ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОГО ИНВЕРТОРА

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы зависимого инвертора (или инвертора ведомого сетью).

2. Изучить внешние характеристики преобразователя в выпрямительном и в инверторном режимах.

3. Экспериментально исследовать работу инвертора ведомого сетью на универсальном лабораторном стенде "Основы электропривода и преобразовательной техники".

Краткие теоретические сведения [2].

Любой управляемый выпрямитель является обратимым преобразователем и может быть переведен в режим инвертирования и стать зависимым инвертором. Зависимый инвертор (ЗИ) – это полупроводниковый уп­равляемый преобразователь с естественной коммутацией вентилей, преобразующий электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. В качестве источника электрической энергии постоянного тока для зависимого инвертора, как правило, применяют электрическую машину постоянного тока, работающую в генераторном режиме. Выходная цепь зависимого инвертора подключается к сети переменного тока. Поэтому величина и частота выходного напряжения ЗИ определяется этой сетью переменного тока, что и определило название «зависимый инвертор».

Рассмот­рим перевод управляемого выпрямителя в инверторный режим на примере трехфаз­ного мостового тиристорного преобразователя, нагруженного на машину постоянного тока, схема которого представлена на рис.6.1.

При работе преобразователя в выпрямительном режиме ток в машине протекает навстречу её противо -ЭДС E_я под действием выпрямленного напряжения U_d.

Прин­ципиально изменение направления потока энергии может быть достигнуто путем изменения направления тока или ЭДС машины. Однако вследствие односторонней проводимости тиристоров переход к инверторному режиму путем изменения направления тока в данной схеме не может быть осущест­влен. Поэтому для перехода к инверторному режиму необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины E_я и напряжения преобразо­вателя U_d так, чтобы E_я> U_d, а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное на­правление. Электрическая машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого необходимо к валу этой машины подвести механическую энергию от внешнего источника механической энергии (постороннего двигателя). Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника электрической энергии постоянного тока.

Рис.6.1. Трехфазная мостовая схема зависимого инвертора

Изменение полярности ЭДС на зажимах машины постоянного тока мо­жет быть осуществлено путем изменения направления тока в обмотке воз­буждения или изменением направления вращения якоря машины постоянного тока. Изменение по­лярности напряжения преобразователя осуществляется установкой таких углов управления α>π/2,при которых вентили естественно коммутируют и проводят ток при отрицательном напряжении питающих фаз.

В результа­те для перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования необ­ходимо:

- установить угол регулирования α>π/2;

- изменить полярность ЭДС машины постоянного тока;

- приложить к валу машины постоянного тока вращающий момент, обеспечивающий ее ра­боту в генераторном режиме;

- увеличить ЭДС машины так, чтобы E_я> U_d при допустимой вели­чине тока в цепи обмотки якоря.

Для осуществления естественной коммутации, при которой ток переходит от вентиля с меньшим потенциалом анода к вентилю с более высоким потенциалом анода, необходимо, чтобы открытие очередного вен­тиля происходило с некоторым опережением относительно точек предель­ной коммутации. Это опережение, определяемое как угол β, должно учитывать как угол коммутации γ, так и угол выключения вентиля δ, предоставляемый для вос­становления запирающих свойств, т.е. β≥ γ + δ. После вступле­ния в работу очередного вентиля потенциал анода предшествующего вен­тиля начинает увеличиваться, принимая положительные значения. Изло­женное иллюстрируется построенной на рис.6.2 (утолщенный контур) кривой мгновенного напряжения u_v1 на вентиле VSI. Построение дан­ной кривой осуществляется так же, как для выпрямительного режима, форма ее характерна тем, что на большей части пе­риода напряжение на запертом вентиле положительное, и только в течение угла δ оно отрицательное. При положительном напряжении u_v1 за точкой m₂ вентиль VSI может вновь открыться, если к этому времени в нем не будет восстановлена управляемость (блокирующая способность).

Рис.6.2. Временные диаграммы, поясняющие работу зависимого инвертора

При таком повторном открытии вентиль будет пропускать ток в течение поло­жительного полупериода линейных напряжений, в результате чего инвер­тор опрокидывается - образуется аварийное короткое замыкание сети и машины при согласном направлении их ЭДС. Для надежной коммутации оче­редной вентиль должен открываться с опережением относительно точек предельной коммутации на угол

β=γ+ k_зt_q, (6.1)

где k_з - коэффициент запаса устойчивости коммутации, принимаемый практически k_з =1,5-3,0;

t_q - время выключения вентиля, указывае­мое в паспортных данных и равное, например, для тиристоров типа ТЛ, t_q=(20,…,50)мкс.

С учетом условий перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования, изложенных выше, в выражении внешней характеристики выпрямителя (1.17) при переводе выпрямителя в режим инвертирования должны измениться знаки перед напряжением U_d (напряжением источника постоянного тока) и перед напряжением «подпора» вентильного блока, U_d0cosα, поскольку угол α>90⁰, и cosα имеет отрицательный знак. Нетрудно видеть, что в инверторном режиме все члены формулы (1.17) имеют отрицательный знак.

Угол опережения является сопряженным углом угла регулирования α, т.е.

β=180⁰- α. Умножив правую и левую части уравнения (1.17) на (-1), получим выражение внешней характеристики зависимого инвертора (6.2):

. (6.2)

Здесь ∆U_х , ∆U_Rф , ∆U_Lф, ∆U_в - те же падения напряжения, что и в формуле (1.17).

После подстановки значений ∆U_х , ∆U_Rф , ∆U_Lф, ∆U_в в формулу (6.2), получим:

(6.3)

где

U_d=E_я - напряжение источника постоянного тока;

I_d - ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока.

(6.4)

Нетрудно видеть, что для увеличения тока I_d, а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо:

- увеличивать напряжение источника постоянного тока (U_d=E_я) (при постоянном угле β);

- или уменьшать угол β (при постоянном напряжение источник постоянного тока U_d).

Внешняя характеристика зависимого инвертора U_d=f(I_d) при постоянных значениях угла β приведены на рис.6.3.

Важным параметром, определяющим устойчивость работы зависимого инвертора является угол δ_з. На интервале, определяемым углом δ_з к выключаемому тиристору приложению отрицательное напряжение (см. рис.6.3).

Для устойчивой работы инвертора необходимо, чтобы угол δ_з превышал угол восстановления запирающих свойств тиристора, который при частоте 50 Гц находится в пределах

где

τ_восст.- время, необходимое для восстановления управляющих свойств тиристора.

Как видно из рис.6.3, δ_з= β-γ.

С увеличением тока I_d при неизменном угле опережения β угол коммутации γ возрастает и, следовательно, угол δ_з уменьшается и может достигнуть при определённом токе минимально допустимого значения.

Это и определяет допустимый ток инвертора I_d. Угол δ_з уменьшается также при уменьшении β и соответствующем увеличении противо - ЭДС инвертора при постоянном I_d. Следовательно, чем больше противо - ЭДС, тем меньше допустимый инвертируемый ток.

Зависимость противо - ЭДС инвертора U_d от допустимого инвертируемого тока I_d при δ_з=const называют ограничительной характеристикой, выражение которой

(6.5)

Ограничительная характеристика зависимого инвертора приведена на рис. 6.3.

Рис.6.3. Внешние характеристики в режиме выпрямления (0<α<90^о) и в режиме инвертирования (90^о< α<180^о)