Инвертирование тока

Во время рекуперативного торможения тяговые двигатели работают в генераторном режиме, превращая кинетическую энергию поезда в электрическую. Тяговые двигатели – машины постоянного тока, они вырабатывают постоянный ток. Для того, чтобы энергию направить в контактную сеть (т.е.

Рис. 6 Схема силовых цепей.

осуществить рекуперацию) необходимо постоянный ток преобразовать в переменный и повысить напряжение до напряжения в контактной сети. Процесс преобразования постоянного тока в переменный с помощью статистических преобразователей называется – Инвертированием. Чтобы перейти от выпрямления к инвертированию, тяговые двигатели необходимо перевести в генераторный режим при независимом возбуждении. При этом одновременно изменяют полярность главных полюсов так, чтобы направление тока соответствовало направлению проводимости тиристоров (смотри рис.7). Открытие соответствующих тиристоров осуществляется в отрицательный полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора. При этом ток будет протекать противо Э.Д.С. во вторичной обмотке трансформатора, вследствие чего трансформатор будет передавать в контактную сеть энергию, вырабатываемую тяговыми двигателями. Рассмотрим процесс инвертирования на примере мостовой схеме, применяемой на электровозе ВЛ80р. Напряжение тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, подаётся на шины постоянного тока «Плюс» и «Минус». Постоянный ток этих шин пропускают через трансформаторы Н2 К2 поочерёдно то в одном направлении (сплошные стрелки), то в другом (штриховые).

Рис.7

В первичной обмотке Н1 – К1 трансформатора трансформируется переменное напряжение. Изменение направления тока в обмотке Н2 – К2 осуществляется поочерёдным открытием то одних, то других тиристоров. В один полупериод, когда ЭДС направлено во вторичной обмотке от Н2 к К2, открываются тиристоры 1 и 4, и ток протекает справа налево. В следующий полупериод, когда ЭДС вторичной обмотки направлено от К2 к Н2, открываются тиристоры 2 и 3, и ток протекает слева направо. Для осуществления рекуперации энергии необходимо, чтобы напряжение на обмотке Н1 – К1 имело ту же частоту (50 гц), что и напряжение контактной сети. Это требование выполняется путём синхронного открытия тиристоров с частотой контактной сети. Чтобы происходила передача энергии от трансформатора электровоза в контактную сеть (на тяговую подстанцию или другим электровозам), напряжение Uэ должно быть немного больше напряжения тяговой подстанции Uп. Только тогда ток рекуперации Iр потечёт в направлении, соответствующем направлению напряжения Uэ, против напряжения Uп. Если напряжение Uэ< Uп, то ток рекуперации будет равен нулю, рекуперации не произойдёт. Если напряжение Uп по какой то причине снято на подстанции, то трансформатор электровоза окажется включенным на короткозамкнутую цепь, т.е. попадёт в аварийный режим короткого замыкания. Рассмотрим некоторые особенности инвертирования. Мы уже знаем, что открыть управляемый тиристор можно, подав на него управляющий импульс; закрыть же управляемый вентиль во время протекания через него тока нельзя. Он закрывается и запирается только тогда, когда прекращается протекание через него тока. Как же изменить направление тока в трансформаторе во время, например, первого полупериода, когда открыты тиристоры II – III (смотри рис.7а). Закрыть тиристоры II и III нельзя, а если открыть тиристоры I и IV при работающих II и III, произойдёт короткое замыкание генератора М, т.к. образуются две цепи короткого замыкания – через вентили I и II и через вентили III и IV. Если момент открытия очередных вентилей (в нашем примере I и IV) выбирать правильно, то само напряжение трансформатора переключает работу инвертора с одних тиристоров на другие, и аварийного режима не произойдёт. Напряжение трансформатора Uт (смотри рис. 7а и 7б) изменяется по синусоиде, а напряжение генератора Uм постоянно по величине и направлению. В любой момент до момента один, открыты вентили II и III, а вентили I и IV закрыты. Под действием напряжения генератора Uм, ток через обмотку трансформатора Uт, т.к. величина Uм больше ЭДС Uт (его среднего значения за полупериод). Вентили I и IV открываются в момент 1. В течение короткого промежутка времени 1 – 2, открыты все четыре вентиля. В это время шины «плюс» и «минус» замкнуты накоротко двумя парами вентилей, но благодаря наличию напряжения Uт, ток вентилей не успевает возрасти до опасной величины. Напряжение Uт способствует резкому уменьшению тока вентилей II и III (т.к. направлено против него) и столь же резкому увеличению тока вентилей I и IV. Напряжение Uт как бы коммутирует, перераспределяет токи между одновременно открытыми вентилями, поэтому этот процесс называется – коммутацией. Когда ток вентилей II и III уменьшится до нуля, они запираются (момент 2) и в работе остаются вентили I и IV. В промежутке времени 2 – 3 уменьшающееся напряжение Uт направлено в ту же сторону, что и напряжение Uм и ток от суммарного напряжения быстро возрастает. В момент III, напряжение Uт равно нулю, а затем, изменив направление, быстро возрастает. Ток под действием напряжения Uм продолжает протекать против напряжения Un, среднее значение которого меньше напряжения Uм. К концу второго полупериода, в момент 4, открываются вентили II и III происходит очередная коммутация тока с вентилей I и IV на вентили II и III. Момент открытия вентилей 1 (вентили I и IV и 4 (вентили II и III) отсчитываются от точки перехода напряжения Uт через нуль (точки 3 и 6 на рис. 7б). Время от момента 1 до момента 3 и от момента 4 до момента 6 – называют углом опережения открытия вентилей и обозначают b. Другими словами – это время от момента отпирания очередных вентилей, до момента перехода напряжения трансформатора Uт через нуль. Угол b = g + d; где: g - угол коммутации;

Рис.8

а) направление токов и напряжений;

б) график напряжений;

в) график тока Iр во вторичной обмотке:

d- угол запаса, необходимый для восстановления запирающих свойств тиристоров. Процесс инвертирования, сложнее процесса выпрямления, и вероятность возникновения аварийных режимов при инвертировании больше. Так, если, например, в первый полупериод в момент 1, когда должны открыться вентили I и IV, а они почему – либо не откроются, то вентили II и III не закроются и в следующий полупериод, когда напряжение Uт направлено согласно с напряжением Uм, под действием суммы этих напряжений в цепи возникнет большой аварийный ток. Такой аварийный режим – называется – опрокидыванием инвертора. Аварийный режим наступит и в том случае, если вентили I и IV откроются не в момент 1, а позже. Тогда быстро уменьшающееся напряжение Uт (смотри рис. 7б) не успеет осуществить коммутацию вентилей II и III, и они не закроются, и снова произойдёт опрокидывание инвертора. Таким образом, для надёжности работы инвертора угол b ухудшает коэффициент мощности электровоза, увеличивается пульсация тока рекуперации, ухудшается коммутация тяговых двигателей. Поэтому, угол b выбирают минимальным, но достаточным для устойчивой работы инвертора.