5.2. Работа мостового ведомого сетью инвертора

Рассмотрим работу инвертора напряжения (рис. 5.5), в котором учтена индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора в виде реактивного сопротивления .

Рис. 5.5. Схема мостового ведомого сетью инвертора

Диаграммы, поясняющие работу инвертора, представлены на рис. 5.6. Индуктивность сглаживающего реактора , поэтому ток в цепи генератора и сетевой ток инвертора (рис. 5.6, д) идеально сглажен.

В первом полупериоде 0 –  на интервале 0 – _рег в проводящем состоянии находятся тиристоры (рис. 5.3, а). Ток инвертора протекает под действием эдс генератора через навстречу напряжению вторичной обмотки трансформатора. Полярность для этого полупериода показана на рис. 5.3 и 5.5 . На вход инвертора через вентили передается отрицательная полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора , которая определяет на этом интервале форму напряжения инвертора .

В конце первого полупериода 0 –  подаются управляющие импульсы _рег (рис. 5.6, в) на тиристоры и инвертора, с опережением на угол . В связи с наличием индуктивного сопротивления переход тока с тиристоров на тиристоры происходит за время коммутации . В контурах, образованных вторичной обмоткой трансформатора и открытыми вентилями протекает ток короткого замыкания , переводящий ток инвертора с тиристоров на тиристоры . После окончания коммутации ток замыкается через вентили (рис. 5.6, е). Поскольку во время коммутации  вторичная обмотка трансформатора закорочена всеми четырьмя вентилями инвертора, напряжение на его входе (рис. 5.6, б).

Рис. 5.6. Диаграммы токов и напряжения инвертора

После коммутации  в оставшееся до конца полупериода время  к тиристорам прикладывается обратное напряжение трансформатора через открытые вентили . Во время этого интервала происходит восстановление запирающих свойств тиристоров , при этом должно выполняться условие закрытия тиристора:

, (5.2)

где – паспортное время выключения тиристора.

Перевод тока на вентили вызывает изменение полярности напряжения на входе инвертора . Положительная полуволна напряжения трансформатора через поступает на вход инвертора, чему соответствует положительное напряжение на интервале  (рис. 5.6, а). Несмотря на то, что на этом интервале уменьшающееся к концу полупериода напряжение и эдс генератора включены согласно, однако режима опрокидывания инвертора не происходит, поскольку этот интервал не является продолжительным, а резкому изменению тока препятствует индуктивность L. Во втором полупериоде процессы в схеме инвертора повторяются.

Поскольку напряжение на входе инвертора сформировано из участков напряжения отрицательной полярности, среднее значение напряжения инвертора имеет отрицательную полярность по сравнению с режимом выпрямления. Коммутационные потери напряжения увеличивают абсолютную величину , поскольку при расчете среднего значения напряжения выпадают участки положительного напряжения , на которых во время коммутации  напряжение = 0. Кривые сетевого напряжения и тока показаны на схеме (рис. 5.6, а). Амплитуда сетевого тока определяется током инвертора и коэффициентом трансформации трансформатора ( – число витков, первичной и вторичной обмотки трансформатора, соответственно).

Если пренебречь падением напряжения на активных сопротивлениях во входной цепи инвертора, то эдс генератора уравновешивается средним значением напряжения инвертора , т. е. = . Это равенство выполняется во всех режимах работы инвертора. Повышение, например, двигателя генератора  сопровождается увеличением тока и, соответственно, продолжительностью интервала коммутации . Увеличение времени  приводит к увеличению среднего значения напряжения и восстановлению указанного равенства.

При мгновенной коммутации ( ) в соответствии с рис. 5.6, а абсолютное значение напряжения можно определить из соотношения [3]:

. (5.3)

Решив уравнения (5.3), получаем

, (5.4)

где – напряжение инвертора при .

Из сравнения выражения (5.4) с полученным ранее соотношением (2.4) для среднего значения выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя можно сделать заключение об их полной идентичности. Напряжение инвертора описывается тем же уравнением (5.4), если в (2.4) заменить угол регулирования  на угол . С учетом этих обстоятельств представим обобщенную регулировочную характеристику преобразователя (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Обобщенная регулировочная характеристика

При увеличении угла  от 0 до /2 преобразователь работает в режиме управляемого выпрямителя. При дальнейшем увеличении угла  от /2 до , и соответственно изменении угла  от /2 до , преобразователь выполняет функции ведомого сетью инвертора.

