Принцип работы зависимого m-пульсового инвертора

Условия стационарного режима – выпрямленный ток в цепи «выпрямитель – двигатель» определяется по формуле:

где U_d – среднее значение напряжения на шинах постоянного тока преобразователя;

R_d – активное сопротивление в цепи выпрямленного тока.

В системе электроснабжения постоянного тока основными составляющими активного сопротивления являются сопротивление контактной сети на участке между тяговой подстанцией и ЭПС и сопротивление сглаживающего реактора.

Встречное направление тока в обмотке якоря по повышают с тем, чтобы передать энергию рекуперации через контактную сеть поездам, находящимся в тяговом режиме. В случае отсутствия таких поездов, либо при потреблении ими лишь части энергии рекуперации, остальная часть энергии, являющаяся избыточной, должна быть инвертирована в питающую систему, для этого ЭДС должна быть поднята до значений больших напряжения холостого хода выпрямителя. Однако хотя E_d>U_d0, протеканию тока от машин ЭПС будут препятствовать вентили преобразователя, поэтому для перевода преобразователя в инверторный режим необходимо изменить полярность присоединения его к тяговой сети. На тяговых подстанциях это осуществляется посредством выключателей, присоединяющих преобразователь к шиитам постоянного тока. На ЭПС в большинстве случаев применяют преобразователи со встречно включенными вентилями для инверторного режима (ВЛ 65, ВЛ 85). Направление тока I_и после переключения полярности совпадает с направлением ЭДС Е_d, что указывает на генераторный режим работы ЭПС.

Для реализации процесса инвертирования тока вентильная обмотка преобразовательного трансформатора, по которой в данный момент протекает ток I_и, должна работать в двигательном, а не генераторном режиме, воспринимая электроэнергию, отдаваемую машинами ЭПС и передавая ее путем трансформации через сетевую обмотку в питающую сеть. Так как вентили выпрямителя, как правило, неуправляемые, ток инвертора может протекать по любой из фаз вентильной обмотки, однако при этом не во всех случаях будет иметь место инвертирование тока.

Условия инвертирования:

1) временные диаграммы напряжений в цепи «генератор – преобразователь»:

2) полярность активных элементов схемы для произвольно взятого момента времени t:

При трех возможных путях протекания тока – фазах a, b, c – наибольшая разность потенциалов будет в цепи «генератор – обмотка фазы а» (отрезок 1-5). При равных сопротивления ветвей вентильной обмотки напряженность поля в цепи обмотки фазы а будет максимальна и следовательно ток в рассматриваемый момент будет протекать через вентиль VD1. Направление тока I_и при этом совпадает с направлением напряжения фазы а. Это означает, что вентильная обмотка трансформатора работает в режиме генератора, то есть создает энергию, получаемую из питающей системы переменного т ока совместно с энергией, даваемой генератором (тяговыми машинами) в цепь постоянного тока, где она рассеивается в активном сопротивлении R_d, следовательно инвертирование потока энергии при этом не возникает и преобразователь продолжает работать как выпрямитель. Следовательно все суммарное напряжение ЭПС и вентильной обмотки прикладывается к участку тяговой сети, обладающему малым сопротивлением. Это вызывает значительные аварийные токи, которые отключаются ВАБами во избежание пережогов проводов контактной сети. Если в схеме предварительно отключить Q1, то в момент t₁ ток инвертора будет проходить по обмотке фазы b, так как мгновенное значение суммарного напряжения в ее цепи (отрезок 2-5) больше, чем в цепи обмотки фазы с (отрезок 4-5). Однако и в этом случае направления тока и напряжения в цепи работающей фазы будут совпадать, и следовательно преобразователь будет работать в выпрямительном режиме. Инвертирование тока может быть достигнуто лишь в случае, когда в момент t₁ ток генератора будет проходить по обмотке фазы с (цепь обмотки фазы b так же должна быть разомкнута выключателем Q2). В этом случае направление тока I_и, протекающего под воздействием разности напряжений (Е_d-U_с) (отрезок 4-5), и напряжения фазы с будут противоположны, что является признаком работы вентильной обмотки в двигательном режиме. Энергия, отдаваемая генератором, потребляется вентильной обмоткой и путем трансформации подается через сетевую обмотку в питающую энергосистему. Следовательно, инвертирование тока преобразователя возможно лишь при условии, когда обеспечивается работа фаз вентильной обмотки трансформатора, напряжение которых встречно по отношению к напряжению генератора.

Для достижения наиболее эффективной работы инвертора коммутацию тока в анодных цепях желательно производить в момент соответствия точкам пересечения отрицательных синусоид напряжения вентильной обмотки (для фазы а момент t₁). В этом случае входное напряжение инвертора, а следовательно и реализуемая инвертором мощность при фазном токе имела бы максимальное значение.

В начале коммутации на тиристоре очередной фазы должен быть подан отпирающий импульс, однако, несмотря на отпирания тиристоров фазы а в момент времени t₁, перехода тока инвертирования в цепь этой фазы не произойдет, так как протекающий в контуре работающей фазы с ток обуславливает поддержание открытого состояния тиристора этой фазы.

В последующие моменты времени суммарное напряжение, приложенное в цепи фазы с становится большим, чем в цепи фазы а, поэтому в работе остается фаза с и начиная с момента времени t₂ преобразователь переходит в выпрямительный режим, вызывающий сверхтоки. Такой срыв инверторного режима называется опрокидыванием инвертора.

Для обеспечения коммутации токов при работе инвертора подачу отпирающих импульсов на тиристоры очередной фазы производят раньше моментов пересечении отрицательных участков синусоид напряжения коммутирующих фаз.

При работе например фазы с отпирание тиристоров фазы а происходит в момент времени t₃, то есть с опережением на угол β по отношению к моменту времени t₁. при этом суммарное напряжение в контуре вступающей в работу фазы а больше, чем в контуре работающей фазы, что и обусловливает переход тока инвертирования в контур этой фазы. Момент открытия вентиля VS1 определяется подачей тока управления и в ряде случаев характеризуется углом α. Более распространено понятие угла опережения открытия тиристоров β, дополняющего α до значения π:

Открытие очередного вентиля и закрытие ранее пропускавшего ток объясняется тем, что потенциал анода первого вентиля более высокий (момент времени t₃), чем анода закрывающегося вентиля. Вследствие этого напряжение на входе инвертора формируется из отрицательных фазных ЭДС и имеет полярность обратную выпрямительному режиму.

где U_d0 – напряжение холостого хода нерегулируемого преобразователя при работе в выпрямительном режиме.

При протекании тока в цепи инвертора коммутационный процесс увеличивает входное напряжение, так как мгновенные значения ЭДС инвертора в период коммутации выше, чем при холостом ходе. Площадки, отмеченные штриховкой, увеличивают площадь фигуры, определяющую входное напряжение инвертора. Напряжение в момент коммутации также равно полусумме коммутирующих вентилей. Методика расчетов токов вентилей и угла коммутации аналогична расчетам выпрямительного режима. Аналогичны и выводы: угол коммутации увеличивается с ростом I_и и величины индуктивности х_в и уменьшается с увеличением угла β, так как коммутация происходит при более высоких напряжениях. Среднее значение коммутационных потерь при инвертировании:

То есть коммутационные потери, как и в выпрямителе линейно зависят от тока преобразователя и внешняя характеристика инвертора может быть представлена восходящей кривой.

Кроме ЭДС холостого хода инвертора и коммутационных потерь, напряжение, прикладываемое к входу инвертора, должно уравновешивать также падение напряжения в вентилях преобразователя. Поэтому уравнение внешней характеристики имеет вид: