0. Инверторы, ведомые сетью

Ведомые сетью инверторы (зависимые инверторы) служат для передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Коммутация тока в силовых полупроводниковых приборах такого инвертора выполняется переменным напряжением (естественная коммутация), частота которого (в России 50 Гц) определяет частоту преобразованного инвертором тока. Отсюда и название зависимый инвертор, так как частота переключения его СПП определяется частотой переменного напряжения, на которую работает инвертор, и сеть переменного тока ведет инвертор, то есть для работы зависимого инвертора необходимо переменное напряжение в сети. Однофазные ведомые сетью инверторы применяются на электроподвижном составе при рекуперативном торможении, когда тяговые электрические машины переводятся в генераторный режим. За счет энергии движущейся массы поезда генераторы вырабатывают электрическую энергию, которая через инвертор передается в тяговую сеть. При этом на валах генераторов создается тормозной момент. Рекуперативное торможение было осуществлено в 60-е годы прошлого столетия на электровозах ВЛ60^р с ртутными выпрямительно–инверторными преобразователями под руководством проф. Тихменева Б.Н.. Трехфазные ведомые сетью инверторы (рекуператоры) применяются на тяговых подстанциях для передачи избыточной энергии из контактной сети постоянного тока во внешнюю систему электроснабжения железных дорог переменного тока. На тяговых подстанциях обычно применяют непереключаемые инверторы и выпрямители. Ведомые инверторы могут быть выполнены по схеме с нулевым выводом и по мостовой схеме аналогично схемам управляемых выпрямителей, поэтому на электроподвижном составе одно и то же электронное оборудование ВИП (выпрямительно-инверторные преобразователи) работает выпрямителем в режиме тяги и инвертором в режиме рекуперативного торможения (переключаемые инверторы).

Принципиальная электрическая схема ведомого сетью инвертора представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципиальная электрическая схема инвертора, ведомого сетью

ЭДС Е_г, которая вырабатывается электрическими машинами подвижного состава, должна быть направлена к анодам тиристорного моста инвертора. Для изменения направления Е_г при переходе из режима тяги в режим электрического торможения машин переключается их возбуждение с последовательного на независимое.

Во вторичной обмотке трансформатора TV индуцируется переменная ЭДС, направление которой в один полупериод соответствует стрелке e_ха, при этом тиристоры VS1, VS3 находятся в проводящем состоянии, а направления ЭДС e_ха и тока во вторичной обмотке, ЭДС Е_г противоположны. Для того, чтобы перевести тиристоры VS1, VS3 в непроводящее состояние, нужно подать импульсы управления на тиристоры VS2, VS4 не позднее момента достижения переменной ЭДС e_ха нуля с учетом коммутации тока и времени восстановления запирающих свойств тиристоров. В другой полупериод направление переменной ЭДС во вторичной обмотке трансформатора соответствует стрелке e_ах при этом тиристоры VS2, VS4 находятся в проводящем состоянии, а направление ЭДС e_ах противоположно направлению тока во вторичной обмотке и противоположно направлению Е_г. В этом случае электрическая энергия будет передаваться от источника G постоянного тока через инвертор и тяговый трансформатор в контактную сеть переменного тока. Величина тока I_d в цепи постоянного тока зависит от разности ЭДС Е_г – е_ах, Е_г - е_ха , а также от угла регулирования тиристоров инвертора. От величины тока I_d зависит тормозной момент на валу электрической машины G и рекуперация электрической энергии в контактную сеть.

Рис. 3.2. Временные диаграммы ЭДС, токов в инверторе, ведомом сетью

Для надежной работы инвертора и для исключения опрокидывания инвертора, очередную пару тиристоров необходимо открывать заранее, до момента перехода через нулевое значение переменной ЭДС во вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.2).

Угол опережения включения тиристоров β – интервал времени от момента отпирания пары тиристоров до момента перехода переменной ЭДС через нуль.

β = π – α.

Изменением угла регулирования α можно изменять угол опережения β.

Угол коммутации тиристоров γ – интервал времени, в течение которого происходит переключение тока с одной пары тиристоров на другую пару тиристоров. Угол коммутации зависит от индуктивности электрической цепи, от угла опережения β и от величины тока I_d.

Процесс коммутации тока должен завершаться до момента перехода переменной ЭДС во вторичной обмотке трансформатора е через нуль за промежуток времени δ, который называется после коммутационным углом инвертора.

Минимально допустимый после коммутационный угол инвертора δ_min необходим для того, чтобы к моменту подачи на аноды тиристоров, которые заканчивают работу, положительной полуволны ЭДС, они восстановили запирающие свойства. Иначе, тиристоры останутся в проводящем состоянии, и произойдет опрокидывание инвертора. Во время наладки системы управления инвертором устанавливают после коммутационный угол δ_min = 20 – 25 электрических градусов.

Управление электрической энергией, отдаваемой в сеть, управление тормозными режимами локомотива выполняются изменением угла регулирования тиристоров α, то есть изменением угла опережения β, переключением секций вторичных обмоток тягового трансформатора и током возбуждения. При этом изменяется среднее значение напряжения U_d на входе инвертора, что ведет к изменению тока в обмотках трансформатора.

При работе инвертора на холостом ходу среднее значение напряжения на входе инвертора равно

U_do = U_domax · cosβ,

где U_domax – среднее значение напряжения в цепи постоянного тока при холостом ходе инвертора и угле β = π.

При нагрузке инвертора на элементах электрической цепи возникают такие же падения напряжения, как и в выпрямителе. Так как электрическая энергия передается от машины постоянного тока через инвертор во вторичную обмотку трансформатора, то напряжение на входе инвертора при нагрузке будет больше напряжения на входе инвертора при холостом ходе:

U_d = U_do + ΔU_спп + ΔU_R +ΔU_γ ,

где ΔU_спп – падение напряжения на тиристорах инвертора;

ΔU_R – падение напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора, реактора;

ΔU_γ – падение напряжения из-за коммутации тока.

На рис. 3.3 представлены внешние характеристики преобразователя в выпрямительном и инверторном режиме работы. Максимальное напряжение при холостом ходе инвертора U_dmax меньше U_domax при холостом ходе выпрямителя, так как минимальный угол опережения зажигания β_min = 20^O – 25^O и U_dmax = U_domax · cosβ_min .

Рис. 3.3. Внешние характеристики преобразователя в выпрямительном и инверторном режиме работы

С увеличением тока I_d линейно возрастают падения напряжения, и напряжение на входе инвертора необходимо повышать. Угол коммутации тиристоров γ возрастает с увеличением нагрузки инвертора I_d. Чем меньше угол опережения β, тем меньше должен быть угол коммутации тиристоров инвертора γ, то есть должна быть меньше нагрузка инвертора. Для снижения нагрузки инвертора с уменьшением β используется ограничительная характеристика. Ограничительной характеристикой инвертора является прямая линия δ = δ_min. После коммутационный угол инвертора δ = β – γ может стать меньше допустимого значения и тиристоры не успеют восстановить запирающие свойства. На некоторых электровозах с рекуперативным торможением угол опережения β изменяется автоматически так, чтобы при изменении нагрузки I_d и индуктивности электрической цепи (то есть угла коммутации γ) послекоммутационный угол инвертора δ поддерживался на допустимом уровне для устойчивой работы инвертора.

Падение напряжения на элементах преобразователя снижает выпрямленное напряжение, а в инверторном режиме увеличивает напряжение в цепи постоянного тока на ту же величину прямо пропорционально току I_d. При переходе преобразователя из выпрямительного режима в инверторный и наоборот возникает скачок напряжения.

Коэффициент мощности инвертора позволяет оценить эффективность передачи электрической энергии от источника постоянного тока в электрическую сеть переменного напряжения. Для электроподвижного состава с электродвигателями постоянного тока и импульсно-фазовым способом управления тиристорами инвертора коэффициент мощности инвертора можно приближенно рассчитать по формуле

K_M = P/S = ν · cos(β – γ/2),

где ν – коэффициент нелинейных искажений тока;

φ₁ = β – γ/2 – угол сдвига первой гармоники тока относительно первой гармоники переменного напряжения в контактной сети.

По мере увеличения угла опережения β коэффициент мощности инвертора снижается, то есть ухудшается преобразование механической энергии в электрическую энергию. Значительные уравнительные токи, возникающие в контактной сети из-за работы инвертора с импульсно-фазовым способом управления тиристорами, обусловлены также фазовым смещением напряжения, индуцируемого в первичной обмотке тягового трансформатора электроподвижного состава, относительно напряжения в контактной сети.