Мощные ведомые сетью инверторы

4

Размещено на http://allbest.ru

1. Однофазные ведомые сетью инверторы

Инвертирование это преобразование постоянного тока в переменный промышленной частоты или иной частоты. Инверторы и выпрямители нередко проявляют себя в одном устройстве. Например, трамвай, набирающий ход, потребляет энергию из сети. Тормозящий трамвай отдает часть энергии в сеть.

1.2 Условия потребления или передачи энергии из одного источника в другой

Рассмотрим две цепи (рис. 11.1 и рис. 11.2), на которых понятны явления инвертирования электрической энергии.

В схеме, представленной на рис. 11.1 ток протекает по нагрузке с лева направо, тогда для схемы справедливы уравнения

(11.1)

Из уравнения (11.1) ясно, что мощность черпается от источника Р1 тогда, когда ток протекает по часовой стрелке. Если ток в цепи будет протекать против часовой стрелке, то в сеть энергию будет отдавать генератор Е2:

(11.2)

Таким образом, направление передачи энергии зависит от направления протекания тока в цепи.

Для рис.11.2 тоже очевидно, что при заданном направлении тока энергию в сеть отдает источник Е2, а источник Е1 накапливает энергию (зарядка аккумулятора). Инвертирование в этой схеме можно получить не меняя направления тока, а поменять полярность источника Е1. В этом случае источник Е1 тоже начнет отдавать энергию в сеть.

Вывод 11.1. Направление передачи энергии источника можно обеспечить, изменяя направление тока цепи относительно напряжения источника (ток и напряжения в противофазе);

Вывод 11.2. Направление передачи энергии от источника или к источнику можно обеспечить, изменив направление напряжения источника питания.

1.3 Режимы работы однофазного преобразователя с нулевым выводом трансформатора

Рассмотрим работу выпрямителя рис. 11.1 большой мощности, нагрузкой которого являемся генератор постоянного напряжения U2.

Вторичная обмотка трансформатора, концы которой помечены точками А и В, позволяет из сети переменного тока черпать энергию.

В качестве вентилей выберем управляемые тиристороры VS1и VS2. Теперь будем изменять угол управления, открывая тиристоры следующим образом:

, и .

1.4 Режим работы преобразователя при

На рис. 11.4 показаны фазные напряжения Е1 (сплошная линия) и Е2 (пунктирная линия) вторичных обмоток трансформатора. Фаза напряжения сети Е1 совпадает с фазой тока в интервале от до. Таким образом, в этом интервале энергия из сети переменного тока передается в нагрузку. В интервале от до напряжение сети изменят относительно тока нагрузки на угол , что приводит к отбору части энергии от источника постоянного напряжения и передачи этой энергии опять в сеть переменного тока. Совершенно ясно, что время работы схемы в режиме выпрямления, больше времени работы схемы в режиме инвертирования. По этой причине эту схему следует считать выпрямителем переменного тока.

Внешняя характеристика такого устройства нам известна

(11.3)

где знак слагаемого указывает на то, что потери коммутации восполняются сетью переменного тока.

Вывод 11.3. Вентиль выпрямителя работает при положительном сетевом напряжении на аноде вентиля. При этом необходимо для угла управления обеспечить неравенство

1.5 Режим работы преобразователя при

На рис. 11.5 видим, что фаза напряжения сети Е1 совпадает с фазой тока в интервале от до. Таким образом, в этом интервале энергия из сети переменного тока передается в нагрузку. В интервале от до напряжение сети изменят относительно тока нагрузки на угол , что приводит к отбору части энергии от источника постоянного напряжения и передачи этой энергии опять в сеть переменного тока. Так как фремя работы схемы в режиме инвертирования и режиме выпрямления одинаково, то эта схемы не может быть отнесена ни к выпрямителю, ни к инвертору. Относительно напряжения ток отстает в этой схеме на , следовательно, эта схема проявляет себя как чисто индуктивная нагрузка для цепи переменного тока.

Вывод 11.4. Преобразователь для сети переменного тока является чисто индуктивной нагрузкой, если угол управления сделать равным

1.6 Режим работы преобразователя при

На рис. 11.6 видим, что интервал, в котором фаза напряжения сети Е1 совпадает с фазой тока много меньше интервала, в котором ток и напряжения сети противофазно. Следовательно, время работы схемы в режиме инвертирования больше и энергия от источника U2 передается в сеть переменного тока. По этой причине эту схему следует считать инвертором.

Внешняя характеристика такого устройства нам известна

(11.4)

где знак слагаемого указывает на то, что потери коммутации восполняются источником постоянного напряжения.

Вывод 11.5. Вентиль инвертора работает при отрицательном сетевом напряжении на аноде вентиля. Для того чтобы преобразователь заставить работать в режиме инвертирования, нужно выполнить несколько условий:

1. Вместо нагрузки в выпрямитель нужно подключить источник энергии постоянного тока.

