Инвертирование постоянного тока

Применение в выпрямителях тиристоров позволяет не только регулировать напряжение выпрямителя, но и превратить выпрямитель в инвертор (преобразование постоянного тока в переменный).

На железных дорогах переменного тока этим свойством пользуются для передачи энергии, получаемой при электрическом рекуперативном торможении поезда, в контактную сеть, а на дорогах постоянного тока - для передачи этой энергии из контактной сети в сеть трехфазного тока, питающего тяговую подстанцию.

В технике применяют инверторы двух типов: ведомые сетью (зависимые) и автономные (независимые). При работе инверторов, ведомых сетью, частота и напряжение в приемной сети переменного тока определяются источниками тока, подключенными к этой сети (синхронными генераторами электрических станций). Поэтому режим работы такого инвертора (частота и напряжение) полностью зависит от этих источников. Автономные инверторы сами задают напряжение и частоту в сети переменного тока, к которой в этом случае не подключены другие источники переменного тока.

Преобразовательные агрегаты, установленные на э.п.с. переменного тока и на тяговых подстанциях, при рекуперативном торможении работают как зависимые инверторы, так как они подключены к сети с заданным напряжением и частотой. Автономные инверторы применяют для преобразования постоянного тока в переменный, изменения частоты переменного тока, а также в схемах автоматики для получения импульсов прямоугольной и другой формы.

Принцип действия инвертора. Преобразователь с управляемыми вентилями может работать в выпрямительном и инверторном режимах. Выпрямительным режимом называют такой режим, когда электрическая мощность передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. При инверторном режиме, наоборот, мощность передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока.

Рассмотрим особенности этих двух режимов на примере простейшего однополупериодного преобразователя, принимая, что в цепи постоянного тока отсутствует индуктивность.

При выпрямительном режиме трансформатор Т (рис. 28, а) работает в качестве источника электрической энергии с э.д.с. е_пер, а в цепь выпрямленного тока включен потребитель с некоторой э.д.с. Е_пост, например машина постоянного тока М, работающая в двигательном режиме. Для того чтобы электрическая мощность передавалась от трансформатора Т в двигатель М, э.д.с. е_пер должна быть больше э.д.с. двигателя Е_пост. В этом случае при положительных полупериодах переменного напряжения трансформатора ток протекает против э.д.с. Е_пост и совпадает с э.д.с. е_пер.

Рис. 28. Схемы, поясняющие принцип работы преобразователя при выпрямительном (а) и инверторном (б) режимах и кривые изменения э.д.с. и токов (в, г).

Ток в цепи начинает протекает при положительных полупериодах в момент времени, когда е_пер становится больше Е_пост. Значение его в каждый момент времени определяется разностью е_пер- Е_пост. Когда е_пер станет меньше Е_пост, протекание тока i прекращается (рис. 28, в), так как вентиль V не пропускает ток в обратном направлении. Следовательно, ток в цепи проходит за время, соответствующее углу y₁. Мощность на стороне переменного тока преобразователя Р₂ = е_перi положительна, поскольку ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора действуют в одном направлении. Положительный знак мощности означает потребление ее от источника. Если в данной схеме сделать э.д.с. Е_пост больше е_пер в течение всего полупериода, то ток не сможет протекать от машины постоянного тока к трансформатору, так как этому препятствует вентиль V. Этим объясняется то, что вентильные преобразователи в отличие от электрических машин не обладают свойством обратимости (способностью изменять направление проходящего через них потока электрической энергии).

При инверторном режиме машина постоянного тока G (рис. 28, б) работает в качестве источника электрической энергии (в генераторном режиме), а трансформатор Т является приемником электрической энергии и передает ее дальше в сеть переменного тока. Для передачи электрической мощности от генератора G к трансформатору Т необходимо, чтобы э.д.с. Е_пост была больше е_пер, ток был направлен против э.д.с. е_пер и совпадал с э.д.с. Е_пост.

