11. Инверторный режим работы тиристорных преобразователей.

Инвертированием наз. процесс преобразования электр. энергии пост. тока в энергию переем. тока Такой режим был назван в противоположность выпрям. режиму инверторным, а преобр-ль, осуществляющий процесс передачи энергии от ист. пост. тока в сеть перем. тока, - инвертором.

Источник и приемник энергии постоянного тока.

(Рис 20)

Для рассмотрения и выяснения признаков источника и приемника эл. энергии рассм. работу электромашинной сис-ы, используемой на подъемных установках, например, шахтных подъемников. Иногда на шахтах возн. необх-ть выполнить, так наз. операцию “перегон порожних подъемных сосудов”.

В исх. сост-ии правый подъемный сосуд нах-ся в верх. положении, левый- в ниж. Цель “перегона”- поменять подъемные сосуды местами: правый- переместить вниз, левый- поднять вверх. Вес пустых подъемных сосудов одинаков и они уравновешивают друг друга, если не учитывать веса подъемного каната. Но не учитывать этого веса нельзя, т.к. на глуб. шахтах он может иметь большие значения (до неск. тонн). В начале “перегона” эл. машина “=М”должна развивать двиг. момент для движ-я 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 дальн. движ-ии правая, более длинная ветвь каната, спускаясь, будет раскручивать шкив “Ш ”, а значит, и якорь машины “=М”, под действием спускаемого подъемного сосуда и более длинной ветви каната. Машина “=М”должна оказывать торм. возд-е на раскручиваемый грузом шкив.

Рассм. виды преобр-ия эн-ии и направление этой эн-ии при выполн-ии операции “перегона”.

В начале этой операции электр. машина “~М”, потребляя из сети перем. тока эл. энергию, т.е. работая в режиме эл. Д, преоб. ее в мех. энергию вращ. вала, который вращает якорь эл. М пост. тока G. Эта машина, будучи возб., работая в режиме Г пост. тока, преобр. полученную мех. энергию в эл. энергию пост. тока. Эта энергия, в виде тока и напряжения по проводам поступает на якорь машины “=М”, где преобр. в мех. энергию вращ. шкива “Ш” и энергию, необх. для подъема левого подъемного сосуда вместе с канатом.

Т.о. эл. энергия потреб. из сети перем. тока, претерпевает ряд преобр-ий, и, в конечном счете, исп. для выполн-я мех. работы. Наз. такое направ-е энергии прямым.

Теперь рассм. подробнее режимы работы эл. машин пост. тока “G” и “=М”. Машина “G” работает в режиме генератора пост. тока. Она создает ЭДС E_G, под действием которой создается ток в якорной цепи обеих машин.

В стат. 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 торм. действие на якорь машины “=М”, ее ЭДС, завис. от частоты вращения, меньше, чем ЭДС E_G и направ-е тока в як. цепи совп. с направл-ем ЭДС E_G.

Эта сонаправленность ЭДС и тока явл. ед. признаком ист. эл.энергии пост. тока.

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

По мере перемещения левой ветви каната, с подвешенным к ней подъемным сосудом, вверх происх. снижение нагрузки на вал Д “=М”, частота вращения его увел., возраст. ЭДС E_М , что приводит к умен. тока I_я . В тот момент, когда ветви каната уравнов, когда подъемные сосуды окаж. в середине ствола, сравн. по величине и встречные ЭДС E_М и E_G.

Ток в як. цепи на какое- то мгновение станет =0, что означ, что в данный момент нет ни приемника, ни источника эл. энергии. Она не потребл. и не отдается. Но как только правая ветвь перевеш. левую, спускаемый груз начинает ускорять вращение М “=М”. Ее ЭДС стан.больше, чем ЭДС E_G, и в этот момент ток в як. цепи меняет свое направление. Момент смены направ. тока- есть момент перехода приемника энергии “=М” в другое качество. Он стан. ист-ом, а машина G- прием. энергии.