2. Нагрузку подключить в первичную обмотку трансформатора, которая подсоединена в сеть переменного тока.

3. Угол управления в тиристорах выбрать так, чтобы соблюдалось неравенство .

1.7 Однофазный инвертор, ведомый сетью

На рис. 11.7 показаны напряжения обмоток трансформатора Е1 и Е2, относительно которых отложены углы управления. Угол относится к коммутационному режиму при смене работающих вентилей, угол является углом управления начала работы вентиля в режиме инвертирования. Углы отсчитывают в инверторах от узловых точек влево, а для выпрямителей такой отсчет ведут вправо от этих точек. Так для точки с координатой влево отсчитывается угол управления для вентиля VS2, а для точки с координатой вправо отсчитываем угол управления для вентиля VS1. А . Угол управления всегда выбирают больше угла коммутации на величину угла : . Здесь угол зависит от типа применяемых тиристоров и называется углом восстановления тиристора. Это означает, что каждый тиристор после закрытия в течение некоторого время содержит в своем кристалле большое число носителей. Нужно время, в течение которого произойдет рекомбинация носителей и тиристор станет нейтральным. Не соблюдение этого правила может привести к тому, что тиристор откроется при положительной полуволне и схема войдет в аварийный выпрямительный режим. Токи в этом случае в тиристоре достигнут недопустимо большого значения, и тиристоры выйдут из строя.

На рис. 11.7 явно вида связь между известными нам углами управления преобразователя в режиме выпрямления и в инверторном режиме: .

Итак, на рис.11.7 в момент = , что соответствует углу управления инвертора , подаем управляющий импульс на вывод управления тиристора VS1. До этого момента работал тиристор VS2. Так как напряжение на аноде тиристора VS1 больше, чем на аноде тиристора VS2, и оба тиристора открыты, то в контуре А - Ха - VS1 - VS2- Xa - B - A схемы рис. 11.3 против часовой стрелки начнет протекать коммутационный ток.

Он является встречным для тиристора VS2, что и явится причиной его закрытия. Чем больше угол управления , тем больше разность напряжений Е1 и Е2 и тем больший ток коммутации возникнет в контуре. Это приводит к уменьшению угла коммутации. И наоборот, при малом угле коммутации ток будет недостаточным для закрытия ранее работавшего вентиля и схема тоже перейдет в режим опрокидывания. Приведем основные расчетные соотношения для инвертора, ведомого сетью. В общем случае запишем уравнения для токов в коммутационный и во внекоммутационный периоды работы

1.8 Ток вентиля в коммутационный период работы

(11.5)

Сравнивая ток инвертора (11.5) с током выпрямителя (9.5) видим, что они противофазны. На графике рис. 11.7 это отражено тем, что форма переднего и заднего импульса выпрямителя в инверторе поменялись местами.

1.9 Ток вентиля во внекоммутационный периодработы

(11.6)

Сравнивая ток инвертора (11.6) с током выпрямителя (9.6) видим, что они противофазны, но дроссель поддерживает ток так же в идеально сглаженном состоянии.

1.10 Внешняя характеристика инвертора

(11.7)

На рис. 11.8 приведены внешние характеристики пунктирной линией идеального (Xd ) и сплошной линией реального инвертора (Xd ). Для реального инвертора приведены две внешние характеристики, снятые для инвертора при разных углах управления и.

В отличие от выпрямителя (9.10) внешняя характеристика (11.7) инвертора имеет не спад, а подъем. Угол подъема характеризует то, что коммутационная энергия выдается в нагрузку, которая находится в сети переменного тока.

Инверторы такие же индуктивности, как и управляемые инверторы для сети. При малом угле опережения существует опасность того, что ранее работавший тиристор не успеет закрыться встречным током открываемого тиристора. При этом оба тиристора откроются. На не закрывшем тиристоре будет напряжение суммарное , которое вызовет недопустимо большой ток и выход тиристора из строя. Уменьшение угла управления () приводит к росту напряжения питания, но увеличивается опасность опрокидывания инвертора.

Вывод 11.6. Инвертор всегда работает с источником постоянного напряжения, который подключается к схеме так, чтобы он на анодах вентилей создавал положительное напряжение.

Вывод 11.7. Инвертор в принципе не может работать на неуправляемых вентилях.

Вывод 11.8. Вентиль инвертора всегда следует открывать с опережением для того, что он не перешел в режим опрокидывания.

Вывод 11.7. Инверторы однофазного тока сильно меняют форму сетевого напряжения. Этот недостаток в меньшей степени проявляется в трехфазных инверторах, ведомых сетью.

Вывод 11.7. Отключение напряжения сети от ведомого сетью инвертора недопустимо потому, что он немедля переходит в аварийный режим работы.

