Перевод выпрямителя в режим зависимого инвертирования

Рассмот­рим перевод управляемого выпрямителя в инверторный режим на примере трехфаз­ного мостового тиристорного преобразователя, нагруженного на машину постоянного тока, схема которого представлена на рисунке 25.

При работе преобразователя в выпрямительном режиме ток в машине протекает навстречу её противо -ЭДС E_d под действием выпрямленного напряжения U_d.

 

 

 

Рисунок 25. Трехфазная мостовая схема зависимого инвертора

 

Прин­ципиально изменение направления потока энергии может быть достигнуто путем изменения направления тока или ЭДС машины. Однако вследствие односторонней проводимости тиристоров переход к инверторному режиму путем изменения направления тока в данной схеме не может быть осущест­влен. Поэтому для перехода к инверторному режиму необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины E_d и напряжения преобразо­вателя U_d так, чтобы E_d > U_d, а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное на­правление. Электрическая машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого необходимо к валу этой машины подвести механическую энргию от внешнего источника механической энергиип (постороннего двигателя). Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника злектрической энергии.

Изменение полярности ЭДС на зажимах машины постоянного тока мо­жет быть осуществлено путем изменения направления тока в обмотке воз­буждения или переключением полярности якорных выводов. Изменение по­лярности напряжения преобразователя осуществляется установкой таких углов управления α>π/2, при которых вентили естественно коммутируют и проводят так при отрицательном напряжении питающих фаз.

 

В результа­те для перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования необ­ходимо:

-установить угол регулирования α>π/2;

-изменить полярность ЭДС машины постоянного тока;

к валу малины приложить вращающий момент, обеспечивающий ее ра­боту в генераторном режиме;

-увеличить ЭДС машины так, чтобы E_d > U_d при допустимой вели­чине тока в цепи обмотки якоря.

 

Электромагнитные процессы. Рассмотрим диаграммы токов и напряже­ний в

схеме зависимого инвертора, представленные на рисунке 26, при общепринятых допущениях.

Пусть проводят ток вентили VS 5 и VS 6, примем угол регулирования α=5π/6. В момент времени k’ на вентиль VS I по­дается управляющий сигнал. Поскольку линейное напряжение u _ав выше u _св, произойдет естественная коммутация тока с вентиля VS 5 на вентиль VS I. Из-за наличия реактивного сопротивления в контуре коммутации коммутация длится в течение угла γ. Величина мгновенного напряже­ния преобразователя u_d в интервале коммутации определяется полу­суммой линейных напряжений (u _ав + u _св)/2. Аналогичным образом через 60° в точке l’ произойдет коммутация с вентиля VS 6 на вентиль VS 2 и т.д.

При анализе инверторного режима для отсчета угла регулирования более удобно пользоваться не значением угла α, а сопряженным уг­лом β=π-α, который принято называть углом опережения. Угол опережения отсчитывается от точек предельной коммутации k ₂, l ₂, m ₂, представляющих точки пересечения отрицательных полуволн линейных на­пряжений.

 

 

Рисунок 26. Временные диаграммы, поясняющие работу зависимого инвертора

 

 

Для осуществления естественной коммутации, при которой ток переходит от вентиля с меньшим потенциалом анода к вентилю с более высоким потенциалом анода, необходимо, чтобы открытие очередного вен­тиля происходило с некоторым опережением относительно точек предель­ной коммутации. Это опережение должно учитывать как угол коммутации γ, так и угол выключения вентиля δ, предоставляемый для вос­становления запирающих свойств, т.е. β≥ γ + δ. После вступле­ния в работу очередного вентиля потенциал анода предшествующего вен­тиля начинает увеличиваться, принимая положительные значения. Изло­женное иллюстрируется построенной на рисунке 26 (утолщенный контур) кривой мгновенного напряжения u_{v 1} на вентиле VS I. Построение дан­ной кривой осуществляется так же, как для выпрямительного режима (смотри раздел 1.8), форма ее характерна тем, что на большей части пе­риода напряжение на запертом вентиле положительное, и только в течение угла δ оно отрицательное. При положительном u_{v 1} за точкой m ₂ вентиль VS I может вновь открыться, если к этому времени в нем не будет восстановлена управляемость (блокирующая способность). При таком повторном открытии вентиль будет пропускать ток в течение поло­жительного полупериода линейных напряжений, в результате чего инвер­тор опрокидывается - образуется аварийное короткое замыкание сети и машины при согласном направлении их ЭДС. Для надежной коммутации оче­редной вентиль должен открываться с опережением относительно точек предельной коммутации на угол

