4. Однофазный, ведомый сетью инвертор

4.1 Краткие теоретические сведения

Процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока называют инвертированием. Ведомые сетью инверторы осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока. Схема однофазного ведомого инвертора с выводом нулевой точки приведена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом

Из сравнения рисунков 10 и 11 видно, что инверторы, ведомые сетью (зависимые инверторы) выполняют по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Различие заключается только в том, что вместо нагрузочного сопротивления, в инверторе включена машина постоянного тока - М. Машина постоянного тока, работающая в генераторном режиме, является источником инвертируемой энергии Е_d, в инверторе. Поэтому одна и та же вентильная схема может работать в выпрямительном или в инверторном режиме.

Основное отличие, в указанных режимах работы схемы, заключается в направлении потока энергии. В выпрямительном режиме энергия из сети переменного тока поступает в сеть постоянного тока (машина постоянного тока – М, работает при этом в режиме двигателя). При работе схемы в инверторном режиме машина постоянного тока является генератором энергии, а сеть переменного тока – ее потребителем. Генераторному режиму работы машины постоянного тока будет отвечать полярность напряжения Е_d, обратная режиму выпрямления.

Укажем основные условия перевода схемы из выпрямительного режима в инверторный режим:

• изменить полярность подключения машины М к цепи постоянного тока;

• среднее напряжения инвертора U_d имеет полярность противоположную режиму выпрямления. Поэтому второе условие перевода схемы в инверторный режим – обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений трансформатора;

• отпирать тиристор, вступающий в работу, с углом опережения .

Для указанного способа перевода выпрямителя в режим инвертирования

сохраняется прежнее направление тока ι_d в схеме и изменяется полярность постоянного напряжения U_d.

Приведем основные расчетные соотношения для однофазного ведомого инвертора. Обозначения величин в расчетных формулах, в основном, аналогичны обозначениям для управляемого выпрямителя. Новые обозначения будут снабжены дополнительными пояснениями.

Ток инвертора I_d, А, определяется соотношением

I_d = , (52)

где - угол опережения инвертора; γ – угол коммутации; х_а – реактивное сопротивление, учитывающее индуктивности рассеяния обмоток трансформатора и индуктивности питающей сети.

Максимальное значение инвертируемого тока

I_dmax = , (53)

где cos _min - угол, определяющий длительность действия обратного напряжения на тиристоре схемы, равный

_min = 360º·t_в· f _с, (54)

t_в – время выключения тиристора ,

f _с- частота сети.

Для устойчивой работы инвертора угол = - γ не должен быть меньше угла _min. При неизменных значениях угла опережения и напряжения U₂ увеличение инвертируемого тока приводит к уменьшению угла за счет увеличения угла коммутации γ. Поэтому критерием выбора угла опережения является обеспечение необходимого угла _min при максимально допустимом токе

= arccos . (55)

Без учета коммутационных процессов и активных сопротивлений в цепи источника питания, ЭДС генератора Е_d полностью уравновешивается средним значением напряжения U_d, т.е. Е_d = U_d. Для напряжения инвертора (модуля напряжения) справедливо соотношение

U_d = или U_d = U_d0·cos , (56)

где U_d0 = 0,9 U₂.

По уравнению (56) строится регулировочная характеристика инвертора. При этом необходимо учитывать полярность напряжения U_d на инверторе. Сравнение уравнений регулировочных характеристик (формулы 25 и 55) показывает, что с учетом соответствующего угла α или угла можно построить обобщенную (полную) регулировочную характеристику выпрямительно- инверторного преобразователя.

С учетом коммутационных процессов в схеме противо-ЭДС инвертора U_d, которая уравновешивает напряжение источника питания Е_d, рассчитывают по формуле

U_d = E_d = U_d0 . (57)

Повышение ЭДС генератора в инверторном режиме ограничивается минимально допустимой величиной _min. Поэтому величины E_{d max} и U_{d max} определяют с учетом _min:

U_{d max} = E_{d max} = U_d0 . (58)

Уравнение входной характеристики имеет вид

U_d = E_d = U_d0·cos + . (59)

Следует обратить внимание на следующее: коммутационное падение напряжения в схеме инвертора приводит к тому, что увеличение инвертируемого тока I_d обусловливает повышение напряжений U_d и E_d. В выпрямительном режиме связь между U_d и I_d обратная.

Повышение тока I_d сопровождается увеличением угла коммутации γ, что вызывает уменьшение угла . Предельные значения тока I_dmax, при разных значениях угла находят из точек пересечения входных характеристик инвертора с его ограничительной характеристикой.

Уравнение ограничительной характеристики

E_{d max} = U_{d max} = U_d0 cos _min - . (60)

Коэффициент мощности ведомого инвертора определяется таким же соотношением, как и для выпрямителя, т.е.

λ = k· cos φ,

где k –коэффициент искажения, имеет тот же смысл и значение что и в формуле (51);

cos φ = cos ( + ). (61)

Для увеличения значения cos φ инвертор должен работать при наименьшем угле опережения β_min, равном

β_min = _min + γ_max. (62)

Следовательно, наибольшее значение коэффициента мощности равно

cos φ = cos ( _min + γ_max /2). (63)

Полученные соотношения используют при расчете схемы преобразователя, работающего в инверторном режиме. Заданными величинами обычно являются максимальные значения инвертируемого напряжения, Е_{d max}, и тока, I_{d max}, а также напряжение приемной сети U₁ или другие параметры, позволяющие определить искомые величины.