2. Трехфазный инвертор с нулевым выводом ведомый сетью

2.1 Принцип работы

Схема ведомого сетью инвертора приведена на рис. 11.9. В ней источник постоянного напряжения включен так, чтобы обеспечить на анодах тиристоров положительное напряжение. Отсчет угла управления производится от точек пересечения отрицательных полуволн фазных напряжений влево, так как показано на рис. 11.10. Например, до точки пересечения фазных напряжений

Е_С и Е_В работал вентиль VS3, так как напряжение сети на его аноде отрицательной полярности, что и является условием работы преобразователя в инверторном режиме. Фазное напряжение Е_С больше фазного напряжения Е_В влево от точки пересечения этих напряжений. Следовательно, только от точки пересечения этих напряжений нужно с опережением угла управления 5 подать открывающий импульс на тиристор VS5. Только в этом случае через два открытых тиристора потечет коммутационный ток по контуру С-XS-VS5-VS3-XS-В-С. Ток будет встречный для ранее работавшего тиристора VS3 и прямой для открываемого нами тиристора VS5. Далее видим, что тиристор VS5 будет продолжать работать во время, когда фазное напряжение относительно тока противофазно, что обеспечивает перекачку электрической энергии от источника постоянного тока U2 в сеть переменного тока.

Эпюры напряжений и токов инвертора приведены на рис. 11.10. В отличие от однофазного инвертора здесь участки работы преобразователя в режиме выпрямления отсутствуют, что подтверждает эффективность работы трехфазного преобразователя в режиме инвертирования.

Замечание. На графиках не показан угол восстановления тиристора только для разгрузки рис. 11.10.

Вывод 11.8. Ток коммутации, как и в схеме выпрямителя большой мощности, возникает под действием линейного напряжения.

Вывод 11.9. В инверторе ток отстает от фазного напряжения сети на 180.

Вывод 11.10. Ток, поступающий в сеть переменного тока, как и при однофазном инвертировании, не синусоидален.

2.2 Основные соотношения

Скачок напряжения на аноде открывающегося тиристора

Скачок напряжения на открывающемся вентиле определяется линейным напряжением, потому, что к катоду вентирияля через ранее работающий вентиль подается фазное напряжение

.

2.3 Обратное напряжение на закрытом вентиле

Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется амплитудой линейного напряжения

.

2.4 Действующее значение тока вторичной и первичной обмотки трансформатора

Действующее значение тока вторичной и первичной обмотки трансформатора, мощность трансформатора можно рассчитывать по формулам для выпрямителя большой мощности трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, если в них угол выразить через угол . Ток в каждом вентиле протекает в течение 1/3 периода.

2.5 Трехфазный мостовой ведомый сетью инвертор

Особенности работы мостового ведомого сетью инвертора

Схема инвертора приведена на рис. 11.11, а диаграмма токов и напряженней приведена на рис. 11.12.

Как известно в трехфазной мостовой схеме коммутируют между собой четные или нечетные вентили. В инверторе, ведомом сетью, для все вентилей напряжение постоянного тока U2 является открывающим напряжением. Чтобы произошло инвертирование, нужно открывать вентили так, чтобы ток в них относительно фазного напряжения был инверсным.

Так вентиль VS1 следует открывать при положительном напряжении, которое создает на его катоде фазное напряжение. Следовательно, от точки пересечение положительных полуволн ЕА и ЕС откладываем угол управления плево. При подаче в этот момент управляющего импульса вентиль VS1 открывается. Из графика 11.12 видно, что положительное по знаку напряжение на катоде вентиля VS1 меньше, чем на катоде ранее работавшего вентиля VS5. по этой причине ток в открывающемся вентиле будет нарастать и в коротко замкнутом контуре C-Xa-VS5-VS1-Xa-A-C встречным током закрывает вентиль VS5. По окончании периода коммутации, помеченного на графике символом , начинается работа вентиля во внекоммутационном режиме. Ток потребляется от источника U2 и дросселем поддерживается постоянным, равным Id.

В момент вступления в работу вентиля VS1 в четной группе продолжает работать вентиль, выходное напряжение на аноде которого наибольшее по величине, но отрицательное по знаку. В данном случае открытым остается вентиль VS6. Таким образом рабочий ток будет протекать по контуру + U2 -Xd-VS1-Xa-A-B-Xa-VS6- U2.

Коммутация вентилей четной группы происходит при равенстве полуволн фазных напряжений отрицательной полярности. Угол опрережения так же отклыдывают влево от точки равенства фазных напряжений так, как показно на рис. 11.12.

Основные расчетные соотношения

Порядок вывода расчетных соотношений, которые мы получили для разных выпрямителей, полностью повторяется и для данной схемы. Основные расчетные соотношения приведены в табл.10.1.

Табл. 10.1.

Размещено на Allbest.ru