Для осуществления инверторного режима необходимо изменить полярность машины постоянного тока G (направление э.д.с. Е_пост) или переключить ее так, чтобы с выводом а вторичной обмотки трансформатора был соединен не положительный полюс генератора G, а его отрицательный полюс, а с выводом х - положительный полюс. Однако, если не принять специальных мер, при таком изменении полярности э.д.с. е_пер будет направлена так же, как на рис. 28, а, т.е. при положительных полупериодах питающего напряжения она будет совпадать с э.д.с. Е_пост. При этом по цепи будет проходить очень большой ток, создаваемый суммой э.д.с. е_пер +Е_пост. Значение этого тока ограничивается малым внутренним сопротивлением генератора G и трансформатора Т, поэтому его можно рассматривать как ток короткого замыкания. Такой режим работы называется опрокидыванием инвертора. Он недопустим для преобразователя и генератора. Если в схеме рис. 28, б использовать тиристор V, то можно при положительных полупериодах питающего переменного напряжения не отпирать его и не допускать прохождения большого тока по цепи. При отрицательных же полупериодах питающего напряжения, когда э.д.с. е_пер действует против Е_пост, можно открывать тиристор, так как в этом случае по цепи будет протекать гораздо меньший ток i, создаваемый разностью э.д.с. Е_пост - е_пер. Ток i протекает по цепи при отрицательных полупериодах питающего переменного напряжения в том же направлении, что и в выпрямительном режиме, но в генераторе он совпадает с э.д.с. е_пер. Следовательно, генератор отдает электрическую энергию, а втроричная обмотка трансформатора принимает ее.

Кривые э.д.с. е_пер, Е_пост и тока i, показанные на рис. 28, г, соответствуют работе вентильного преобразователя в инверторном режиме при отсутствии индуктивности в цепи постоянного тока. При положительных значениях э.д.с. е_пер ток по цепи не протекает. Он проходит только в период времени, соответствующий углу y₂, и в каждый момент времени определяется разностью Е_пост - е_пер.

Ток начинает проходить от источника постоянного тока к трансформатору в момент времени, соответствующий углу а = 180⁰ и протекает до тех пор пока э.д.с. е_пер не станет больше Е_пост. В этот момент направление тока рассматриваемой цепи должно измениться, но этому препятствует вентиль V.

Для того чтобы не происходило опрокидывание инвертора, необходимо, чтобы значение Е_пост не превышало амплитудного значения е_пер. Кроме того, следует так регулировать момент отпирания тиристора V, чтобы угол регулирования а не мог быть больше 270⁰. В противном случае тиристор будет продолжать пропускать ток, что в дальнейшем при изменении полярности э.д.с. е_пер в трансформаторе (т.е. при а больше 360⁰) приведет к возникновению очень большого тока под действием суммы э.д.с. Е_пост + е_пер.

Таким образом, для работы инвертора в данной схеме необходимо соблюдение следующих условий:

преобразовательная установка должна иметь управляемые вентили, допускающие возможность их регулирования при углах регулирования а³ 180⁰;

вентили должны отпираться не при положительных, а при отрицательных полупериодах переменного напряжения;

к источнику переменного тока (трансформатору) должно быть подведено первичное напряжение, чтобы в его вторичной обмотке индуцировалась э.д.с. е_пер; при отсутствии этой э.д.с. под действием э.д.с. Е_пост через вентиль, генератор и трансформатор будут протекать большие токи короткого замыкания;

при переходе из выпрямительного режима в инверторный должна быть изменена полярность источника постоянного тока, чтобы ток в цепи выпрямленного тока проходил через вентиль V в одном и том же направлении. Можно также иметь две группы вентилей: одну для выпрямительного режима и другую со встречно-включенными вентилями для инверторного.

Однофазный двухполупериодный инвертор. Для инвертирования постоянного тока, вырабатываемого тяговым двигателем G (рис. 29, а) электровоза, работающим в генераторном режиме, необходимо изменить его полярность так, чтобы э.д.с. Е_г была направлена к точке А моста, а не к точке К, как при выпрямительном режиме.