β=γ+ k _з t _q, (125)

где k _з- коэффициент запаса устойчивости коммутации, принимаемый практически k _з =1,5-3,0;

t _q - время выключения вентиля, указывае­мое в паспортных данных и равное, например, для тиристоров типа ТЛ, t_q =(20,…,50)мкс.

С учетом условий перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования, изложенных выше, в выражении внешней характеристики выпрямителя (116) при переводе выпрямителя в режим инвертирования должны измениться знаки перед напряжением U_d (напряжением источника постоянного тока) и перед напряжением «подпора» вентильного блока, U_{d 0}cosα, поскольку угол α>90⁰, и cosα имеет отрицательный знак. Нетрудно видеть, что в инверторном режиме все члены формулы (107) имеют отрицательный знак.

Введем угол опережения β =180⁰- α. Умножив правую и левую части этого уравнения на (-1), получим выражение внешней характеристики зависимого инвертора (126).

 

. (126)

Здесь ∆ U _х, ∆ U _Rф, ∆ U_{L ф}, ∆ U _в - те же падения напряжения, что и в формуле (116).

После подстановки значений ∆ U _х, ∆ U _Rф, ∆ U_{L ф}, ∆ U _в в формулу (126), получим:

(127)

где

U_d = E_d - напряжение источника постоянного тока;

I_d - ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока.

(128)

Нетрудно видеть, что для увеличения тока I_d, а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо:

- увеличивать напряжение источника постоянного тока (U_d = E_d) (при постоянном угле β);

- или уменьшать угол β (при постоянном напряжение источник постоянного тока).

Внешняя характеристика зависимого инвертора U_d = f (I_d) при постоянных значениях угла β приведены на рисунке 27.

Важным параметром, определяющим устойчивость работы зависимого инвертора является угол δ_з. На интервале, определяемым углом δ_з к выключаемому тиристору приложению отрицательное напряжение (смотри рисунок 26).

Для устойчивой работы инвертора необходимо, чтобы угол δ_з превышал угол восстановления запирающих свойств тиристора, который при частоте 50Гц находится в пределах

где

τ_восст.- время, необходимое для восстановления управляющих свойств тиристора.

Как видно из рисунка 26 δ_з= β-γ. (129)

С увеличением тока I_d при неизменном угле опережения β угол коммутации γ возрастает и, следовательно, угол δ_з уменьшается и может достигнуть при определённом токе минимально допустимого значения.

Это и определяет допустимый ток инвертора I_d. Угол δ_з уменьшается также при постоянном I_d, уменьшении β и соответствующем увеличении противо- ЭДС инвертора. Следовательно, чем больше противо - ЭДС, тем меньше допустимый инвертируемый ток.

Зависимость противо - ЭДС инвертора U_d от допустимого инвертируемого тока I_d при δ_з=const называют ограничительной характеристикой, выражение которой

(130)

Ограничительная харктеристика приведена на рисунке 26.

 

 

 

 

Рисунок 27. Внешние характеристики в режиме выпрямления (0<α<90⁰) и в режиме инвертирования (90⁰< α<180⁰)

 

 

Вопросы для самопроверки:

1 Дайте определение понятию «зависимый инвертор».

2 Перечислите условия перевода управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования.

3 Укажите способы регулирования мощности, отдаваемой зависимым инвертором в сеть переменного тока.

4 Дайте определению понятию «ограничительная характеристика».