С этого момента поток эн-ии меняет свое направ. на обратное. Она выраб. в виде мех. энергии спуск. груза, претерпевает обратные, по сравнению с прям. направлением, преобр-ия и, в конечном счете, поступает в виде эл. энергии в питающую сеть. Таким образом в рассм. эл. системе (Г- Д) смена режимов работы эл. машин происх. автом-ски без каких-либо переключений в схеме, т.е. без вмешательства обсл. персонала в работу установки. Движение подъемных сосудов происх. приблизительно с пост. скоростью, а приводной электродвигатель “=М” обесп. на первом этапе пути подъемных сосудов вращ. момент, т.е. работает в двиг. режиме, а на втором, закл.этапе- торм. момент, т.е. работает в ген. режиме.

Перевод нереверсивного тиристорного преобразователя из выпрямительного в инверторный режим работы.

Инвертирование потока энергии из прямого на обрат. направление сложнее происх.в системе “тиристорный преобразователь- Д пост. тока” (ТП-Д), чем в системе Г-Д.

Сложность вытекает из того, что не удается изм. направление тока в як. цепи, вследствие односторонней проводимости вентилей.Рассм.описанный ранее “перегон порожних сосудов”, заменив машины ~М и G на один ТП. Один ТП в состоянии реализовать функции этих двух машин. Рассм. процессы, происх. в системе ТП- Д при выполнении “перегона” и способы управл. этим процессом.

При движении левого сосуда вверх до середины ствола машина “М” работает в двиг. режиме, а преобразователь- в выпрям. 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 ист.и приемника ТП явл. ист-м, а “М”- приемником энергии. После перехода положения равновесия сосудов в стволе, левая ветвь окаж. 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 против.не сможет- этому помешает односторонняя проводимость вентилей. Это означает, что машина “М” не стан.ист.,а ТП- приемн. энергии.

(Рис. 21)

Для реализации последнего, не изменяя при этом направление тока в як. цепи на обратное, необх. 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:

7. Изменить направление вращения М на обратное, что для нас не подходит;

8. Переключить силовые провода (точки 1 и 2) на против. щетки якоря машины “М”;

9. Поменяв направление тока обмотки возб. на против., изменив, например, полярность напряжения возб. U_в.

Не рассм.вопроса, какой из посл. 2х способов реализовать проще, остановимся на 3- ем способе.

При этом, будет обесп. перевод “М” в режим работы ист-м энергии, а ТП- в режим работы приемником энергии. На схеме видно, что направление тока I_d не мен., а направление ЭДС “М” и ТП соотв. пунктирным стрелкам. Ср. знач. ЭДС E_М должно превышать E_d . ЭДС E_М “приталкивает” ток I_d в фазы питающего Т, в основном, когда ЭДС этих фаз напр. встречно протек. току. Диаграммы напряжения и тока при работе ТП в режиме приемника энергии, т.е. в инвер. режиме привед. на рис 22.

Анализируя работу тирист. Преобр-ля в инв.режиме, можно перечислить усл-я, при которых этот режим возможен.

Эти условия следующие:

4. Нагрузка должна содерж. в своем составе ист. пост. ЭДС-E_М ;

5. Схема должна обесп. возможность протекания тока в направлении ЭДС нагрузки, т.е. полярность E_М должна совп. с проводящем направлением вентилей. Для выполн. этого требования мы изменим полярность ЭДС E_М на E_М;

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

7. Ср. знач. ЭДС нагрузки должно превышать ср. знач. ЭДС ТП.

(Рис 22)

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

(рис 23)

Необходимо отметить, что основная зависимость, связывающая управляющий фактор () с величиной выпрямленного напряжения (E_d ) остается справедливой и для режима инвертирования. При этом  > 90, E_d < 0;

Особенности инверторного режима работы ТП.

а) Особенность внешних характеристик.

