Інвертори відомі мережею

2.1. Принцип дії

Режим, коли енергія передається в джерело живлення називають інверторним. Інверторному режиму відповідають умови, коли полярність напруги на навантаженні і напрямок струму у ланцюзі навантаження, протилежні.

У випрямлячі з великою індуктивністю в ланцюзі навантаження випрямлена напруга стає нульовою при куті керування: a = 90 ел. град. Це пояснюється тим, що енергія, яка запасена в катодній індуктивності, цілком повертається в мережу живлення.

Таким чином, у даному випадку частково реалізується принцип інвертування, тобто передача енергії з боку ланки постійної напруги у бік ланки змінної напруги. Припустимо, що навантаження містить зустрічну ЕРС. Фізичні процеси в ланцюзі визначаються полярністю ЕРС і полярністю вмикання вентиля.

У схемі на рис. 2.1,б протікання струму можливо в позитивний напівперіод напруги мережі при u > E, а його значення визначається різницею напруги і електрорушійної сили:

i_d = (u – E) / R_d. (2.1)

У даному режимі енергія передається з мережі живлення в навантаження. Як тільки миттєва напруга стає менше ніж ЕРС або змінює знак, протікання струму припиняється.

Рис. 2.1. Еквівалентні схеми випрямляча і діаграми струму

у випрямленому (а) та інверторному (в) режимах;

(б) і (г) – еквівалентні схеми випрямляча і інвертора

Переключення полярності вентиля створюють умови для протікання струму під дією ЕРС навантаження (рис. 2.1,в). У позитивний напівперіод мережі при u < E (на інтервалах 0–1, 2–3, 4–5) струм протікає під дією ЕРС навантаження, а напруга мережі є протидіючою силою. Струм навантаження визначається

i_d = (u – E) / R_d. (2.2)

Енергія від джерела постійного струму передається в мережу змінного струму. Такий режим роботи випрямляча називають інверторним. Наприкінці інтервалів 0–1, 4–5 миттєва напруга мережі стає більше ЕРС і вимикає вентиль. У точці 3 напруга мережі змінює знак і обидва джерела діють згідно (у генераторному режимі). Це приводить до неприпустимого збільшення струму

i_d = (–u – E) / R_d. (2.3)

Хоча на інтервалі 2–3 випрямляч працює в інверторному режимі, однак наприкінці інтервалу відсутні умови для вимкнення вентиля. В результаті цього на інтервалі 3 – 4 створюється аварійний режим. Навпроти, наприкінці інтервалів 0-1 і 4-5 вентиль вимикається напругою мережі, забезпечуючи безпечну роботу перетворювача.

На рис. 2.2. приведена схема однофазного інвертора з нульовою точкою і діаграми струму і напруги. На ділянці (a – b) струм протікає через вентиль VS2 під дією ЕРС. На ділянці (b – c) - під дією ЕРС самоіндукції . У точці c вмикається вентиль VS1 та починається процес природної комутації, який триває на ділянці (c – d) і визначається величиною кута . Вентиль VS2 може відновлювати свої замикаючі властивості на ділянці (d – e) поки напруга не змінить свій знак. Цей час визначається кутом

. (2.4)

де t_відн - час відновлення замикаючих властивостей тиристора;

- кут відновлення замикаючих властивостей тиристора (1 - 5 ел. град).

Таким чином, аналіз роботи перетворювача показує, що безпечне інвертування енергії відповідає роботі його на інтервалах 0 - 1 та 4 - 5. Отже, для переведення ТП в інверторний режим необхідно виконати наступні умови:

- змінити полярність вмикання вентиля або полярність ЕРС;

- встановити кут вмикання тиристорів, який відповідає роботі на інтервалах 0-1 і 4-5.

Схема та діаграми напруги і струму однофазного інвертора з нульовою точкою зображені на рис. 2.2.

Для забезпечення інверторного режиму необхідно, щоб кут керування був більше значення . Тому кут керування в інверторному режимі прийнято відраховувати від позитивної напівхвилі (для однофазних схем) або від точки природної комутації негативного напівперіоду: .

а

б

Рис. 2.2. Схема однофазного інвертора з нульовою точкою (а);

діаграми струму і напруги з урахуванням комутацій вентилів (б).

Стабільність роботи інвертора визначається значенням часу відновлення замикаючих властивостей тиристора t_відн, протягом якого після зниження струму до нуля між анодом і катодом зберігається негативна напруга. Необхідно, щоб виконувалася умова:

b_min > g + d, (2.5)

де g – кут комутації.

Обмеження кута деяким значенням b_min гарантує завершення процесу комутації до моменту, коли напруга мережі і ЕРС навантаження починають діяти згідно. Якщо ця умова не виконується, то наступить режим короткого замкнення – режим «перекидання інвертора».

Тому що процеси в інверторі визначаються напругою мережі (комутація вентилів, частота і форма напруги), такий інвертор називається відомим мережею.

Фізичні процеси при роботі трифазних інверторів відомих мережею аналогічні процесам в однофазних інверторах. На рис. 2.3 показані діаграми струму і напруги в трифазному інверторі з нульовою точкою.

2.2. Основні розрахункові співвідношення

Рівняння обмежувальної характеристики інвертора і рівняння комутації знаходяться з рівняння зовнішньої характеристики КВ підстановкою значення кута, який відповідає заданому режиму і способу переведення ТП в інверторний режим: a = p - b

. (2.6)

. (2.7)

Визначивши з (2.1) значення cosβ і підставивши його в (2.2) одержимо залежність між U_dβ, I_dβ і δ:

(2.8)

Рівняння (2.8) називається рівнянням обмежувальної характеристики інвертора відомого мережею.

Точка перетинання обмежувальної характеристики з зовнішньою відповідає максимально – припустимому струму перетворювача в інверторному режимі (рис. 2.4).

(2.9)

Звідси також можна знайти мінімальне значення кута b при заданому значенні струму навантаження.

Рис. 2.3. Діаграми напруги і струму в трифазному інверторі

з нульовою точкою

Рис. 2.4. Сімейство зовнішніх характеристик і

обмежувальна характеристика ТП