МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут енергетики та систем керування

Лекція №

з дисципліни «Промислова електроніка та перетворювальна техніка»

Ведені мережею (залежні) однофазні інвертори

Львів 2011

Ведені мережею (залежні) однофазні інвертори

Інвертуванням називають процес перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму. Ведені мережею інвертори здійснюють таке перетворення з пересиланням енергії в мережу змінного струму, тобто вирішують задачу обернену до задачі випрямлення. Ведені мережею інвертори виконують за тими ж схемами, що й керовані випрямлячі. Перед тим, як розглянути електромагнітні процеси в інверторах, спочатку виділимо основні моменти, які відрізняють режим інвертування від режиму випрямлення.

В перетворювальних установках інвертувальний режим часто чергується з режимом випрямлення. Це має місце, наприклад, у пристроях електроприводу постійного струму. Коли машина постійного струму працює в режимі двигуна, перетворювач виконує функцію випрямляча і передає енергію двигуну постійного струму. Коли ж машина переходить в генераторний режим (гальмування, рух під ухил, спуск вантажу тощо), перетворювач працює в інвертувальному режимі і передає енергію, яка генерується машиною постійного струму, в мережу змінного струму. Зміна напряму потоку енергії має також місце в системах пересилання постійного струму, коли ланка прийому енергії перетворюється в джерело . Для того щоб визначити умови , за яких у перетворювачах відбувається зміна напряму потоку енергії, розглянемо попередньо коло постійного струму (рис. 9), яке має в своєму складі два джерела: акумуляторну батарею з ЕРС Е_а та електричну машину, яка розвиває ЕРС Е_d .

Рис. 9. Зміна напряму потоку енергії в колі з двома джерелами постійної напруги : а - зміною напряму струму ; б – зміною полярності напруг джерел

Електрорушійні сили джерел діють назустріч одна одній. Струм у колі визначається їх різницею та активним опором R

I_a = . (12)

Якщо E_a>E_d, то струм збігається за напрямом з ЕРС Е_а . Цей напрям показаний на рис. 9 а суцільною стрілкою. Збіжність напрямів Е_а і I_а означає, що акумуляторна батарея віддає енергію двигуну (батарея розряджається), а зустрічний напрям Е_d і І_а відповідає прийому (споживанню) енергії електричною машиною, яка в даному випадку працює в режимі двигуна.

Якщо надати машині додатковий обертовий момент зовнішніми силами - тим самим збільшити швидкість обертання та підвищити Е_d > Е_а , то струм І_а змінить свій напрям протікання в колі (див. штрихові стрілки), а разом зі струмом зміниться і напрям потоку енергії. Машина постійного струму, в якій Е_d і І_а збігаються за напрямом, стає тепер генератором електричної енергії, а батарея – споживачем електричної енергії (батарея заряджається).

Таким чином, віддача або прийом енергії залежить від того, збігаються за напрямом ЕРС і струм в даному джерелі чи вони направлені зустрічно. Звідси випливає, що зміни напряму потоку енергії можна досягнути або зміною напряму протікання струму в колі зі збереженням полярності напруг джерел, або зміною полярності напруг джерел зі збереженням напряму протікання струму в колі (рис. 9 б).

Рис. 10. Схема однофазного перетворювача та полярності джерел:

а) під час роботи в режимі випрямлення;

б) під час роботи в режимі інвертування

Як вже згадувалось, однофазні інвертори виконуються за тими ж схемами, що й випрямлячі. Наявність тиристорів в схемі перетворювачів не дозволяє змінити напрям протікання струму. Тому для переводу схеми перетворювача з режиму випрямлення в режим інвертування ми змушені використати другий метод зміни напряму потоку потужності, тобто змінити полярності напруг джерел зі збереженням напряму струму в колі.

На рис.10б наведена схема однофазного веденого мережею інвертора з нульовим виводом трансформатора. Джерелом енергії в режимі інвертування слугує машина постійного струму М, яка працює в режимі генератора. Індуктивність L_d здійснює згладжування вхідного струму інвертора, а реактивні опори х_а1 і х_а2 – сумарні опори розсіювання обмоток трансформатора та мережі живлення.

В режимі випрямлення джерелом енергії є мережа змінного струму (рис.10 а). За умови a=0° крива струму і₁ , який споживається від мережі , знаходиться у фазі з напругою живлення u₁ (рис.11 а). За умов L_d" і х_а1= х_а2=0 форма струму і₁ близька до прямокутної. Тиристор VS1 відкритий коли напруга u_2-1 має додатну полярність, а тиристор VS2 – відповідно, коли має додатну полярність напруга u_2-2. Машина постійного струму, яка під’єднана до випрямляча з вказаною на рис. 10 а полярністю, працює в режимі двигуна зі споживанням енергії від мережі.

Під час роботи перетворювача в режимі інвертування машина М постійного струму стає генератором електричної енергії, а мережа змінного струму – її споживачем. За умов збереження в схемі тих же напрямів струмів і_а1, і_а2, і_d (наявність в схемі тиристорів!) генераторному режиму буде відповідати полярність напруги E_d, яка вказана на схемі рис.10 б. Зміна полярності ЕРС машини у мережі постійного струму є однією з умов переводу даної схеми в режим інвертування. Показником споживання енергії мережею є фазовий зсув у 180° струму і₁ відносно напруги u₁ (рис. 11 б). Це означає, що тиристори схеми в режимі інвертування повинні бути у відкритому стані переважно за від’ємної полярності вторинних напруг u_2-1 та u_2-2. Вказаному режиму відкривання тиристорів під час інвертування відповідає кут керування , який відраховується в напряму запізнення

( вправо ) відносно точок природного відкриття тиристорів.

Але! Закриття, наприклад, попереднього відкритого тиристора VS2 під час вступу наступного відбувається в даній схемі під впливом вторинних напруг обмоток трансформатора u_в2= u_2-2 - u_2-1. Коли ця напруга переходить в додатну область, тобто за таких умов другий тиристор не закриється (нагадаємо, що для відновлення вентильних властивостей до тиристора, що виходить з роботи, повинна бути прикладена протягом деякого часу t від’ємна зворотна напруга. Цей час не повинен бути меншим номінального часу вимкнення тиристора t t_{в ном} , який задається в його паспортних даних).

Рис. 11. Умови переведення випрямляча із режиму випрямлення в режим інвертування

Перший же тиристор VS1 не відкриється коли a=180°, оскільки напруга u_2-1 переходить у від¢ємну область. Перший тиристор може відкритись лише тоді, коли напруга u_2-1 ще додатня. Отже, реальне значення кута a повинно бути менше p на деякий кут b, що надасть можливість для закриття попереднього тиристора та для вступу наступного, тобто (рис.11 в). Зауважимо, що розгляд процесів в інверторах, як правило, ведеться з використанням кута випередження , який відраховується від точки p для тиристора VS1, 2p - для тиристора VS2 і т.д.

Таким чином із наведеного вище випливає, що для переводу перетворювача із режиму випрямлення в режим інвертування необхідно виконати дві умови: 1) під’єднати джерело постійного струму, енергію якого необхідно перетворити в енергію змінного струму, до виходу випрямляча (входу інвертора) з полярністю оберненою до режиму випрямлення; 2) забезпечити проходження струму через тиристори переважно під час від’ємних полярностей вторинних напруг, відкриваючи тиристори з кутами a > 90°.