Принцип работы зависимого инвертора

Зависимые инверторы

Контрольные вопросы

1. Почему в выпрямленном напряжении содержатся переменные составляющие с частотой, кратной частоте питающей сети?

2. Что такое коэффициент волнистости?

3. Как образуются комбинационные частоты гармоник выпрямленного напряжения?

4. Какую роль в сглаживании пульсаций выпрямленного напряжения играет сглаживающий реактор РБФАУ?

5. Для чего применяются резонансные контуры в схеме сглаживающего фильтра?

6. В чём отличие упрощённого сглаживающего фильтра для двенадцатипульсового выпрямителя?

7. Почему не следует включать на параллельную работу выпрямители с разным числом пульсов выпрямленного напряжения?

8. Какой величины может достигать уравнительный ток между параллельно работающими выпрямителями с разным числом пульсаций выпрямленного напряжения?

При работе электроустановок в ряде случаев возникает необходимость преобразования постоянного тока в переменный ток. Такой процесс называется инвертированием. На железнодорожном транспорте необходимость инвертирования появляется при рекуперативном торможении. В режиме рекуперативного торможения тяговые электродвигатели ЭПС переводятся в режим генератора без изменения полярности. В контактную сеть от ЭПС начинает поступать электрическая энергия постоянного тока, которая должна быть потрачена в нагрузке. Для создания тормозного момента цепь генератора должна быть замкнута на какую-либо нагрузку. Наилучшим вариантом нагрузки при рекуперации одного локомотива является другой локомотив, работающий в режиме тяги. Если такого локомотива не окажется, то цепь генератора можно замкнуть на тормозные реостаты. Такой вариант широко используется в мотор-вагонных секциях (электропоездах). Однако при этом произведённая в режиме рекуперации электроэнергия расходуется непроизводительно, превращаясь в тепло на тормозных реостатах.

Гораздо выгоднее преобразовать произведённую генераторами ЭПС электроэнергию постоянного тока в переменный ток и возвратить её в питающую сеть переменного тока, где она будет истрачена для питания стационарных нагрузок. Для такого преобразования применяется электроустановка, которая называется зависимый инвертор. Зависимый (или ведомый сетью) означает согласованный с питающей трёхфазной сетью по уровню напряжения, частоте и фазе.

Рассмотрим принцип работы зависимого инвертора на примере трёх пульсовой схемы, представленной на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Трёх пульсовая схема в режиме выпрямителя

В режиме выпрямителя направление тока I _d противоположно ЭДС двигателя E _d, а величина этого тока составляет

, (7.1)

где U _d – выходное напряжение выпрямителя; E _d – ЭДС двигателя, R _d – сопротивление контактной сети и реактора сглаживающего фильтра подстанции.

В режиме рекуперации двигатели ЭПС переводят в режим генератора, ЭДС генератора возрастает и становится больше выходного напряжения выпрямителя на холостом ходу U _d0. Ток I _d прекращается, так как диоды не могут пропускать ток в обратной полярности. Чтобы обеспечить ток нагрузки при рекуперации через инвертор тяговой подстанции, необходимо изменить полярность преобразовательного агрегата. Изменение полярности производится переключением быстродействующих выключателей (рис. 7.2). В режиме выпрямителя включены выключатели 1 и 3, в режиме инвертора – выключатели 2 и 4.

Рис. 7.2. Трёх пульсовая схема в режиме инвертора

Следовательно, первое условие перевода выпрямительно-инверторного агрегата тяговой подстанции в режим инвертора – изменение полярности преобразователя.

В режиме инвертирования направление тока I _и согласно ЭДС генератора E _d, а величина этого тока составляет

, (7.2)

где U _И – входное напряжение инвертора.

Однако такая величина тока будет лишь в том случае, если ток будет поступать в фазу вторичной обмотки трансформатора, мгновенное значение ЭДС в которой (е _с) направлено встречно ЭДС генератора. Обеспечить такой режим можно только установив в схему вместо диодов тиристоры, схема управления которыми будет открывать тиристор только требуемой фазы. Если этого не сделать, ток потечёт в фазы с согласно направленной ЭДС (е_а и е_в), и величина этого тока будет очень большой. Такой режим является аварийным и называется прорывом инвертора. Следует также отметить, что условия открывания тиристора в фазе с согласно направленной ЭДС лучше (между анодом и катодом тиристора приложено большое прямое напряжение), чем в фазе с встречно направленной ЭДС. Поэтому прорыв инвертора может произойти и при нормальной работе инвертора, когда от помех в цепи управления или от влияния эффекта откроются тиристоры в фазах с согласно направленной ЭДС.

