Электроника / Lektsia15OdnofIV_8

Лекция 15

Однофазный инвертор, ведомый сетью

Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Инверторы, ведомые сетью, осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока, то есть решают задачу, обратную выпрямлению. Инверторы, ведомые сетью, управляются сетью переменного тока, в которую энергию они отдают, т.е. частота инвертирования определяется частотой сети.

Инверторы, ведомые сетью, нашли широкое применение в транспорте с электроприводом, за счет них производится рекуперативное торможение, при этом кинетическая энергия электрической машины, и связанной с ней механической системы, преобразуется в электрическую и передается обратно в электрическую сеть. В нефтяной промышленности в процессе бурения нефтяных и газовых скважин спускоподъемные операции производятся с помощью лебедки, которая приводится в движение электрической машиной постоянного тока, питаемой от выпрямителя – инвертора. Потенциальная энергия поднятого на поверхность инструмента (несколько километров бурильных труб) при спуске преобразуется в электрическую и трансформируется в питающую электрическую сеть.

Рисунок 15.1 - Принцип передачи энергии между источниками напряжения

Принцип передачи энергии от одного источника к другому иллюстрируется на рисунке 15.1,а. Если , то по цепи пойдет ток, направление тока таково, что он вытекает из положительного полюса источника E₂ и втекает в положительный полюс источника . Это положение можно сформулировать таким образом: источником энергии является тот генератор, у которого направления (фаза) напряжения и тока совпадают, а потребителем энергии является тот генератор, у которого направления (фаза) напряжения и тока противоположны.

В вентильных преобразователях ток может протекать только в одном направлении. Для передачи энергии от к (рисунок 15.1,б) необходимо поменять полярность включения источников.

15.1 Однофазный инвертор, ведомый сеть, со средней точкой

Ведомые инверторы выполняют по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. На рисунке 15.2 представлен инвертор, ведомый сетью со средней точкой трансформатора. В качестве источника инвертируемой энергии принята машина постоянного тока ЭМ, работающая в режиме генератора. Для того, чтобы передать энергию от электрической машины в питающую сеть без изменения направления тока, следует изменить полярность включения электрической машины на противоположную.

Рисунок 15.2 - Однофазный инвертор, ведомый сетью

Рассмотрим работу инвертора для случая чисто индуктивной нагрузки , временная диаграмма показана на рисунке 15.3.

Рисунок 15.3 - Временная диаграмма работы однофазного инвертора, ведомого сетью

Допустим, что на интервале 0-1 открыт тиристор VT2, он остается открытым даже при отрицательной полуволне напряжения , т.к. , при этом ток от электрической машины втекает в конец обмотки с напряжением , имеющий положительный потенциал, а вытекает из положительного полюса электрической машины. Таким образом, электрическая машина становится источником энергии, работает в режиме генератора, а обмотка трансформатора - потребителем. В точке 1 подается отпирающий импульс со сдвигом на угол α, открывается тиристор VT1 (), напряжение скачком переходит с кривой напряжения на кривую напряжения . При этом к тиристору VT2 прикладывается обратное напряжение со всей вторичной обмотки (плюс на катод, минус на анод), что приводит к запиранию тиристора VT2 и переходу тока на тиристор VT1. При большой величине ток , а токи тиристоров имеют форму прямоугольных импульсов. Тиристор VT1 остается открытым на интервале 1-3 , на интервале 2-3 тиристор поддерживается открытым за счет электрической машины . На этом интервале ток втекает в конец обмотки с напряжением , имеющий положительный потенциал, а вытекает из положительного полюса электрической машины. Таким образом, и в этом случае, электрическая машина становится источником энергии, работает в режиме генератора, а обмотка трансформатора - потребителем. Рассматривая ток и напряжение , можно сделать вывод , что на участках 0-1 и 2-3 ток и напряжение находятся в противофазе, следовательно, питающая сеть является потребителем энергии.

Кривая дает мгновенные значения противо-э.д.с., которую вырабатывает инвертор. Среднее значение противо-э.д.с. зависит от угла , который называется углом опережения открывания тиристоров

=. (15.1)

Если учесть, что , то получим уравнение обобщенной регулировочной характеристики

. (15.2)

Регулировочная характеристика (рисунок 15.4) показывает, что если , напряжение на выходе преобразователя положительно и преобразователь работает в режиме выпрямителя. Если , напряжение меняет знак и преобразователь переходит в режим инвертора. Таким образом, преобразователь путем изменения может переводиться из выпрямительного режима в инверторный и обратно, при соответствующем изменении полярности включения электрической машины. Наибольшее значение противо-э.д.с. равное развивается при . Однако уменьшать меньше некоторого значения нельзя. На интервале 3-4, который равен углу , создается отрицательное напряжение, запирающее тиристор. Этот интервал отводится на закрытие тиристора и должен иметь длительность достаточную, чтобы тиристор восстановил свои запирающие свойства

, (15.3)

где - время восстановления запирающих свойств тиристора, является одним из основных динамических параметров тиристоров.

Рисунок 15.4 - Обобщенная регулировочная характеристика

выпрямителя - инвертора

При нарушении этого неравенства открытый тиристор не успевает восстановить свои запирающие свойства и при подаче положительного напряжения он может самопроизвольно открыться. В этом случае оказутся одновременно открытыми два вентиля, произойдет короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора, и тиристоры могут выйти из строя. Это эффект называется опрокидыванием инвертора и является недопустимым состоянием.

Вывод. Управляемый выпрямитель можно перевести в инвертирующий режим, для чего необходимо установить угол управления в пределах , и сменить полярность включения электрической машины. В этом случае кинетическая энергия вращающейся электрической машины и связанной с ней механической системы будет передаваться обратно в сеть переменного тока.

15.2 Коммутационные процессы в ведомом сетью инверторе

Работа инвертора была рассмотрена без учета влияния индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора. Однако, чаще всего в инверторах средней и большой мощности следует ее учитывать (рисунок 15.5).

Рисунок 15.5 -. Схема однофазного ведомого сетью инвертора с индуктивностью в анодной цепи

В случаях, когда индуктивное сопротивление первичной обмотки преобладает над активным сопротивлением, то переход тока с одного тиристора на другой не может происходить мгновенно. Ток в одном из тиристоров уменьшится , а в другом увеличится, и на некотором отрезке времени оба тиристора оказываются открытыми, а напряжение , как это показано на временной диаграмме (рисунок 15.6)

Рисунок 15.6 - Временная диаграмма работы однофазного ведомого сетью инвертора, учитывающая процесс коммутации

Среднее значение противо-э.д.с., которое вырабатывает инвертор, увеличится на величину затемненной площадки, площадь которой зависит от угла коммутации , а, следовательно, от тока . Из-за коммутации уменьшится интервал , на котором к тиристору прикладывается отрицательное напряжение, закрывающее тиристор. Этот интервал отводится на процесс закрытия тиристора .

Зависимость называется входной характеристикой инвертора, ее выражение легко получить из уравнения выходной характеристики выпрямителя

, (15.4)

заменив получим

. (15.5)

На рисунке 15.7 показана входная характеристика однофазного инвертора, ведомого сетью.

Рисунок 15.7 - Входная характеристика однофазного инвертора,

ведомого сетью

Угол определяет интервал времени, отводимый для запирания тиристора, этот угол должен быть больше , в противном случае произойдет опрокидывание инвертора. Каждому углу соответствует свой допустимый ток . Значение допустимого тока определяется ограничительной линией. Она строится по уравнению

. (15.6)

Точка пересечения ограничительной линии с входными характеристиками позволяет найти максимально допустимый ток при заданном угле опережения .