Характеристика ограничена минимальным углом , необходимым для восстановления запирающих свойств тиристоров инвертора.

Величину коммутационных потерь напряжения находим из кривой напряжения (рис. 5.6, б) как усредненное за период значение напряжения на интервале коммутации :

. (5.5)

Среднее значение напряжения инвертора с учетом коммутационных потерь напряжения находим по выражению

. (5.6)

Коммутационные потери напряжения в инверторе рассчитываются по (2.31), полученной при определении в управляемом выпрямителе:

. (5.7)

Выражение (5.6), с учетом (5.7), принимает вид

. (5.8)

У

Рис. 5.8. Входная характеристика инвертора

равнение (5.8) идентично полученному ранее выражению для внешней характеристики управляемого выпрямителя (2.32), если в него вместо угла регулирования  подставить значение угла . Кроме того, коммутационные потери напряжения, учитываемые вторым членом в (5.8), увеличивают среднее значение напряжения инвертора . Поскольку напряжение генератора уравновешивает напряжение инвертора , выражение (5.8) можно представить в виде

. (5.9)

Это уравнение описывает входную характеристику инвертора (рис. 5.8), т. е. зависимость напряжения генератора от тока инвертора относительного значения на входе инвертора [10].

Графически входные характеристики инвертора изображают в виде семейства прямых, относящихся к различным значениям угла . Повышение тока инвертора сопровождается увеличением коммутационных потерь напряжения, поэтому увеличение тока обусловливает повышение напряжений и (рис. 5.7). Кроме того, повышение связано с увеличением продолжительности процесса коммутации , а следовательно, и с уменьшением послекоммутационного интервала  (рис. 5.6, б), необходимого для восстановления запирающих свойств тиристоров. В этой связи максимальное значение тока инвертора ограничено минимально допустимым значением угла . Очевидно, что с уменьшением угла  максимальное значение наступает при меньших значениях. Значения для каждого значения угла  находят на пересечении входных характеристик с ограничительной характеристикой инвертора (показана пунктиром на рис. 5.8). Аналитически ограничительная характеристика описывается уравнением [3]

. (5.10)

Из сравнения (5.9) и (5.10) следует, что ограничительная характеристика имеет наклон, обратный наклону входных характеристик инвертора. При расчете характеристик инвертора должны быть заданы максимальные значения напряжения и тока инвертора. Значение определяет паспортное время выключения тиристора (5.2).

Определим коэффициент мощности ведомого сетью инвертора. Согласно (1.20) он определяется произведением и коэффициентом искажения формы v сетевого тока . При близкой к прямоугольной форме тока коэффициент искажения, в соответствии с (1.37), приближенно равен: Принимая линейным нелинейный характер изменения тока во время коммутации , значение можно рассчитать также по приближенной формуле

. (5.11)

Угол регулирования связан с углом опережения открытия тиристоров  соотношением

. (5.12)

В этом случае (5.11) принимает вид

. (5.13)

Поскольку принято считать величиной положительной, значение в (5.13) определяем как абсолютную величину:

. (5.14)

Таким образом, коэффициент мощности инвертора можно рассчитать по формуле

. (5.15)

В ведомых сетью инверторах для повышения применяют те же методы, что и в управляемых выпрямителях. Из (5.15) следует, что повышение возможно главным образом за счет уменьшения угла опережения открытия тиристоров . Повышение возможно также за счет улучшения формы тока и приближения ее к синусоидальной форме. В этом случае значение коэффициента в (5.15) увеличивается до .

Выводы

Для перевода ВИП из режима тяги в рекуперацию необходимо выполнить следующие условия:

а) При сохранении конфигурации ВИП подключать двигатель, работающий в генераторном режиме, к преобразователю с полярностью, обратной режиму выпрямления.

б) Обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности напряжения u₂.

в) Включение очередных тиристоров ВИП производить до окончания полупериода с углом опережения .