Как известно, одним из основных достоинств управляемого выпрямителя является возможность перевода его в режим инвертирования [1, 2, 3]. Инверторы производят преобразование энергии постоянного тока в переменный ток. Если это преобразование осуществляется с отдачей энергии в сеть промышленной частоты, то такие инверторы называют зависимыми или ведомыми сетью. В устройствах электрической тяги переменного тока применяются однофазные зависимые инверторы. В промышленном электроприводе используются как однофазные, так и трехфазные зависимые инверторы. Без них невозможна работа линий электропередач постоянного тока. Инвертирование в основном применяется для рекуперативного торможения как на электрифицированном железнодорожном транспорте, так и метрополитене и городском электрическом транспорте. На электроподвижном составе железных дорог вследствие перехода двигателей в генераторный режим и выпрямителя в инверторный механическая энергия движущейся массы поезда возвращается в виде электрической энергии в тяговую сеть. Таким образом, одновременно с процессом торможения поезда эта энергия может быть использована для тяги другими электровозами, находящимися на этой зоне.
Силовая часть и схема управления однофазным инвертором подобны аналогичным схемам управляемого выпрямителя, поэтому управляемый выпрямитель несложно перевести в инверторный режим.
Условия, при которых управляемый выпрямитель переводится в инверторный режим, следующие:
1) наличие в качестве нагрузки выпрямителя эдс (аккумулятор или двигатель постоянного тока, работающий в генераторном режиме);
2) направление тока и противоэдс электрической машины должны совпадать;
3) ток и эдс вентильной обмотки трансформатора должны быть направлены встречно;
4) угол управления тиристоров должен превышать 90° эл.;
5) режим непрерывного тока нагрузки обеспечивается, если в цепь нагрузки включается большая индуктивность.
Для работы схемы в инверторном режиме необходимо, чтобы двигатель с противоэдс Ed исполнял роль источника, а трансформатор – приемника энергии. Как известно, в источнике направление эдс и тока совпадают, а в приемнике они направлены в противоположные стороны. Чтобы обеспечить подобный режим, необходимо включать тиристоры в те моменты времени, когда при положительном направлении противоэдс Ed напряжение вторичной обмотки трансформатора отрицательно. Положительное по отношению к вентилям направление эдс электрической машины на электровозе обычно обеспечивается изменением полярности питания обмотки возбуждения. Выбор противоположного направления эдс вторичной обмотки обеспечивается с помощью системы управления при угле управления p/2 ≤ a ≤ p.
На рис. 6.1 представлена схема силовой части однофазного мостового зависимого инвертора, которая применяется на электроподвижном составе переменного тока. Рассмотрим работу схемы при следующих условиях: трансформатор и вентили идеальны (хт = 0, Rд.пр. = 0) и индуктивное сопротивление реактора, включенного последовательно с электрической машиной, имеет достаточно большое значение по отношению к активному сопротивлению всей цепи (хd → ∞).
Во время открытого состояния тиристоров VS1 и VS4 (рис. 6.1) ток от положительного полюса генератора (генератора с эдс Ed) протекает по цепи: +Ed, VS4, вывод обмотки трансформатора х, начало обмотки а, тиристор VS1, индуктивность xd, минус источника Ed. Направление тока id совпадает с направлением эдс (это источник), а в обмотке трансформатора направление тока и напряжения противоположно (приемник энергии). В следующий момент времени системой управления (СУ) открываются тиристоры VS2 и VS3 и закрываются VS1 и VS4. Ток по источнику Ed будет протекать в прежнем направлении, а по обмотке трансформатора изменится на противоположный. Направление эдс вторичной обмотки трансформатора е2 соответственно изменится на обратное.
Временные диаграммы токов и напряжений характерных точек схемы однофазного мостового инвертора при идеальном трансформаторе и бесконечно большой индуктивности в цепи нагрузки изображены на рис. 6.2.
При протекании тока через индуктивность Ld с моментов времени от 0 до π, значение Ed больше мгновенного значения е2 и в индуктивности идет накопление энергии. Когда эдс вторичной обмотки больше по амплитуде Ed, тиристоры не закрываются, так как энергия, запасенная в xd, будет отдаваться. На этом промежутке времени эдс самоиндукции, возникающая в xd, будет совпадать по направлению с Ed и вычитаться из эдс вторичной обмотки е2.
Рис. 6.2. Временные диаграммы токов и напряжений зависимого инвертора
Управляющие импульсы должны открыть тиристоры VS2 и VS3 раньше p на угол опережения инвертора b, равный в данном случае углу запаса d. Угол запаса, как известно, зависит от типа тиристоров, применяемых в схеме, а также тока инвертора. За это время закрывшиеся тиристоры VS1 и VS4 должны успеть восстановить свои запирающие свойства. В противном случае позже точки p на аноде тиристоров VS1 и VS4 появится положительный потенциал и их закрыть будет невозможно. Если к моменту включения тиристоров VS2 и VS3 процесс рекомбинации основных носителей в тиристорах VS1 и VS4 не будет закончен, то наступит аварийный режим.
Среднее значение инвертируемого напряжения холостого хода можно найти по аналогии с однофазной мостовой схемой выпрямления, учитывая диаграмму на рис. 6.2,