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируется переменная э.д.с., направление которой в один полупериод соответствует сплошной стрелке е_ах, а второй полупериод - штриховой стрелке е_ха. Чтобы электрическая мощность передавалась от источника э.д.с. постоянного тока G к источнику переменного тока, необходимо открывать очередную пару тиристоров V_1, V₃ и V_2, V₄ только тогда, когда э.д.с. е_ах или е_ха и э.д.с. Е_г источника постоянного тока действуют встречно. К моменту же изменения направления э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора работающие тиристоры должны полностью закрыться, так как в противном случае э.д.с. Е_г и э.д.с. е_ах или е_ха будут действовать согласно и произойдет опрокидывание инвертора. Например, когда во вторичной обмотке трансформатора действует э.д.с. е_ха,, должны быть открыты тиристоры V_1, V₃ и закрыты V_2, V₄, когда же действует э.д.с. е_ах, должны быть открыты вентили V_2, V₄ и закрыты V₁, V₃.

На рис. 29, б изображены кривые изменения э.д.с. е_ах и е_ха, э.д.с. Е_г и напряжения u_d, действующего в цепи постоянного тока (на выходе инвертора) между точками А и К. Показанным на рис. 29, а направлениям е_ах и е_ха соответствуют отрицательные полуволны на рис. 29, б.

Для надежной работы инвертора необходимо открыть очередную пару тиристоров, например V₁, V₃, заранее, до момента перехода через нулевое значение э.д.с., действующей в цепи при работе тиристоров V₂, V_4. Промежуток времени от момента открытия очередного тиристора (точкаБ) до момента перехода указанной э.д.с. через нуль (точка А) называется углом опережения b.

Угол b можно регулировать, изменяя угол регулирования а, так как b=180⁰- а. Угол b необходимо устанавливать так, чтобы процесс коммутации тока с одной пары тиристоров на другую, характеризуемый угол g, заканчивался до момента прохождения через нулевое значение э.д.с. е_ах или е_ха, действующей в цепи при включении пары тиристоров, оканчивающих работу. Между окончанием процесса коммутации и этим моментом должно пройти некоторое время, соответствующее углу d, который называется углом погасания инвертора. Таким образом, угол b=g+d. Наличие угла d необходимо для того, чтобы к моменту подачи на аноды тиристоров, заканчивающих работу, например V₂, V_4, положительной полуволны э.д.с. е_ах, они восстановили свою вентильную прочность. Если же угол d окажется меньше минимально допустимого, то при подаче на эти тиристоры положительного потенциала они откроются и произойдет короткое замыкание двигателя и трансформатора. Для управляемых ртутных вентилей минимально допустимый угол d составляет 5 - 6 ⁰, для полупроводниковых вентилей - около 1 ⁰. Однако для большей надежности работы инвертора этот угол обычно принимают равным 20 -25 ⁰.

Рис. 29 Схема двухполупериодного инвертора (а) и кривые изменения фазных напряжений и тока (б - е)

Токи, проходящие через вентили и по вторичной обмотке трансформатора при очень большой индуктивности L_d в цепи постоянного тока (рис. 29, в), направлены против э.д.с. е_ах и е_ха, поэтому вторичная обмотка трансформатора работает как приемник электрической энергии. Ток в источнике постоянного тока G (рис.29, е) совпадает по направлению с э.д.с. Е_г (см. рис. 29, а), следовательно, этот источник работает в генераторном режиме и отдает электрическую энергию. По первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток i₁ приблизительно прямоугольной формы (рис. 29, д), совпадающий по направлению с э.д.с., действующей в этой обмотке, поэтому первичная обмотка отдает электрическую энергию в сеть переменного тока. Рассматриваемый преобразователь передает электрическую энергию от источника G, работающего в генераторном режиме, во вторичную обмотку трансформатора и далее через его первичную обмотку в сеть переменного тока.