Следовательно, второе условие перевода выпрямительно-инверторного агрегата тяговой подстанции в режим инвертора – замена диодов тиристорами.

Чтобы получить непрерывный режим работы инвертора, необходимо обеспечить коммутацию тиристоров, то есть вовремя закрывать тиристоры фазы, заканчивающей работу. Закрыть тиристор в схеме инвертора можно только встречным напряжением, которое необходимо взять из фазы, вступающей в работу. Для пояснения этого процесса рассмотрим временную диаграмму работы трёх пульсовой схемы инвертора (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Временная диаграмма работы трёх пульсового инвертора (холостой ход)

На графике напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂ на отрицательных полуволнах синусоид отмечены точки равенства мгновенных напряжений фаз (точки естественной коммутации). Если бы тиристор фазы, вступающей в работу, открывался в этот момент времени, то тиристор фазы, заканчивающей работу, не смог бы закрыться, так как у него на аноде было бы уже положительное напряжение, поступающее из своей фазы. Чтобы обеспечить закрывание тиристора в фазе, выходящей из работы, следует тиристор фазы, вступающей в работу, открыть заранее, до момента равенства мгновенных напряжений в фазах. Для этого схема управления тиристорами формирует импульс управления с углом опережения b. Обычно величина угла опережения составляет b ³ 30 ⁰Эл. При этом из фазы, вступающей в работу, через открывшийся тиристор подаётся положительное напряжение на катод тиристора фазы, заканчивающей работу, что и обеспечивает его закрывание.

Следовательно, третье условие перевода выпрямительно-инверторного агрегата тяговой подстанции в режим инвертора – введение угла опережения b для обеспечения закрывания тиристоров.

Определим входное напряжение инвертора. Для трёх пульсовой схемы выпрямителя в соответствии с формулой (3.1) напряжение холостого хода равно . Очевидно, что для инвертора при b = 0 напряжение холостого хода будет аналогичным:

, (7.3)

где U ₂ – действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Однако при b = 0 инвертор не может работать. Введение угла опережения снизит входное напряжение инвертора пропорционально косинусу угла b:

, (7.4)

то есть входное напряжение инвертора станет меньше напряжения холостого хода выпрямителя. Снижение составит около 13% или 470 В при U_d0 = 3500 В (). Это вызовет два отрицательных явления.

Во-первых, резкий бросок тока инвертора, так как двигатели ЭПС в режиме рекуперации выдают напряжение больше, чем U _d0 (см. формулу 7.4).

Во-вторых, переключение выпрямительно-инверторного агрегата из одного режима в другой происходит по сигналу датчика напряжения. Алгоритм работы таков. Если напряжение на шинах ТП меньше напряжения холостого хода выпрямителя – значит это режим тяги (выпрямительный), должны быть включены выключатели 1 и 3. Если напряжение на шинах ТП больше напряжения холостого хода выпрямителя – значит это режим рекуперации (инверторный), должны быть включены выключатели 2 и 4. Если же напряжение при включении инвертора резко уменьшилось – надо переключиться обратно в режим выпрямителя. Получается неопределённость при работе схемы управления.

Чтобы исключить эти отрицательные явления, необходимо обеспечить равенство напряжений холостого хода выпрямителя и инвертора. Это равенство достигается повышением действующего напряжения вторичной обмотки трансформатора с U _2В до U _2И в соответствии с формулой:

, (7.5)

где U _2В - действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в режиме выпрямителя;

U _2И - действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в режиме инвертора;

К _И – коэффициент повышения напряжения в режиме инвертора, .

Для этого во вторичную обмотку трансформатора добавляют дополнительные витки (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема вторичной обмотки трансформатора с отводами для выпрямителя и инвертора

Следовательно, четвёртое условие перевода выпрямительно-инверторного агрегата тяговой подстанции в режим инвертора – повышение напряжения вторичной обмотки трансформатора с U _2В до U _2И.

Изменение тока I _и при работе инвертора вызывает изменение его входного напряжения U _и. Рассмотрим входную характеристику инвертора U _и = f (I _и), представленную на рис. 7.5. На холостом ходу (I _и = 0) с учётом повышения напряжения на вторичной обмотке трансформатора входное напряжение инвертора составляет

. (7.6)

Рис. 7.5. Входная характеристика инвертора (естественная)

С ростом тока входное напряжение инвертора повышается. Это происходит из-за явления коммутации вентильных токов. Для пояснения этого рассмотрим временную диаграмму работы инвертора в режиме нагрузки (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Временная диаграмма работы трёх пульсового инвертора (режим нагрузки)

Как видно из временной диаграммы работы, угол коммутации вентильных токов g_и приближает момент перехода тока из фазы, заканчивающей работу, в фазу, вступающую в работу, к моменту естественной коммутации (равенства мгновенных напряжений в фазах), то есть уменьшает результирующий угол опережения. В результате входное напряжение инвертора будет зависеть от разности углов опережения и коммутации (b - g_и) и будет возрастать с ростом g_и.

Естественная (при b =const) входная характеристика инвертора может быть построена по двум точкам: холостого хода (I _И = 0; U _И = U _И.0.(b=0)×cos b) и номинальной нагрузки (I _И = I _ИН; U _И = U _ИН). Определить входное напряжение инвертора при работе под нагрузкой (для любого тока нагрузки) можно по формуле:

, (7.7)

где: U _И0.(b=0) – начальная точка ограничительной характеристики инвертора, для рассматриваемой трёх пульсовой схемы U _И0.(b=0) = 1,17 U _2И;

b - угол опережения инвертора;

– коэффициент схемы; для трёх пульсовой (m =3) А = 0,866;

u _К – напряжение короткого замыкания, %;

D U _В – прямое падение напряжения на вентильном плече инвертора, В.

- коэффициент загрузки инвертора. При номинальном токе нагрузки коэффициент загрузки равен 1.

Если при увеличении тока инвертора g_и станет слишком большим, тиристор фазы, заканчивающей работу, не сможет закрыться. Такой режим будет аварийным, и называется опрокидыванием инвертора. Чтобы не допустить опрокидывания, необходимо выполнять условие, определяемое неравенством

, (7.8)

где g_И.max – угол коммутации вентильных токов при I _И.max;

d = d_max + t; d_max – угол выключения тиристора при I _И.max; t = 5…10 ⁰Эл – угол запаса.

Чтобы определить, до какого тока нагрузки возможна работа инвертора без опрокидывания, следует рассчитать ограничительную характеристику инвертора. Ограничительная характеристика инвертора также может быть построена по двум точкам: начальной точке (I _И = 0; U _И = U _И.0.(b=0)) и точке номинальной нагрузки (I _И= I _ИН; U _ОГ). Напряжение U _ОГ можно определить по формуле:

. (7.9)

Входная естественная и ограничительная характеристики инвертора представлены на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Входная естественная и ограничительная характеристика инвертора

Как видно из рис. 7.7, ограничительная характеристика может пересекать входную естественную характеристику до достижения номинального тока нагрузки инвертора. Следовательно, максимально возможный входной ток инвертора не может быть больше I _И1max, иначе произойдёт опрокидывание инвертора.

Угол коммутации вентильных токов инвертора можно рассчитать по формуле

, (7.10)

решив тригонометрическое уравнение:

;

Определив g_и.max при токе I _И1max, можно проверить выполнение неравенства (7.8).

Следовательно, пятое условие перевода выпрямительно-инверторного агрегата тяговой подстанции в режим инвертора – обеспечение работы без опрокидывания, то есть работа на таких токах I _И.max, при которых обеспечивается неравенство .

Если же требуется работа инвертора на токах нагрузки больше, чем I _И1max, то придётся принимать специальные меры по предотвращению опрокидывания инвертора. Поскольку ограничительную характеристику инвертора изменить нельзя (она определяется углом выключения тиристоров d₀ вместе с углом запаса t), то следует изменить входную характеристику, уменьшив входное напряжение инвертора. Для уменьшения входного напряжения следует увеличить угол опережения b. Но просто так увеличить b нельзя – нарушится установленное в четвёртом условии равенство напряжений холостого хода выпрямителя U _d0 и инвертора U _И0. Поэтому угол b на холостом ходу оставляют без изменения, а увеличивают под нагрузкой – чем больше ток нагрузки, тем больше b. Такой режим работы с переменным углом опережения называется компаундированием инвертора, а получившаяся при этом входная характеристика называется искусственной. Получение искусственной входной характеристики представлено на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Получение искусственной входной характеристики

Как следует из рис. 7.8, искусственная входная характеристика получается при последовательном переходе с одной естественной характеристики на другую. При переключении на большую величину Db получается пилообразная линия. При плавном увеличении можно получить практически прямую линию на уровне U _И0. Такая искусственная характеристика называется стабилизированной. Пересечение стабилизированной характеристики с ограничительной будет при токе I _И2max, который может превышать номинальный ток инвертора. Это даст возможность форсировать работу инвертора для преобразования большого количества избыточной энергии постоянного тока.

Следовательно, шестое условие перевода выпрямительно-инверторного агрегата тяговой подстанции в режим инвертора – применение компаундирования инвертора, то есть работа с переменным углом опережения b на искусственной входной характеристике. При этом обеспечивается работа без опрокидывания на токах I _И2.max> I _ИН.