(рис 24)

Внеш. хар-ки переходят из выпр.режима в инвер., не изменяя угла наклона по отн. к оси абсцисс. Это значит, что процесс коммут.имеет ту же физ.природу, что и в режиме выпр. Как и в выпр. режиме, этот процесс связан с изм. напряжения на нагрузке.

Однако, в отличие от выпр.режима в инв.с увел. тока, напряж. на як. “М” не умен., а увел.. Вид внеш. хар-к показ.эту особ-ть инв. режима. С увел.тока расстояние от хар-ки до оси абс. увел.

б) Неустойчивость работы ТП в инв.режиме при малых значениях угла  и больших значениях тока - вторая особенность инв. режима.

Эта неустойчивость проявл. в возм-ти так наз. “опрокидывания” или “прорыва” инвертора, что может быть чревато выходом преобразователя из строя.

Для иссл. обратимся к схемеТП-Д, изобр. на рис 21. При работе ТП в инв. режиме, а “М”- в ген. их ЭДС (пунктир. стрелки) E_Ми E_d направ. встречно и, т.к. E_М превышает по величине E_d ток в цепи якоря I_d совп. по направ. с E_М , а E_d явл. противо- ЭДС.

Неприятность закл. в том, что при некот.обстоятельствах противо- ЭДС E_d может, практически мгновенно, изменить свое направ. на против.и действ. в цепи якоря согласно с E_М. Тогда, окажется, что в як. цепи дейс. два ист.энергии, и в ней нет ни одного приемника энергии. Эту ситуацию можно рассм., как двойное короткое замыкание в як. цепи, что вызывает очень быстрое нарастание тока и требует экстр.размыкания цепи якоря. Дело в том, что отключение ТП от сети не устраняет авар. режима, так как ток под действием ЭДС E_М будет продолжать протекать через одну из фаз втор.обмотки Т и вентиль этой фазы, который был вкл. в момент “опрокидывания” инвертора. Ед. способом прекратить аварию явл. разрыв як. цепи, т.е. отсоединение одного источника от другого.

Для выясн. причины такого “странного” поведения инвертора рассм. диаграмму напряжения и тока, на рис 22. Из диаграммы напряжения видно, что при умен. величины угла управления  коммутация прибл.к точке “1”. Условием норм. работы инвертора явл. завершение коммутации тока, т.е. переход его с фазы “с” на фазу “а” раньше, чем наступит момент равенства ЭДС коммутируемых фаз в точке “1”. Если же вследствие умен.угла  , либо, вследствие увел. угла  , вызванного возр.тока I_d , коммутация на зак. до наступ. момента “1”, дальше переход тока на фазу “а” прекратится, и, нач. процесс коммутации пойдет в обр. направлении, т.е. останется вкл.фаза “с”. Как видно из диаграммы, напряжение на фазе “с” очень быстро стан. полож., а это значит, что ЭДС инвертора E_d изм. свою полярность на против. и произошло его “опрокидывание”. Недопущение этого явления возможно ед. способом: предотвращение снижения величины угла управления  ниже минимально допустимого его значения _min. Эта величина определяется выражением: _min  _max +  + 

где: _max - максимально возможное значение угла коммутации, определяемое максимально возможным током в любом режиме работы инвертора;

 - угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей, а точнее, временем их выключения;

 - асимметрия управляющих импульсов, т.е. самопроизвольное их отклонение от заданной величины в силу ограниченных возможностей системы управления.

Если же предотвратить “опрокидывание” инвертора не удалось, необх. исп. быстродействующие средства защиты, обесп.авар.отключение инвертора от всех источников напряжения, включая такой источник, как выраб. эл.энергию генератор “М”, вращающийся под действием спускающегося груза.

Обратившись к внешним характеристикам ТП, работающего в инверторном режиме (рис 25) можно определить и обозначить ограничительную линию, указывающую предел значений угла  и величины тока, допустимых для данного преобразователя. Эти величины между собой связаны. Чем меньше  , тем меньшее значение тока допускается при работе ТП в инверторном режиме.