3.3. Режим инвертирования (рекуперации)

Чтобы перейти из режима тяги в режим рекуперации, необходимо перевести тяговые двигатели в генераторный режим работы. Для этого собирают схему независимого возбуждения двигателей. Обмотки возбуждения подключают к отдельной выпрямительной установке возбуждения (ВУВ). Направление тока в обмотках выбирают таким, чтобы эдс якоря имела полярность, указанную в скобках на рис. 3.1. В режиме рекуперации ток протекает в цепи преобразователя за счет эдс двигателя, работающего в генераторном режиме (в дальнейшем он обозначен буквой Г ).

При рекуперации конфигурация схемы ВИП остается неизменной, поэтому ток , протекающий в цепи генератора, совпадает с проводящим направлением тиристоров ВИП. Для выполнения этого условия направление тока в цепи генератора должно остаться неизменным. При этом направление генераторной эдс электрической машины совпадает с протекающим через нее током , что является признаком источника электрической энергии.

Приемником энергии становится вторичная обмотка трансформатора. Для приемника энергии необходимо, чтобы напряжение и ток, протекающий через обмотку трансформатора, имели противоположные направления. Из этого следует, что вентили ВИП необходимо открывать в последовательности, обеспечивающей протекание тока через отмотки трансформатора при преимущественно отрицательном вторичном напряжении.

Рис. 3.7. Схемы замещения преобразователя на четвертой зоне регулирования

При таких условиях обеспечивается передача электрической энергии от генератора Г постоянного тока в сеть переменного тока контактной сети. В рекуперативном режиме ВИП работает как зависимый инвертор, выходное напряжение которого определяется параметрами напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Схемы замещения и диаграммы напряжения инвертора приведены на рис. 3.8–3.12 [5].

Рис. 3.8. Диаграммы напряжения инвертора

Рис. 3.9. Схемы замещения инвертора на первой зоне регулирования

В инверторном режиме работы различают два вида коммутации: сетевую  и фазную _р коммутации. Сетевая коммутация  происходит в конце полупериода после подачи импульсов управления , фазная коммутация _р наступает при поступлении на тиристоры импульсов управления _р в середине полупериода. Фаза импульсов управления, определяемая углом  (рис. 3.8), отсчитывается влево от точек прохождения напряжения трансформатора через нулевые значения (, 2...). Угол управления  называется углом опережения открытия тиристоров.

После подачи импульсов управления  начинается коммутация тока, которой соответствует угол коммутации . На высших зонах регулирования коммутация происходит одновременно в большом и малом контурах (интервалы ₇ – ₈ и ₃ – ₄ на рис. 3.8, б, в, г и на рис. 3.10–3.12). После окончания коммутации в течение оставшегося до конца полупериода времени, соответствующего углу  (рис. 3.8), к проводившему ранее ток тиристорному плечу прикладывается обратное напряжение. Угол запаса  должен быть больше времени, необходимого для перехода ранее проводившего ток тиристора в закрытое состояние и восстановления его запирающих свойств. На современном подвижном составе угол запаса инвертора  составляет 15–22 эл. град.

Рис. 3.10. Схемы замещения инвертора на второй зоне регулирования

Рис. 3.11. Схемы замещения инвертора на третьей зоне регулирования

Рис. 3.12. Схемы замещения инвертора на четвертой зоне регулирования

Напряжение формируется под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора и измеряется на входе инвертора между точками подключения электрической машины. В установившемся режиме работы ВИП среднее значение напряжения инвертора уравновешивается генераторной эдс двигателя.

Рассмотрим процессы, происходящие в преобразователе при рекуперации электрической энергии.

Работа преобразователя на четвертой зоне регулирования проиллюстрированы на рис. 3.12 и 3.8, г. Процесс инвертирования, подобно режиму тяги, состоит из отдельных интервалов времени, показанных на кривой напряжения (рис. 3.8). Как отмечалось, условием рекуперации энергии является противоположная полярность напряжений вторичной обмотки трансформатора и эдс генератора Г. На интервале (рис. 3.12) ток в цепи инвертора протекает через тиристорные плечи под действием напряжения генератора Г. Направление тока противоположно напряжению вторичных обмоток трансформатора, что указывает на признак потребления электрической энергии.

На интервале напряжение инвертора формируется под действием напряжения всех трех секций обмоток трансформатора. При полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора, показанной штриховой линией, напряжение инвертора противоположно напряжению в выпрямительном режиме. Поэтому кривая изображена в области преимущественно отрицательных значений напряжения.

В момент времени , после подачи импульса управления , на тиристоры плеча начинается коммутация тока с тиристоров на . Коммутация , которой соответствует интервал , происходит под действием напряжения секции II вторичной обмотки трансформатора. После окончания коммутации на интервале напряжение инвертора определяется уже напряжением секций I и III трансформатора. На этом интервале напряжение обмоток трансформатора также противоположно по знаку напряжению генератора Г.

В конце полупериода ( ) с опережением на угол  подаются одновременно импульсы управления на тиристорные плечи и . При этом, в отличие от режима тяги, инверторная коммутация (интервал 7–8) происходит параллельно в большом (с тиристоров на ) и в малом (с на ) контурах коммутации. Из рис. 3.12 видно, что на этом интервале времени все вторичные обмотки трансформатора зашунтированы коммутируемыми тиристорами, поэтому напряжение (рис. 3.8, г) на входе инвертора равно нулю.

После окончания коммутации  (от до конца полупериода ) полярность напряжения трансформатора и ток инвертора совпадают. Продолжительность этого участка кривой равно углу запаса инвертора , т. е. 15–22 эл. град. После смены полярности напряжения трансформатора при напряжения трансформатора и генератора вновь имеют противоположные направления, этому соответствует схема замещения преобразователя на интервале .

В первом полупериоде (полярность напряжения трансформатора показана сплошной стрелкой) процессы в схеме ВИП протекают аналогично рассмотренным. Поэтому форма напряжения инвертора на участке 0 –  повторяет кривую напряжения на рассмотренном интервале времени  – 2. Фазная коммутация происходит на участке после подачи импульса управления на тиристоры плеча . Инверторная коммутация , которой соответствует участок , наступает после подачи импульсов управления  одновременно на тиристорные плечи и . После ее окончания ток проводят тиристоры плеч , (интервал ). Далее процессы в схеме инвертора повторяются.