Раздел: Документация
0 ... 14 15 16 17 18 19 20 ... 49 ГЛАВА ТРЕТЬЯ ИНВЕРТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Термин «инвертирование» происходит от латинского слова inversio—переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, при котором поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь, осуществляюпшй процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока,—инвертором. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым или ведомым сетью. Исторически термин «инвертор» в преобразовательной технике распространился на все типы статических преобразователей электрической энергии постоянного тока в переменный. 3.1. ИНВЕРТОРЫ, ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ Принцип действия инвертора, ведомого сетью, рассмотрим на примере простейшей схемы, представленной на рис. 3.1, а. Допустим, что элементы схемы идеальные (см. § 1.2), а внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи АБ равно нулю. Если вывод «плюс» батареи АБ соединен с катодом тиристора VS (как показано на рис. 3.1, а) штриховой линией, то схема может работать в выпрямительном режиме на нагрузку в виде противо-ЭДС (см. § 2.5). В этом режиме включение тиристора VS возможно при условии превышения ЭДС сети, задаваемой аккумуляторной батареей. На рис. 3.1, б представлены диаграммы напряжений и тока, иллюстрирующие работу схемы в выпрямительном режиме. При допущении равенства нулю внутренних сопротивлений источников переменного и постоянного токов можно считать, что их напряжения равны ЭДС, т.е. eab=Uab и Ed=Ud. При подаче на тиристор управляющего импульса в момент 9 = 9Ь определяемый углом управления а, тиристор включается и из сети в батарею А Б начинает поступать ток id. Благодаря сглаживающему реактору Ld ток id будет плавно изменяться во времени: увеличиваясь, пока uab>Ud, и уменьшаясь при Ud>Uab- В момент 03 (соответствующий равенству заштрихо- ванных площадей на рис. 3.1, б) ток id становится равным нулю, а тиристор VS выключается. Протекание через тиристор тока id на интервале от 92 до Э3, когда Ud>uab, обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе Ld. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея А Б будет заряжаться выпрямленным током id (ток id направлен навстречу ЭДС Ed). Для перевода схемы в ин-верторный режим необходимо переключить тиристор VS или батарею А Б так, чтобы катод тиристора был соединен с выводом «минус» батареи. Рассмотрим инверторный режим более подробно. Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети еаЬ направлена навстречу току id. На рис. 3.1, в представлены диаграммы напряжений и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент 9t на тиристор VS подать управляющий импульс, то тиристор включится, поскольку вплоть до момента Э2 напряжение иаЬ по абсолютному значению - Меньше напряжения Ud. Под воздействием разности напряжений Ud — uab в цепи начнет протекать ток id, противоположный по знаку напряжению сети иаЬ. Наличие в схеме сглаживающего реактора Ld ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать через тиристор после того, как напряжение иаЪ по абсолютному значению будет больше напряжения Ud и станет равным нулю в момент 93, соответствующий равенству заштрихованных областей на рис. 3.1, в.  Рис. 3.1. Однополупериодный инвертор: а—схема; б и «—диаграммы токов и ва-пряжевий на элемевтах схемы в выпрями-тельвом и ввверторвом режимах Схемы зависимых инверторов по существу не отличаются от схем управляемых выпрямителей. Поэтому они могут рассматриваться как схемы реверсивных преобразователей, способных передавать электрическую энергию из сети в источник постоянного тока (выпрямительный режим) и наоборот (инверторный режим). Учитывая, что схема однополупериодного инвертора из-за плохих технико-экономических показателей не нашла распространения, рассмотрим работу в инверторном режиме однофазной двухполупериодной схемы со средней точкой и трехфазной мостовой схемы. Последняя из-за ряда преимуществ получила наибольшее распространение в инверторах средней и большой мощности. При рассмотрении схем будем принимать аналогичные указанным в § 2.1 допущения об идеальности элементов схемы. Будем учитывать индуктивность рассеяния трансформатора. Индуктивность сглаживающего реактора ld примем равной бесконечности. 3.1.1. ОДНОФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР СО СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ На рис. 3.2, а представлена схема инвертора, в которой объединенные между собой катоды тиристоров соединены с минусом источника постоянного тока. Предположим, что ток проводит тиристор VS2, а потенциал точки b вторичной полуобмотки отрицателен по отношению к средней точке О, т. е. иьо<0. В этом случае энергия от источника постоянного тока поступает через трансформатор в сеть. Это обусловлено тем, что ток iVS2, проходящий через полуобмотку трансформатора, направлен навстречу напряжению иьо на ней. Изменение во времени напряжений на полуобмотках трансформатора при достаточно большом значении Ld практически не влияет на ток id. При этом пульсации напряжения, обусловленные разностью мгновенных значений напряжений вторичных полуобмоток трансформатора и источника постоянного тока, будут приложены к реактору Ld. Для обеспечения инверторного режима угол управления а должен быть больше тс/2. Поэтому обычно при анализе схем угол управления в инверторном режиме принято отсчитывать в сторону опережения (влево) относительно сдвинутых на угол а моментов естественной коммутации в схемах с неуправляемыми диодами (или относительно угла <х=тс в схемах с тиристорами). Угол, исчисляемый по такому принципу, называется углом опережения и обозначается р. Угол Р связан с углом а соотношением Р = л-а.(3.1) В момент 9t на тиристор VS, подается управляющий импульс. Так как в этот момент анод тиристора имеет 106  Рис. 3.2. Однофазный инвертор со средней точкой: а—схема; б—диаграммы токов н напряжений на элементах схемы IVЪ Выпрямитель ный решим (искусственная коммутация) ГГ—31 коммутация) (l я < ос < г л-J т ИнВерторный режим (искусственная коммутация) /JT<oc<f Выпрямитель -ный режим (ес-Iqi тестВенная I (о<«<*) \z I Инверторный icia\ I режим (естее-.t-U твенная ком-hi мутация) (<oc<.jc)u/!u Рис. 3.3. Векторные диаграммы первых гармоник токов и напряжений для выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя положительный потенциал относительно катода (иаЬ>0), тиристор VS, включается. Вторичные полуобмотки трансформатора оказываются замкнутыми накоротко, в результате возникает ток короткого замыкания направленный навстречу току, протекающему через тиристор VS2, т. е. начинается процесс естественной коммутации, который протекает идентично с рассмотренным в § 2.3. Когда в момент 92 процесс коммутации заканчивается (длительность его так же, как и в выпрямительном режиме, выражается углом у), тиристор VS2 выключается и к нему прикладывается обратное напряжение UyS2=uab. Тиристор VS2 имеет возможность восстанавливать свою запирающую способность до тех пор, пока напряжение иаЬ не изменит свой знак (когда потенциал точки b станет больше потенциала точки а). Угол, соответствующий этому интервалу времени, называется углом запаса и обозначается 5. Углы Р, у и б связаны соотношением Р = у + 5.(3.2) Тиристор VS, проводит ток до момента 94. Перед этим, в момент 93, управляющий импульс поступает на тиристор VS2, в результате чего происходит процесс коммутации и тиристор VS2 включается, a VS, выключается. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются. Из характера электромагнитных процессов видно, что они во многом сходны с процессами, протекающими при работе выпрямителя на противо-ЭДС. Основное отличие состоит в том, что в инверторном режиме источник постоянного напряжения включен с противоположной полярностью относительно тиристорной группы и отдает энергию в сеть. Так как управляющие импульсы подаются на тиристоры с опережением на угол Р относительно сдвинутых на угол тс моментов коммутации, то поступающий в сеть ток гс проходит через нуль в сторону положительных значений раньше, чем проходит через нуль напряжение иАВ в сторону отрицательных значений. Поэтому первая гармоника тока гС1 сдвинута относительно напряжения — иАв в сторону опережения на угол, приблизительно равный Р — у/2, что видно из диаграммы на рис. 3.2, б. Векторные диаграммы тока /с1 и напряжения Цлв для выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя показаны на рис. 3.3. В выпрямительном режиме первая гармоника тока сдвинута относительно напряжения Цдв в сторону отставания приблизительно на угол а+у/2 Гсм. § 2.3). Из векторной диаграммы видно, что в инверторном режиме активная составляющая тока /с1а направлена навстречу напряжению сети, что соответствует поступлению в нее активной мощности. Реактивная составляющая тока /с1р, как и в выпрямительном режиме, отстает на угол л/2 от напряжения сети. Следовательно, в обоих режимах преобразователь является потребителем реактивной мощности. Напряжение щ на входе схемы, называемое также противо-ЭДС инвертора, имеет пульсацию, которая зависит от углов Р и у и определяется по тем же соотношениям, что и для выпрямительного режима, если угол а в них заменить на угол р. Среднее значение напряжения ий равно напряжению источника Ud. Связь между действующим значением напряжения U2 на вторичной полуобмотке трансформатора (это напряжение зависит от напряжения сети переменного тока и коэффициента трансформации трансформатора) и напряжением Ud источника постоянного тока подобна выражению для среднего значения 108 выпрямленного напряжения выпрямителя. Для холостого хода инвертора получим Ud0= (72cosp.(3.3) те Другие соотношения также подобны приведенным в § 2.2 для случая активно-индуктивной нагрузки однофазного выпрямителя. 3.1.2. ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР На рис. 3.4 представлена схема трехфазного мостового инвертора на тиристорах и диаграммы токов и напряжений на ее элементах. В этой схеме, так же как и в однофазной, управляющие импульсы подаются на тиристоры с опережением на угол Р относительно моментов времени, соответствующих началу коммутации тиристоров при работе схемы в режиме неуправляемого выпрямителя (а = 0). Указанные моменты времени соответствуют прохождению через нуль линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора, т. е. пересечению синусоид фазных напряжений и„, т и «су Рассмотрим работу схемы, считая, что ток id, как и в выпрямительном режиме, идеально сглажен, т. е. id = h-"На интервале 90 — $i под воздействием напряжения источника Ud ток Id проходит через тиристоры VSi, VS2 и вторичные обмотки трансформатора (фазы а и с). При этом-Мгновенное значение противо-ЭДС инвертора щ (рис. 3.4, б) равно разности напряжений UcW.Ua- В момент Эь определяемый углом опережения Р, который задается системой упра-ЗА Трехфазный мостовой инвер- ВЛеНИЯ инвертора, ПОДаеТСЯ а схеМа, й-диагрммы токов и иапряже-упраВЛЯЮЩИИ ИМПУЛЬС На ТИ-НИИ на элементах схемы  0 ... 14 15 16 17 18 19 20 ... 49
|
