Принцип работы зависимого m -пульсового инвертора

Рассмотрим принцип работы переключаемого зависимого m-пульсового инвертора на примере трехфазного трехпульсового преобразователя при работе его с обратимой машиной постоянного тока, то есть тяговым двигателем электровоза.

На тяговых подстанциях применяют выпрямители, собранные по шести- и двенадцатипульсовым схемам выпрямления. Составным элементом каждой из этих схем является трехфазная коммутирующая группа. Поэтому все особенности работы трехфазного трехпульсового инвертора могут быть отнесены и к шести-, и к двенадцатипульсовым.

Принципиальная схема трехпульсового выпрямителя, питающего тяговые двигатели электроподвижного состава, приведена на рис. 10. Сетевая обмотка на рисунке не поаказана.

В условиях стационарного режима работы выпрямленный ток в цепи «выпрямитель – двигатель» определяется по выражению:

                                              (1)

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

E_d – ЭДС двигателя;

R_d – активное сопротивление в цепи выпрямленного тока.

Рис. 10. Принципиальная схема трехпульсового выпрямителя, питающего

 тяговые двигатели электроподвижного состава

 

В системе электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока основными составляющими активного сопротивления являются сопротивление контактной сети на участке между тяговой подстанцией и ЭПС, а также сопротивление реактора сглаживающего устройства (фильтра).

Встречное направление тока в обмотке якоря по отношению к направлению ЭДС E_d является признаком двигательного режима работы электрической машины.

При рекуперативн6ом торможении поток возбуждения двигателей увеличивают и переводят их в генераторный режим без изменения полярности ЭДС Е_d. Для получения эффекта электрического торможения тяговые двигатели, работающие в генераторном режиме, должны быть нагружены. Поэтому ЭДС машин 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 этой энергии, являющаяся избыточной, должна быть инвертирована в питающую систему. Для этого ЭДС машины должна быть поднята до значений, бóльших напряжения холостого хода выпрямителя.

Однако при достижении условия ЭДС 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 (рис. 11).

Рис. 11. Изменение полярности присоединения преобразователя к тяговой сети для перевода его в инверторный режим

 

На тяговых подстанциях это осуществляется посредством выключателей, присоединяющих преобразователь к шинам постоянного тока. На ЭПС в большинстве случаев применяют преобразователи со встречно включенными вентилями для перевода преобразователя в инверторный режим (электровозы ВЛ.80^Р, ВЛ.85, ВЛ.65).

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 времени 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 I_и может протекать по любой из фаз вентильной обмотки. Однако, при этом не во всех случаях будет иметь место инвертирование тока.

Условия, при которых возможно инвертирование.

Рассмотрим временные диаграммы напряжений, действующих в цепи «генератор – преобразователь» (рис. 12).

На синусоидально изменяющееся напряжение фаз вентильной обмотки u_a, u_b, u_c наложено напряжение источника E_d. Положение его определено схемой, приведенной на рис. 11, в которой положительный полюс генератора связан с нулем звезды (потенциал этой точки совпадает с осью времени). Потенциал отрицательного полюса смещен на величину E_d.

 

 

Рис. 12. Временные диаграммы напряжений, действующих в цепи

«генератор –преобразователь»

 

Полярность активных элементов схемы для произвольно взятого момента времени t₁ показана на рис. 13.

Рис. 13. Полярность активных элементов схемы для произвольно

 взятого момента времени t₁

 

При трех возможных путях протекания тока (через фазы a, b или c) наибольшая разность потенциалов в момент времени t₁ будет в цепи «генератор – обмотка фазы а». Напряжение E_d суммируется с мгновенным значением напряжения фазы а, совпадая с ним по полярности (отрезок 1-5 на рис. 12). При равных сопротивлениях ветвей вентильной обмотки напряженность поля в цепи обмотки фазы а будет максимальной и, следовательно, ток в рассматриваемый момент времени будет протекать только в цепи этой фазы (через вентиль VD1).

Как видно из схемы (рис. 13) и диаграмм (рис. 12), направление тока I_и при этом совпадает с направлением напряжения фазы а. Это означает, что вентильная обмотка трансформатора работает в режиме генератора, то есть отдает энергию, получаемую из питающей системы переменного тока совместно с энергией, отдаваемой 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.

В этом случае практически все суммарное напряжение машин ЭПС и вентильной обмотки преобразователя было бы приложено к участку тяговой сети, обладающему малым сопротивлением. Это вызвало бы значительные аварийные токи, которые должны быть отключены быстродействующими выключателями во избежание пережогов проводов контактной сети.

Если в схеме предварительно отключить выключатель Q1, то в момент времени 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.

Очевидно, инвертирование тока может быть достигнуто лишь в случае, когда в момент времени t₁ ток от генератора будет протекать 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 передается через сетевую обмотку в питающую энергосистему.

