8.1.1. Однофазный инвертор, ведомый сетью

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование с передачей энергии из сети постоянного тока в сеть переменного тока, т.е. решают задачу обратную выпрямителю.

Ведомые инверторы выполняют по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. На рис. 8.1 приведена двухполупериодная схема однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом трансформатора. В качестве источника инвертируемой энергии принята машина постоянного тока М, работающая в режиме генератора. Индуктивность Ld осуществляет сглаживание выходного тока инвертора, а реактивные сопротивления Xa учитывают рассеяния обмоток трансформатора и индуктивности питающей сети.

Рассмотрим основные отличия режима инвертирования от режима выпрямления.

Рис.8.1.Схема однофазного ведомого Рис.8.2. Кривые напряжения и тока в выпрямителе

инвертора с нулевым выводом (а,б) и в ведомом инверторе (в,г)

При выпрямлении источником энергии является сеть переменного тока. Поэтому при кривая токаi₁, потребляемого от сети, совпадает по фазе с напряжением питания U₁. При X_d= и X_a=0 форма тока близка к прямоугольной (рис.8.2). Тиристор 1 открыт при положительной полярности приложенного напряжения , а тиристор 2 – при положительной полярности напряжения(рис.8.2,б). Машина постоянного тока в схеме рис.8.1 работает в режиме двигателя. К двигателю приложено напряжениеU_d с полярностью, указанной в скобках.

При работе в режиме инвертирования машина постоянного тока является генератором электрической энергии, а сеть переменного тока– ее потребителем. Наличие тиристоров определяет условие перевода двигателя в генераторный режим – протекание тока иив прежнем направлении. Поэтому необходимо изменить полярность ЭДС двигателя на обратную (указана без скобок). Показателем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на 180 эл. градусов токаотносительно напряженияU1 (рис.8.2,в). Это означает, что тиристоры схемы в режиме инвертирования должны находиться в открытом состоянии при отрицательной полярности приложенного напряжения вторичных обмоток трансформатора (рис.8.2,г). При таком режиме отпирания тиристоров осуществляется поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора через дроссель L_d к источнику постоянного тока (рис.8.1), чем достигается преобразование постоянного тока в переменный и передача энергии в сеть.

Указанному режиму управления тиристорами при инвертировании соответствует рис.8.3,а и углу управления , отсчитываемому в направлении запаздывания относительно точек естественной коммутации вентилей (0, и т.д.).

Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании очередного тиристора, в ведомом инверторе, осуществляется под действием обратного напряжения, создаваемого напряжением сети со стороны вторичных обмоток трансформатора (отсюда название “ведомый сетью”).

Рис.8.3. Кривые напряжения и тока с учетом угла опережения

Очевидно, что к ранее проводившему тиристору, при отпирании очередного тиристора, будет приложено обратное напряжение (равное напряжению двух обмоток) только в том случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему обмотке действует напряжение положительной полярности. Поэтому реальное значение , исходя из условий запирания тиристора, должно быть меньшена некоторый угол(рис.8.3,б), т.е.. Если же очередной тиристор отпирать при, то условие запирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, этот тиристор останется в открытом состоянии, создав короткое замыкание цепи с последовательно включенной

вторичной обмоткой трансформатора и источником постоянного тока. Такое явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.

Угол называют углом опережения отпирания вентилей. С углом управленияон связан соотношением

(8.1)

или

(8.2)

Для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений , проводя их отпирание с минимальным углом. Следует отметить, что режим инвертирования можно достичь без изменения полярности электродвигателя постоянного тока, если использовать второй комплект выпрямителя с обратным направлением включения тиристоров.

На рис.8.4,а приведены кривые вторичных напряжений трансформатора инвертора, а на рис.8.4,б,в ─ сигналы управления тиристорами. Полагаем, что при Ld ток идеально сглажен. На интервале 0-(рис.8.4,а) проводит вентиль 2. Его анодный ток(рис.8.4,д), равный, протекает под действием ЭДСEd источника постоянного тока через вторичную обмотку трансформатора навстречу напряжению , полярность которого указана на рис.8.1 в скобках. Полуволна напряженияотрицательной полярности определяет на этом интервале напряжениеU_d инвертора (рис.8.4,а).

По окончании интервала , с опережением на угол , относительно точки , подачей управляющего импульса отпирается тиристор 1. При наличии индуктивных сопротивлений и в анодных цепях тиристоров наступает процесс коммутации тока с вентиля 2 на вентиль 1, длительность которого определяется углом коммутации .

Как и в выпрямителе, этот процесс протекает под действием тока в контуре с обоими проводящими тиристорами и характеризуется величинойU_d=0 (рис.8.4,a). По окончании коммутации , а. На интервале от(-угол, в течение которого к тиристору 2 прикладывается обратное напряжение, необходимое для восстановления запирающих свойств) догенератор обеспечивает протекание тока через другую вторичную обмотку трансформатора и тиристор 1. Участок напряженияопределяет кривуюU_d инвертора на этом интервале.

Рис. 8.4. Временные диаграммы

В связи с тем, что используются участки синусоид и, соответствующие преимущественно отрицательным полуволнам, среднее значение напряжения инвертораUd имеет полярность противоположную режиму выпрямления (рис.8.4,а). Кривая напряжения на тиристоре (рис.8.4,е) определяется суммой напряжений вторичных обмоток трансформатора. Максимальное прямое напряжение равно , а обратное. Длительность действия обратного напряжения на тиристоре определяется угломили соответствующим ему временем, не должна превышать величины, необходимой для восстановления управляющих свойств тиристора (- время выключения тиристора,время, предоставляемое тиристору для выключения, т.е. для восстановления его управляющих свойств). Кривые напряжения сети U1 и отдаваемого в сеть тока приведены на рис.8.4,ж. Амплитуда тока равнаId/Kт, где Кт=W1/W2 – коэффициент трансформации трансформатора. На этапах коммутации ток определяется разностью токов вступающего в работу и завершающего работу тиристоров. Для выявления основных закономерностей в ведомом инверторе рассмотрим процесс коммутации в схеме, связанный, например, с переходом тока с тиристора 2 на тиристор 1.

Ток короткозамкнутого контура (рис.8.1), от которого зависит характер изменения анодных токов тиристоров и длительность коммутационного интервала, определяется по аналогии с управляемым выпрямителем, суммой свободной и принужденной составляющих (рис.8.4,з). Подстановкой в нихнаходим

; (8.3)

Ток (рис.8.4,з) на; (8.4)

(8.5)

на этапе коммутации определяет ток , а разность (I_d-) – ток(рис.8.4,д).

В управляемом выпрямителе вид кривой определяется на отрицательном участке (рис.8.4,д), а в ведомом инверторе - на положительном участке (рис.8.4,з). Указанное приводит к некоторому различию этих преобразователей.

Коммутация токов заканчивается в момент времени при достижении равенства==I_d , в связи с чем из выражения (8.5) получаем

(8.6)

При неизменном угле опережения и напряженииE2 увеличение инвертируемого тока приводит к уменьшению разности за счет роста угла коммутации, т.е. к уменьшению времени действия обратного напряжения на запираемом тиристоре.

Критерием выбора угла является обеспечение максимально допустимого тока. Тогда выражение (8.6) принимает вид

=, (8.7)

откуда

. (8.8)

Если пренебречь активным сопротивлением в цепи источника питания (генераторе и дросселе L_d), то ЭДС генератора будет полностью уравновешиваться среднем значением напряжения U_d, т.е. U_d=E_d. Среднее значение напряжения U_d имеет отрицательную полярность по сравнению с режимом выпрямления. Причем коммутационные потери напряжения должны компенсироваться за счет U_d.

При модуль среднего значения напряженияU_d определяется по выражению

.

Откуда

. (8.9)

Или

, (8.10)

где .

Из этого следует, что с учетом замены угла на уголнапряжениеU_d инвертора при описывается тем же соотношением, что и напряжениеU_d выпрямителя. На рис.8.5,а показана обобщенная регулировочная характеристика. вид входных характеристик (8.5,б).

При изменении угла от 0 допреобразователь работает в режиме управляемого выпрямителя, а при изменении углаотдо- в режиме ведомого инвертора. 

Рис.8.5. Обобщенная регулировочная характеристика (а);

Усредненное за период значение коммутационного падения напряжения также находим из кривых рис.8.4,а

откуда

, (8.11)

или

. (8.12)

C учетом коммутационных потерь напряжения среднее значение напряжения инвертора

. (8.13)

Подстановка выражения (8.12) в (8.13) дает

. (8.14)

Уравнение (8.14) определяет противо ЭДС инвертора, направленную встречно и равную напряжению источника E_d. Равенство E_d=U_d во всех режимах работы инвертора обуславливается тем, что угол является функцией входного тока инвертораI_d. В частности повышение E_d вызывают рост I_d (увеличение мощности, отдаваемой источником в сеть), что увеличивает угол и повышает напряжениеU_d до значения E_d. Предел повышения E_d в инверторе ограничивается уменьшением разности до минимально допустимой величины, т.е.

. (8.15)

Зависимость напряжения E_d, питающего инвертор, от тока I_d называют входной характеристикой инвертора.

Уравнение характеристики находят путем определения из выражения (8.11)

с учетом (8.6)

(8.16)

и подстановкой последнего в выражение (8.13)

. (8.17)

Коммутационное падение напряжения приводит к тому, что увеличение тока I_d обуславливает повышение напряжений E_d и U_d. 

Графически, входные характеристики инвертора изображаются семейством параллельных прямых (при L_d) c фиксированными значениями угла (рис.8.5,б). Повышение токаI_d, как известно, сопровождается увеличением угла коммутации . По этой причине перемещение рабочей точки инвертора вправо по каждой из характеристик вызывает уменьшение угла , представляемого тиристорам для восстановления управляющих свойств. При достижении некоторого значения токауголстановится равным минимально допустимому значению. Дальнейшее увеличение токаI_d приводит к срыву процесса инвертирования. Очевидно, с уменьшением угла предел повышения токаI_d наступает при меньшем его значении.

Предельные значения тока I_d находят из точек пересечения входных характеристик с ограничительной характеристикой инвертора, показанной на рис.8.5,б пунктиром. 

Для определения уравнения ограничительной характеристики выразим из соотношения (8.7)

(8.18)

и подставляем его в (8.17). После упрощения находим

(8.19)

Графически ограничительная характеристика изображается прямой, имеющей наклон, обратный наклону входных характеристик инвертора. Для сравнения на рис.8.5,б приведена также прямая с параметром .

Полученные соотношения используют при расчете схемы инвертора. Заданными обычно являются максимальное инвертируемое напряжение и ток. По временииспользуемых тиристоров определяют уголиcos. Задавшись значением угла, из выражения (8.14) находят параметр и вторичное напряжение силового трансформатора . По известному значению напряжения приемной сетиU1 определяют коэффициент трансформации , а из выражения (8.19) – допустимое значение приведенного к вторичной обмотке сопротивленияX_a. Из кривых тока находят действующее значение первичной и вторичной обмоток. Ввиду сравнительно большого числа переменных окончательному выбору параметров схемы по приведенной методике могут предшествовать несколько уточняющих расчетов. 

Коэффициент мощности ведомого инвертора, как и для выпрямителя, равен произведению коэффициента искажения ν на коэффициент сдвига φ₍₁₎ первой гармоники тока

.

Угол сдвига первой гармоники тока даваемого в сеть(рис.8.4,ж) относительно напряженияU₁ близок к . 

Величина для ведомого инвертора, как и его активная мощность по цепи первичной обмотки, получаются отрицательными. Это соответствует тому, что инвертор по отношению к сети является источником энергии. Поскольку коэффициент мощности принято считать положительным, для ведомого инвертора рассчитывают по абсолютной величине

=. (8.20)

Минимальное значение угла находят из режимаи, при котором угол , а угол

(8.21)

и

. (8.22)

Принцип действия и характеристики однофазного ведомого инвертора, выполненного по мостовой схеме, подобны рассмотренной. Особенности мостовой схемы управляемого выпрямителя, против схемы с нулевым выводом, распространяются и на ведомые инверторы.