Обращение потока мощности в электромашинной системе электропривода и в системе ТП-Д.

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

^ Источник и приемник энергии постоянного тока.

В исходном состоянии правый подъемный сосуд находится в верхнем положении, левый- в нижнем. Цель “перегона”- поменять подъемные сосуды местами. В начале “перегона” электрическая машина “=М”должна развивать двигательный момент для движения вверх “левого” сосуда вместе с тяжелым подъемным канатом. Когда подъемные сосуды окажутся в середине шахтного ствола, напротив друг друга, левая и правая ветви уравновесятся, а при дальнейшем движении праваябудет раскручивать шкив “Ш ”, а значит, и якорь машины “=М”, под действием спускаемого подъемного сосуда и более длинной ветви каната. Машина “=М”должна оказывать тормозное воздействие на раскручиваемый грузом шкив.

Рассмотрим виды преобразования энергии и направление этой энергии при выполнении операции “перегона”.

В начале этой операции электрическая машина “~М”, потребляя из сети переменного тока электрическую энергию, т.е. работая в режиме электрического двигателя, преобразует ее в механическую энергию вращающегося вала, который вращает якорь электрической машины постоянного тока G. Эта машина, будучи возбужденной, работая в режиме генератора постоянного тока, преобразует полученную механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Эта энергия, в виде тока и напряжения по проводам поступает на якорь машины “=М”, где преобразуется в механическую энергию вращающегося шкива “Ш” и энергию, необходимую для подъема левого подъемного сосуда вместе с канатом.

Т.о. электрическая энергия потребляется из сети переменного тока, претерпевает ряд преобразований, и, в конечном счете, используется для выполнения механической работы. Назовем такое направление энергии прямым.

В статическом режиме работы ток I_я определяется выражением:

I_я = (E_G - E_М Rå)/ _я.ц.

Такое выражение для тока I_я связано с тем, что ЭДС E_М направлена встречно с ЭДС E_G и величина тока зависит от разности этих ЭДС. Т.к. в начале процесса “перегона” груз оказывает тормозящее действие на якорь машины “=М”, ее ЭДС, зависящая от частоты вращения, меньше, чем ЭДС E_G и направление тока в якорной цепи совпадает с направлением ЭДС E_G.

Эта сонаправленность ЭДС и тока являются единственным признаком источника электрической энергии постоянного тока.

Если же направление ЭДС и тока в каком- то устройстве встречное, то это означает, что перед нами- приемник электрической энергии.

По мере перемещения левой ветви каната, с подвешенным к ней подъемным сосудом, вверх происходит снижение нагрузки на вал двигателя “=М”, частота вращения его увеличивается, возрастает ЭДС E_М , что приводит к уменьшению тока I_я . В тот момент, когда ветви каната уравновесятся, когда подъемные сосуды окажутся в середине ствола, сравняются по величине и встречные ЭДС E_М и E_G.

Ток в якорной цепи на какое- то мгновение станет равным нулю, что означает, что в данный момент нет ни приемника, ни источника электрической энергии. Но как только правая ветвь перевешивает левую, спускаемый груз начинает ускорять вращение машины “=М”. Ее ЭДС становится больше, чем ЭДС E_G, и в этот момент ток в якорной цепи меняет свое направление. Момент смены направления тока- есть момент перехода приемника энергии “=М” в другое качество. Он становится источником, а машина G- приемником энергии.

С этого момента поток энергии меняет свое направление на обратное. Она вырабатывается в виде механической энергии спускаемого груза, претерпевает обратные, по сравнению с прямым направлением, преобразования и, в конечном счете, поступает в виде электрической энергии в питающую сеть. Таким образом в рассмотренной электромашинной системе (именуемой системой Г-Д) смена режимов работы электрических машин происходит автоматически без каких-либо переключений в схеме, т.е. без вмешательства обслуживающего персонала в работу установки. Движение подъемных сосудов происходит приблизительно с постоянной скоростью, а приводной электродвигатель “=М” обеспечивает на первом этапе пути подъемных сосудов вращательный момент, т.е. работает в двигательном режиме, а на втором, заключительном этапе- тормозной момент, т.е. работает в генераторном режиме.

Инвертирование потока энергии из прямого на обратное направление сложнее происходит в системе “тиристорный преобразователь- двигатель постоянного тока” (ТП-Д), чем в системе Г-Д.

Сложность вытекает из того, что не удается изменить направление тока в якорной цепи, вследствие односторонней проводимости вентилей. В работу схемы необходимо вмешательство обслуживающего персонала. Рассмотрим описанный ранее “перегон порожних сосудов”, заменив машины ~М и G на один тиристорный преобразователь (ТП). Один ТП в состоянии реализовать функции этих двух машин. Рассмотрим процессы, происходящие в системе ТП- Д при выполнении “перегона” и способы управления этим процессом.

При движении левого сосуда вверх до середины ствола машина “М” работает в двигательном режиме, а преобразователь- в выпрямительном. Их ЭДС направлены встречно, но т.к. E_d превышает величину E_М , ток I_d совпадает по направлению с ЭДС E_d.

В соответствии с признаками источника и приемника ТП является источником, а машина “М”- приемником энергии. После перехода положения равновесия сосудов в стволе, левая ветвь окажется короче правой и машина “М”, раскручиваемая более тяжелой правой ветвью, увеличит свои обороты. При этом, возрастает значение ЭДС E_М, она превысит E_d , однако ток I_dизменить свое направление на противоположное не сможет- этому помешает односторонняя проводимость вентилей. Это означает, что машина “М” не становится источником, а ТП- приемником энергии.

. Выполнить это очень просто, воздействуя на систему ТП. Т.е. в силовой цепи преобразователя никаких переключений делать не требуется. Изменить полярность ЭДС машины “М”, в принципе, можно тремя способами:° . Его нужно сделать большим, чем 90aДля реализации последнего, не изменяя при этом направление тока в якорной цепи на обратное, необходимо поменять полярность ЭДС преобразователя и машины “М”. В ТП это достигается изменением величины угла управления

• Изменить направление вращения машины на обратное, что для нас не подходит;
• Переключить силовые провода (точки 1 и 2) на противоположные щетки якоря машины “М”;
• Поменяв направление тока обмотки возбуждения на противоположное, изменив, например, полярность напряжения возбуждения U_в.(выбираем его)

При этом, будет обеспечен перевод машины “М” в режим работы источником энергии, а ТП- в режим работы приемником энергии. На схеме видно, что направление тока I_d не меняется, а направление ЭДС машины “М” и ТП соответствуют пунктирным стрелкам. Диаграммы напряжения и тока при работе ТП в режиме приемника энергии, т.е. в инверторном режиме приведены на рис 22.

Анализируя работу тиристорного преобразователя в инверторном режиме, можно перечислить условия, при которых этот режим возможен.

Эти условия следующие:

1. Нагрузка должна содержать в своем составе источник постоянной ЭДС-E_М ;
2. Схема должна обеспечивать возможность протекания тока в направлении ЭДС нагрузки, т.е. полярность E_М должна совпадать с проводящем направлением вентилей. Для выполнения этого требования мы изменим полярность ЭДС E¢_М на E_М;¢
3. Тиристорный преобразователь должен вырабатывать ЭДС E_d, направленную встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров;¢
4. Среднее значение ЭДС нагрузки должно превышать среднее значение ЭДС ТП.

Рис 22

Сказанное можно проиллюстрировать следующими эквивалентными схемами, изображающими выпрямительный и инверторный режимы работы ТП:

16 Особенности инверторного режима работы ТП. Понятие «опрокидывание» инвертора. Ограничение угла .

а) Особенность внешних характеристик.

Внешние характеристики переходят из выпрямительного режима в инверторный, не изменяя угла наклона по отношению к оси абсцисс. Это значит, что процесс коммутации имеет ту же физическую природу, что и в режиме выпрямления. Как и в выпрямительном режиме, этот процесс связан с изменением напряжения на нагрузке.

Однако, в отличие от выпрямительного режима в инверторном с увеличением тока, напряжение на якоре машины “М” не уменьшается, а увеличивается. Вид внешних характеристик наглядно показывает эту особенность инверторного режима. С увеличением тока расстояние от характеристики до оси абсцисс увеличивается.

б) ^ и больших значениях токаbНеустойчивость работы ТП в инверторном режиме при малых значениях угла - вторая особенность инверторного режима.

Эта неустойчивость проявляется в возможности так называемого “опрокидывания” или “прорыва” инвертора, что может быть чревато выходом преобразователя из строя.

Обратимся к схеме ТП-Д. При работе ТП в инверторном режиме, а машины “М”- в генераторном их ЭДС (пунктирные стрелки) E_Ми E¢_d направлены встречно и, т.к. E¢_М превышает по величине E¢_d ток в цепи якоря I¢_d совпадает по направлению с E_М , а E¢_d является противо- ЭДС.¢

Неприятность заключается в том, что при некоторых обстоятельствах противо- ЭДС E_d может, практически мгновенно, изменить свое направление на противоположное и действовать в цепи якоря согласно с E¢_М. Тогда, окажется, что в якорной цепи действуют два источника энергии, и в ней нет ни одного приемника энергии. Эту ситуацию можно рассматривать, как двойное короткое замыкание в якорной цепи, что вызывает очень быстрое нарастание тока и требует экстренного размыкания цепи якоря. Дело в том, что отключение ТП от сети не устраняет аварийного режима, так как ток под действием ЭДС E¢_М будет продолжать протекать через одну из фаз вторичной обмотки трансформатора и вентиль этой фазы, который был включен в момент “опрокидывания” инвертора. Единственным способом прекратить развитие аварии является разрыв якорной цепи, т.е. отсоединение одного источника от другого.¢

, вызванного возрастанием тока Ig , либо, вследствие увеличения угла b коммутация приближается к точке “1”. Условием нормальной работы инвертора является завершение коммутации тока, т.е. переход его с фазы “с” на фазу “а” раньше, чем наступит момент равенства ЭДС коммутируемых фаз в точке “1”. Если же вследствие уменьшения угла bрис 22. Из диаграммы напряжения видно, что при уменьшении величины угла управления _d , коммутация на закончится до наступления момента “1”, дальше переход тока на фазу “а” прекратится, и, начавшийся процесс коммутации пойдет в обратном направлении, т.е. останется включенной фаза “с”. Как видно из диаграммы, напряжение на фазе “с” очень быстро становится положительным, а это значит, что ЭДС инвертора E_db ниже минимально допустимого его значения b изменила свою полярность на противоположную и произошло его “опрокидывание”. Недопущение этого явления возможно единственным способом: предотвращение снижения величины угла управления ¢_min. Эта величина определяется выражением:

b_min g ³_max ad + d+

gгде: _max - максимально возможное значение угла коммутации, определяемое максимально возможным током в любом режиме работы инвертора;

- угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей, а точнее, временем их выключения;d

- асимметрия управляющих импульсов, т.е. самопроизвольное их отклонение от заданной величины в силу ограниченных возможностей системы управления.ad

, тем меньшее значение тока допускается при работе ТП в инверторном режиме.bÐ и величины тока, допустимых для данного преобразователя. Эти величины между собой связаны. Чем меньше bОбратившись к внешним характеристикам ТП, работающего в инверторном режиме (рис 25) можно определить и обозначить ограничительную линию, указывающую предел значений угла

17^ Особенности работы выпрямителя по мостовой схеме Ларионова. Полууправляемый выпрямитель по мостовой схеме.

Схема трехфазного мостового ТП является шестипульсной схемой. Она находит самое широкое распространение по сравнению с другими схемами преобразователей, т.к. обладает целым рядом достоинств. Из этих достоинств можно отметить следующие:

1. Высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения(f_n=300 Гц)
2. Симметричность загрузки питающей сети;
3. Схема может быть использована как с согласующим трансформатором, так и без него;
4. Высокие энергетические показатели схемы. Ток в обмотках трансформатора носит знакопеременный характер и имеет равные значения в положительный и отрицательный полупериоды. Это исключает возможность подмагничивания трансформатора и обеспечивает высокое значение коэффициента формы тока (k_ф = 0.95);

1. Хорошее использование вентилей по напряжению

k_u = (U_обр.max)/(U_d /3 = 1.05p) =

Для изучения особенностей работы трехфазной мостовой схемы удобна ее интерпретация, как схемы, включающей в себя две трехфазные нулевые схемы, соединенные последовательно и питающиеся от одной вторичной обмотки трансформатора.

Катодная группа, включенная на нагрузку z_н, представляет собой трехфазный нулевой выпрямитель. К нагрузке z_н поочередно прикладывается напряжение фаз вторичной обмотки трансформатора. При этом в z_н протекает ток I_d . Этот ток течет по участку цепи О1 - О2 и, затем, расходится по фазам вторичной обмотки. В катодной группе в каждый момент времени ток проводит тот вентиль, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других вентилей в группе. Обратим внимание на то, что в перемычке О1 - О2 ток этой группы течет от О1 к О2.

Теперь рассмотрим другую группу вентилей - анодную. Вентили этой группы подключены своими катодами к фазам вторичной обмотки трансформатора, а их аноды объединены в одну точку, соединенную с нагрузкой z_н . Ток I_d протекает по левому сопротивлению под действием фазных ЭДС вторичной обмотки, включающихся в работу в моменты, когда в начале обмотки (обозначены точкой)- положительный потенциал, а в конце обмотки (одна из точек “а”, “b” или “с”)- отрицательный.

В анодной группе в каждый момент времени ток проводит тот вентиль, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других вентилей группы.

Ток анодной группы течет по перемычке О1 - О2 от О2 к О1, т.е. встречно току катодной группы. Результирующий ток в перемычке оказывается равным нулю, и эту перемычку можно просто убрать. Теперь мы видим, что к точкам, объединяющим катоды и аноды разных групп вентилей оказались подключенными два последовательно соединенных сопротивления z_н и по цепи этих сопротивлений протекает один и тот же ток I_d . В работе схемы ничего не изменится, если мы цепь с двумя сопротивлениями z_н заменим другой цепью с одним сопротивлением 2z_н , величина которого равна сумме первых двух сопротивлений.

Таким образом напряжение на выходных зажимах трехфазной мостовой схемы можно рассматривать, как сумму напряжений двух трехфазных нулевых преобразователей.

; 120°; 75° (0aПервая диаграмма (сверху) - напряжения катодной группы при трех разных значениях угла управления

Вторая диаграмма- напряжения анодной группы.

На третьей диаграмме- показаны результаты суммирования напряжений катодной и анодной групп с учетом их знака.

На четвертой диаграмме представлены линейные напряжения, формирующиеся на выходе трехфазного мостового преобразователя.