Следовательно, инвертирование тока преобразователем возможно лишь при условии, когда обеспечивается работа фаз вентильной обмотки трансформатора, напряжение которых встречно по отношению к напряжению генератора.

Использование выключателей Q1-Q3 для коммутации тока в цепях вентильных обмоток в реальных условиях невозможно, так как включать и отключать такие выключатели с частотой питающей сети чрезвычайно затруднительно. Поэтому для коммутации тока в цепях инверторов применяют управляемые вентили – как правило, тиристоры. Принципиальная схема трехпульсового инвертора приведена на рис. 14. На схеме также не показана сетевая обмотка трансформатора.

Рис. 14. Принципиальная схема трехпульсового инвертора

 

Электромагнитные процессы, характеризующие работу трехпульсового трехфазного инвертора, приведены на рис. 15.

 

Рис. 15. Электромагнитные процессы, характеризующие работу

 трехпульсового трехфазного инвертора

 

В зависимости от соотношения между Е_d и ЭДС инвертора полная длительность анодного тока в m-пульсовом инверторе может быть меньше, равна или больше 2π/m. В первых двух случаях инвертируемый ток, состоящий из импульсов анодных токов, имеет прерывистый или начально-непрерывный характер.

Когда инвертируемый ток непрерывен и существуют участки одновременной работы чередующихся фаз, в течение которых происходит коммутация токов, нагрузка имеет активно-индуктивный характер с преобладанием индуктивности, т. е. X_d = ∞.

Для достижения наиболее эффективной работы инвертора коммутацию тока в анодных цепях желательно производить в моменты, соответствующие точкам пересечения отрицательных полуволн синусоид напряжения вентильной обмотки, например в момент времени t₁ (рис. 16). В этом случае входное напряжение инвертора, а, следовательно, и реализуемая инвертором мощность при данном токе имели бы максимальное значение.

В начале коммутации на тиристоры очередной фазы должен быть подан отпирающий импульс. Однако, несмотря на отпирания тиристора VS1 фазы а в момент времени t₁ перехода тока инвертирования в цепь этой фазы не произойдет, так как протекающий в контуре работающей фазы с ток обусловливает поддержание открытого состояния тиристора этой фазы.

В последующие моменты времени суммарное напряжение, приложенное в цепи фазы с (см. рис. 15) 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 пересечения отрицательных полуволн синусоид напряжения коммутирующих фаз.

При работе, например, фазы с отпирание тиристоров фазы а нужно производить 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 будет больше, чем в контуре работающей фазы, что и обусловливает переход тока инвертирования в контур этой фазы.

Момент открытия вентиля VS1 определится подачей импульса тока управления и характеризуется углом регулирования α (α > π/2). Более распространено понятие «угол опережения открытия тиристоров» β, дополняющий α до значения π:

                                                  (2)

Открытие очередного вентиля и закрытие ранее пропускавшего ток объясняется тем, что потенциал анода первого вентиля более высокий (момент времени t₃ на рис. 15), чем анода закрывающегося вентиля. Вследствие этого напряжение на входе инвертора формируется из отрицательных полуволн синусоид фазных ЭДС и имеет полярность, обратную выпрямительному режиму (рис. 16).

Рис. 16. Одна пульсация кривой напряжения на входе инвертора

 

Среднее значение такого напряжения m-пульсового инвертора при холостом ходе определяется по выражению

      (3)

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

При получении окончательного выражения принималось следующее:

; .

Рис. 17. Электромагнитные процессы в трехпульсовом трехфазном

 инверторе с учетом угла коммутации γ

 

При протекании тока в цепи инвертора коммутационный процесс увеличивает входное напряжение, так как мгновенные значения ЭДС инвертора на интервале коммутации выше, чем при холостом ходе. Электромагнитные процессы в трехпульсовом трехфазном инверторе с учетом угла коммутации γ приведены на рис. 17. За счет повышения мгновенных значений напряжения на входе инвертора на интервале коммутации увеличивается площадь фигуры, ограничиваемой входным напряжением инвертора. Напряжение на интервале коммутации равно полусумме коммутирующих ЭДС. Методика расчета токов вентилей и угла коммутации аналогична той, что использовалась при анализе выпрямительного режима. Аналогичны и выводы: значение угла коммутации увеличивается с ростом тока нагрузки I_и и величины индуктивного сопротивления X_в и уменьшается с увеличением угла β, так как коммутация происходит при более высоких напряжениях.

Среднее значение коммутационных потерь напряжения при инвертировании определяется по выражению:

                                                (4)

Из выражения (4) видно, что коммутационные потери в инверторе, как и в выпрямителе, линейно зависят от тока преобразователя, а внешняя характеристика инвертора может быть представлена восходящей прямой.

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:

                     (5)

123456

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: