекании тока через индуктивность L_d с моментов времени от 0 до π, значение E_d больше мгновенного значения е₂ и в индуктивности идет накопление энергии. Когда эдс вторичной обмотки больше по амплитуде E_d, тиристоры не закрываются, так как энергия, запасенная в x_d, будет отдаваться. На этом промежутке времени эдс самоиндукции, возникающая в x_d, будет совпадать по направлению с E_d и вычитаться из эдс вторичной обмотки е₂.

 

 

Рис. 6.2. Временные диаграммы токов и напряжений зависимого инвертора

 

Управляющие импульсы должны открыть тиристоры VS2 и VS3 раньше p на угол опережения инвертора b, равный в данном случае углу запаса d. Угол запаса, как известно, зависит от типа тиристоров, применяемых в схеме, а также тока инвертора. За это время закрывшиеся тиристоры VS1 и VS4 должны успеть восстановить свои запирающие свойства. В противном случае позже точки p на аноде тиристоров VS1 и VS4 появится положительный потенциал и их закрыть будет невозможно. Если к моменту включения тиристоров VS2 и VS3 процесс рекомбинации основных носителей в тиристорах VS1 и VS4 не будет закончен, то наступит аварийный режим.

Среднее значение инвертируемого напряжения холостого хода можно найти по аналогии с однофазной мостовой схемой выпрямления, учитывая диаграмму на рис. 6.2,

_{,          (6.1)}

так как

,

поэтому        

 .                                       (6.2)

 

Таким образом, среднее значение напряжения холостого хода инвертора меньше аналогичного напряжения выпрямителя в cos β раз.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

 

.                                         (6.3)

 

Среднее значение тока тиристора в инверторе, как и в выпрямителе, определяется по формуле (5.4).

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

 

.                                (6.4)

 

Действующий ток первичной обмотки трансформатора

 

.                                  (6.5)

 

При наличии реального трансформатора и индуктивности сети в цепях преобразователя появляются коммутации. Коммутационный процесс в инверторе происходит аналогично коммутации в выпрямителе. Так как индуктивное сопротивление обмоток трансформатора больше нуля, энергия магнитного поля коммутирующих фаз реализуется в тех же цепях. 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 и равна току инвертирования I_и. Процесс коммутации происходит на интервале времени, характеризуемом углом коммутации . Процесс коммутации в инверторе изменяет форму инвертируемого напряжения и тока и нарушает выведенные ранее математические соотношения. Если трансформаторы выпрямителя и инвертора одинаковы, то коммутационные потери напряжения при одинаковой величине тока будут равны, а внешняя характеристика по виду аналогична внешней характеристике управляемого выпрямителя. Для отличия обычно внешнюю характеристику инвертора изображают в IV, либо II квадранте.

На интервале, измеряемом углом коммутации , напряжение u_d в однофазном инверторе равно нулю, так как все тиристоры одновременно проводят ток. По уровням потенциалов схема оказывается стянутой в одну точку. Среднее значение напряжения U_d увеличивается на величину :

 

.          (6.6)

 

Заменив угол a на p–b, получим

 

.                       (6.7)

 

Падение напряжения на коммутацию еще можно определить как

 

.                                    (6.8)

 

Интервал коммутации  при заданном угле управления α уменьшает время, в течение которого к тиристору, выходящему из состояния высокой проводимости, прикладывается обратное напряжение, необходимое для восстановления его запирающих свойств. Для обеспечения гарантированного выключения тиристоров до момента приложения к ним прямого напряжения угол запаса после коммутации не должен быть меньше некоторого минимального значения d_min, определяемого временем выключения тиристоров инвертора.

Так как токи, протекающие в обмотках трансформатора, определяются токами работающих тиристоров, то характерные искажения на интервале коммутации получит кривая напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂. Для однофазного инвертора на этом интервале образуется нулевая площадка. Это отражается на форме напряжения сети, а также на форме напряжений, прикладываемых к тиристорам.

Если в питающей сети присутствует некоторая индуктивность L_c, которая входит в состав L_a, следовательно, искажения кривой напряжения распределятся пропорционально значениям L_c сети и L_T трансформатора при общей анодной индуктивности L_a = L_c + L_T. Если допустить, что L_а = 0, то напряжение u₂ не будет иметь искажений.

С учетом коммутационных потерь напряжения среднее значение напряжения инвертора при нагрузке U_dβ и напряжение холостого хода U_d0связаны между собой соотношением

 

.                                  (6.9)

 

Зависимость напряжения U_dβ, подводимого от источника постоянного тока, от тока инвертора I_d называется входной (внешней) характеристикой инвертора.

Уравнение входной характеристики инвертора отличается от уравнения внешней характеристики выпрямителя параметром управления β и знаком «–» при потерях ΔU_γ. С увеличением тока I_d возрастают коммутационные потери напряжения, что приводит к повышению суммы напряжений правой части уравнения (6.9) и, следовательно, инвертируемого напряжения U_dβ. Напряжение инвертора U_dβ противоположно напряжению U_d0 выпрямителя, что отражается знаком минус в правой части выражения (6.9).