7. Инверторный режим работы преобразователя при работе электриче­ской машины в режиме рекуперации энергии

Инверторным режимом тиристорного  преобразователя называется режим пере­дачи энергии из цепи постоянного тока в питающую сеть переменного тока. Инвертор­ный режим возникает при работе выпрямителя на обмотку возбуждения и якорь ма­шины постоянного тока.

При работе управляемого выпрямителя на обмотку возбуждения двигателя в кривой вы­прямленного напряжения присутствуют отрицательные участки синусоиды фазного напряжения (см. рис. 3.1, д, например, в интервале θ₂ – θ₃). Площади этих участков со­от­ветствуют электромагнитной энергии, отдаваемой обмоткой возбуждения в питаю­щую сеть. При углах управления α < π/2 в среднем за интервал проводимости тири­стора на­пряжение на нагрузке положительно, что и определяет этот режим как режим выпрям­ления. При α = π/2 среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю, что эквивалентно замыканию обмотки возбуждения накоротко. При α > π/2 (см. рис. 3.1, д), площадь отрицательных полуволн фазного напряжения превы­шает площадь положительных полуволн, в связи с чем среднее выходное напря­жение преобразователя U_d становится отрицательным. Это следует также из формулы (3.3) при подстановке в нее значения α > π/2.

Электромагнитная энергия, запасенная в обмотке возбуждения в предшествую­щем выпрямительном режиме, отдается через трансформатор в сеть переменного тока. Токи через тиристоры проходят в прежнем направлении за счет ЭДС самоиндукции (см. рис. 3.1, а, полярность в кружках). Однако в отличие от выпрямительного режима тиристоры, например VS1, проводят уже в отрицательный полупериод сетевого напря­жения (см. рис. 3.1, д, промежуток θ₄ – θ₂). Причем, так как величина напряжения u_L, со­ответствующая ЭДС самоиндукции, больше напряжения u_2ф (см. рис. 3.1, а, полярность в кружках), катод оказывается более отрицательным, чем анод и, следовательно, сум­марное напряжение на тиристоре u_VS положительно, что обусловливает его проводящее состояние после прихода запускающего импульса.

Мгновенное значение мощности вторичной обмотки трансформатора равно:

.

Так как по сравнению с выпрямительным режимом ток i₂ протекает по обмотке в отри­цательный полупериод u_2ф, мощность вторичной обмотки меньше нуля (P₂ < 0), что означает инвертирование в питающую сеть электромагнитной энергии обмотки возбуждения. Из рис. 3.1, а видно, что инвер­тируемый ток (см. рис. 3.1, д, например, в интервале θ₄ – θ₃) равен:

,

где R – сопротивление контура инвертируемого тока.

Напряжение на выходе преобра­зователя u_d направлено встречно u_L, поэтому u_d и соответственно U_d называют противоЭДС инвертора. Поскольку тиристоры в данном случае, как и в режиме выпрям­ления, коммутируются за счет напряжения сети, преобразователь в режиме инвертиро­вания называют инвертором, ведомым сетью, или зависимым инвертором (инвертор с естест­венной коммутацией). Аналогично работа инвертора происходит и в случае мно­гофаз­ных схем.

При якорном регулировании скорости и момента МПТ инверторный режим пре­образователя широко используется для осуществления рекуперативного (с отдачей энергии в сеть) торможения двигателей. Для лучшего усвоения принципов инвертиро­вания рассмотрим аналогичный режим при работе двигателя от генератора постоянного тока (систему Г – Д) (рис. 7.1, а). Генератор Г приводится во вращение асинхронным

двигателем АД. Напряжение на двигателе (U_г) регулируется изменением тока в обмотке возбуждения генератора ОВГ. Ток в обмотке возбуждения двигателя ОВД считаем не­изменным. Под действием напряжения U_г и противоЭДС двигателя (E_дв) по якорной цепи протекает ток I_г определяемый из соотношения:

,                                                      (7.1)

где R_я – суммарное сопротивление якорной цепи.

При работе двигателя Д в двигательном режиме напряжение U_г > E_дв и то
к  I_г > 0. Направление тока совпадает с направлением U_г. Для перевода двигателя в режим реку­перативного торможения необходимо, чтобы ток якорной цепи I_г изменил свой знак. Из выражения (7.1) следует, что этого можно достигнуть при E_дв > U_г за счет снижения напряжения генератора или увеличения ЭДС двигателя. Не останавливаясь на способах реализа­ции указанных условий, рассмотрим принципиальную сторону вопроса.

Когда ЭДС двигателя превышает напряжение генератора, двигатель превращается в генератор и от­дает энергию в главную цепь системы. Ток I_г, совпадает уже с направлением Е_дв (рис. 7.1, а). Генератор Г, получая энергию от двигателя, передаст ее в виде механической энергии асинхронному двигателю АД, заставляя его вращаться со скоростью выше синхронной. Двигатель АД превращается в генератор и отдает энергию в сеть перемен­ного тока.

Рассмотрим теперь возможность получения режима рекуперации в системе «ти­ристорный преобразователь – двигатель» (система ТП – Д) (рис. 7.1, б). В данном слу­чае в формулу (7.1) вместо U_г нужно подставить среднее значение напряжения на вы­

ходе тиристорного преобразователя (U_d). При работе двигателя Д в двигательном режиме преобра­зователь работает в выпрямительном режиме, и  U_d > E_дв, якорный ток двигателя совпа­дает по направлению с выпрямленным напряжением U_d. Для получения режима реку­перации необходимо условие U_d > E_дв, тогда согласно формуле (7.1) ток будет отрицательным, а момент на валу двигателя – тормозным. Часто этот режим называют генераторным торможением с рекуперацией энергии в сеть.

Попытаемся изменить полярность ЭДС E_дв, чтобы ток I_г имел возможность протекать через тиристоры преобразователя, который продолжает работать в выпрями­тельном режиме (см. рис. 7.1., б, полярность Е_дв в скобках). В этом случае напряжение U_d и ЭДС E_дв совпадают по направлению, а ток I_г определяется их суммой (44) и имеет прежнее направление, как в двигательном режиме. Двигатель переходит в режим про­тивовключения и начинает тормозиться. Энергия, потребляемая двигателем, рассеива­ется в виде потерь в элементах схемы.

Для осуществления инверторного режима преобразователя (рекуперативного режима двигателя) необходимо при перемене полярности ЭДС Е_дв изменить направ­ление напряжения преобразователя U_d, что достигается увеличением угла регулирова­ния α > π/2. В этом случае тиристоры будут проводить в период отрицательной полу­волны синусоиды фазного напряжения трансформатора. Поскольку направление тока I_г и фазных токов вторичной обмотки осталось прежним, мощность, определяемая произ­ведением фазных токов и напряжении, изменит знак, т.е. преобразователь будет рабо­тать в режиме инвертора, осуществляя рекуперацию энергии в питающую сеть.

На рис. 7.2, а изображена форма противоЭДС инвертора и u_d при двух значениях угла управления. Противоэдс двигателя Е_дв условно показана ниже оси абсцисс в виде прямой линии, так как ее величина практически не изменяется за период пульсации выходного напряжения инвертора. Из рис. 7.2, а следует, что открывание тиристоров происходит при отрицательных полуволнах напряжения. Разность между ЭДС двига­теля и мгновенным значением u_d показана штриховкой. Сумма падений напряжений в главной цепи и в тиристорах (ΔU) равна разности ЭДС и среднего значения U_d.

Вме­сто угла регулирования (запаздывания) α для характеристики инверторного режима ис­пользуют угол опережения β, отсчитываемый влево от точки естественной коммутации тиристоров (рис. 7.2). Между углами α и β существует зависимость, которая описывается соотношением:

 β = π – α .                                                           (7.2)

Значение β подбирается так, чтобы E_дв > U_d.

Выражения для регулировочных характеристик зависимого инвертора в различ­ных схемах получают из соответствующих характеристик управляемого выпрямителя при подстановке в них вместо α значения β, определяемого из формулы (7.2). В противо­положность выпрямительному инверторный режим может быть реализован только в схемах с тиристорами. Если принудительного включения последующего тиристора не произойдет (см. рис. 7.2, а, например, VS2), то предыдущий тиристор VS1 продолжает проводить и после точки естественной коммутации K_и1 (показано стрелками), так как ток через него по