10. Обращение потока мощности в электромашинной системе электропривода и в системе тп-д.

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Источник и приемник энергии постоянного тока.

В исходном состоянии правый подъемный сосуд находится в верхнем положении, левый- в нижнем. Цель “перегона”- поменять подъемные сосуды местами. В начале “перегона” электрическая машина “=М”должна развивать двигательный момент для движения вверх “левого” сосуда вместе с тяжелым подъемным канатом. Когда подъемные сосуды окажутся в середине шахтного ствола, напротив друг друга, левая и правая ветви уравновесятся, а при дальнейшем движении праваябудет раскручивать шкив “Ш ”, а значит, и якорь машины “=М”, под действием спускаемого подъемного сосуда и более длинной ветви каната. Машина “=М”должна оказывать тормозное воздействие на раскручиваемый грузом шкив.

Рассмотрим виды преобразования энергии и направление этой энергии при выполнении операции “перегона”.

В начале этой операции электрическая машина “~М”, потребляя из сети переменного тока электрическую энергию, т.е. работая в режиме электрического двигателя, преобразует ее в механическую энергию вращающегося вала, который вращает якорь электрической машины постоянного тока G. Эта машина, будучи возбужденной, работая в режиме генератора постоянного тока, преобразует полученную механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Эта энергия, в виде тока и напряжения по проводам поступает на якорь машины “=М”, где преобразуется в механическую энергию вращающегося шкива “Ш” и энергию, необходимую для подъема левого подъемного сосуда вместе с канатом.

Т.о. электрическая энергия потребляется из сети переменного тока, претерпевает ряд преобразований, и, в конечном счете, используется для выполнения механической работы. Назовем такое направление энергии прямым.

В статическом режиме работы ток I_я определяется выражением:

I_я = (E_G - E_М )/  R_я.ц.

Такое выражение для тока I_я связано с тем, что ЭДС E_М направлена встречно с ЭДС E_G и величина тока зависит от разности этих ЭДС. Т.к. в начале процесса “перегона” груз оказывает тормозящее действие на якорь машины “=М”, ее ЭДС, зависящая от частоты вращения, меньше, чем ЭДС E_G и направление тока в якорной цепи совпадает с направлением ЭДС E_G.

Эта сонаправленность ЭДС и тока являются единственным признаком источника электрической энергии постоянного тока.

Если же направление ЭДС и тока в каком- то устройстве встречное, то это означает, что перед нами- приемник электрической энергии.

По мере перемещения левой ветви каната, с подвешенным к ней подъемным сосудом, вверх происходит снижение нагрузки на вал двигателя “=М”, частота вращения его увеличивается, возрастает ЭДС E_М , что приводит к уменьшению тока I_я . В тот момент, когда ветви каната уравновесятся, когда подъемные сосуды окажутся в середине ствола, сравняются по величине и встречные ЭДС E_М и E_G.

Ток в якорной цепи на какое- то мгновение станет равным нулю, что означает, что в данный момент нет ни приемника, ни источника электрической энергии. Но как только правая ветвь перевешивает левую, спускаемый груз начинает ускорять вращение машины “=М”. Ее ЭДС становится больше, чем ЭДС E_G, и в этот момент ток в якорной цепи меняет свое направление. Момент смены направления тока- есть момент перехода приемника энергии “=М” в другое качество. Он становится источником, а машина G- приемником энергии.

С этого момента поток энергии меняет свое направление на обратное. Она вырабатывается в виде механической энергии спускаемого груза, претерпевает обратные, по сравнению с прямым направлением, преобразования и, в конечном счете, поступает в виде электрической энергии в питающую сеть. Таким образом в рассмотренной электромашинной системе (именуемой системой Г-Д) смена режимов работы электрических машин происходит автоматически без каких-либо переключений в схеме, т.е. без вмешательства обслуживающего персонала в работу установки. Движение подъемных сосудов происходит приблизительно с постоянной скоростью, а приводной электродвигатель “=М” обеспечивает на первом этапе пути подъемных сосудов вращательный момент, т.е. работает в двигательном режиме, а на втором, заключительном этапе- тормозной момент, т.е. работает в генераторном режиме.

Инвертирование потока энергии из прямого на обратное направление сложнее происходит в системе “тиристорный преобразователь- двигатель постоянного тока” (ТП-Д), чем в системе Г-Д.

Сложность вытекает из того, что не удается изменить направление тока в якорной цепи, вследствие односторонней проводимости вентилей. В работу схемы необходимо вмешательство обслуживающего персонала. Рассмотрим описанный ранее “перегон порожних сосудов”, заменив машины ~М и G на один тиристорный преобразователь (ТП). Один ТП в состоянии реализовать функции этих двух машин. Рассмотрим процессы, происходящие в системе ТП- Д при выполнении “перегона” и способы управления этим процессом.

При движении левого сосуда вверх до середины ствола машина “М” работает в двигательном режиме, а преобразователь- в выпрямительном. Их ЭДС направлены встречно, но т.к. E_d превышает величину E_М , ток I_d совпадает по направлению с ЭДС E_d .

В соответствии с признаками источника и приемника ТП является источником, а машина “М”- приемником энергии. После перехода положения равновесия сосудов в стволе, левая ветвь окажется короче правой и машина “М”, раскручиваемая более тяжелой правой ветвью, увеличит свои обороты. При этом, возрастает значение ЭДС E_М, она превысит E_d , однако ток I_d изменить свое направление на противоположное не сможет- этому помешает односторонняя проводимость вентилей. Это означает, что машина “М” не становится источником, а ТП- приемником энергии.

Для реализации последнего, не изменяя при этом направление тока в якорной цепи на обратное, необходимо поменять полярность ЭДС преобразователя и машины “М”. В ТП это достигается изменением величины угла управления  . Его нужно сделать большим, чем 90. Выполнить это очень просто, воздействуя на систему ТП. Т.е. в силовой цепи преобразователя никаких переключений делать не требуется. Изменить полярность ЭДС машины “М”, в принципе, можно тремя способами:

• Изменить направление вращения машины на обратное, что для нас не подходит;

• Переключить силовые провода (точки 1 и 2) на противоположные щетки якоря машины “М”;

• Поменяв направление тока обмотки возбуждения на противоположное, изменив, например, полярность напряжения возбуждения U_в.(выбираем его)

При этом, будет обеспечен перевод машины “М” в режим работы источником энергии, а ТП- в режим работы приемником энергии. На схеме видно, что направление тока I_d не меняется, а направление ЭДС машины “М” и ТП соответствуют пунктирным стрелкам. Диаграммы напряжения и тока при работе ТП в режиме приемника энергии, т.е. в инверторном режиме приведены на рис 22.

Анализируя работу тиристорного преобразователя в инверторном режиме, можно перечислить условия, при которых этот режим возможен.

Эти условия следующие:

1. Нагрузка должна содержать в своем составе источник постоянной ЭДС-E_М ;

2. Схема должна обеспечивать возможность протекания тока в направлении ЭДС нагрузки, т.е. полярность E_М должна совпадать с проводящем направлением вентилей. Для выполнения этого требования мы изменим полярность ЭДС E_М на E_М;

3. Тиристорный преобразователь должен вырабатывать ЭДС E_d, направленную встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров;

4. Среднее значение ЭДС нагрузки должно превышать среднее значение ЭДС ТП.

Рис 22

Сказанное можно проиллюстрировать следующими эквивалентными схемами, изображающими выпрямительный и инверторный режимы работы ТП: