Инвертирование — это процесс преобразования постоянного тока в переменный ток. Ведомые сетью инверторы осуществляют преобразование с передачей энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока заданной частоты, где эта энергия используется потребителями. Инвертирование применяется на электрифицированных железных дорогах, а также на других видах электрического транспорта при рекуперативном торможении. В режиме рекуперативного торможения электрические двигатели подвижного состава переводятся в генераторный режим. Благодаря энергии движущейся массы поезда генераторы вырабатывают электрическую энергию. Через регулирующие и преобразующие устройства она передаётся (возвращается) в тяговую сеть.
При этом на валах двигателей, следовательно, на колёсных парах, реализуется тормозной момент и вырабатывается электроэнергия, которая может быть использована другими электровозами, или при отсутствии тяговых потребителей в данной зоне питания тяговой сети должна предаваться через преобразовательное оборудование тяговых подстанций во внешнюю энергетическую систему (избыточная энергия рекуперации).
На участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе, постоянный ток тяговых двигателей, переведённых в генераторный режим, с помощью инверторов преобразуется в однофазный ток частотой 50 Гц на электроподвижном составе и энергия торможения возвращается в тяговую сеть в виде энергии однофазного тока. На участках железных дорог постоянного тока и городском электрическом транспорте избыточная энергия рекуперации постоянного тока преобразуется в энергию трёхфазного тока с помощью трёхфазных инверторов, устанавливаемых на тяговых подстанциях.
В электротяговых системах применяются ведомые сетью инверторы однофазного и трёхфазного тока. Трёхфазные инверторы применяются также в промышленном электроприводе.
Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Управление режимом работы инвертора должно быть таким, чтобы обеспечивалась коммутация тиристоров благодаря ЭДС сети. Необходимое условие работы инвертора — подключение к его входу источника постоянного тока, например генератора постоянного тока.
Принцип действия инвертора
Рассмотрим работу однофазного преобразователя со средней точкой (рис. 6.1), в цепи которого работает электрическая машина.
Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор. Для получения переменного тока из постоянного необходимо обеспечить периодический переход тока их одной обмотки в другую. Это достигается прерыванием постоянного тока и распределением его по фазам трансформатора с помощью тиристоров. Изменение направления потока энергии требует изменение знака мощности Pd = UdId, развиваемой выпрямителем, что достигается только за счёт изменения направления тока Id или напряжения Ud. Изменить своё направление ток не может, так как тиристоры обладают односторонней проводимостью, поэтому это достигается путем изменения угла регулирования ар. Чем больше угол регулирования, тем меньше будет выпрямленное напряжение и, наконец, может достигнуть такого значения, которое будет меньше ЭДС, возникшей на зажимах электрической машины, если ее перевести в режим генератора, начиная вращать якорь от постороннего источника энергии (кинетическая энергия поезда или другие источники энергии).
Реверсивные преобразователи
Реверсивные преобразователи применяются для бесконтактного регулирования частоты вращения якоря двигателя постоянного тока за счет изменения подводимого напряжения к обмотке якоря или за счет изменения напряжения на зажимах обмотки возбуждения. Чаще всего в таких преобразователях применяется две группы тиристоров: одна работает в режиме инвертирования, а другая — в режиме выпрямления.Рассмотрим работу реверсивного преобразователя, у которого тиристоры в каждой группе включены по трехфазной нулевой схеме, а между собой группы соединены встречно-параллельно (рис. 6.3). Двигатель подключается к схеме преобразователя через дроссель, который обеспечивает режим непрерывного тока.
Тиристоры VS1— VS3 составляют катодную группу и работают как выпрямители в области положительных напряжений на анодах, а тиристоры VS4—VS6 образуют анодную группу и работают при отрицательных напряжениях на катодах. Уравнительные дроссели (УД) предназначены для ограничения уравнительных токов, которые возникают в переходных режимах. Выпрямленное напряжение преобразователя будет равно нулю в том случае, когда отпирающие импульсы подаются на группы тиристоров со сдвигом на 90° по отношению к моменту естественного открывания (точки а, б, в, г для тиристоров VS1—VS3 и точки к, л, м для VS4—VS6). Если на тиристоры VS1—VS3 подать отпирающие импульсы с углом регулирования ар = 60°, то они включатся и через тиристор, допустим VS1, будет протекать ток, значение которого определяется выражением:
Для того, чтобы затормозить двигатель или изменить направление вращения вала якоря, необходимо, на, тиристоры VS1—VS3 подать импульс управления с углом ар = 90°, а на тиристоры VS4—VS6 с углом управления а = 120°. Тогда первая группа тиристоров выключится, а вторая включится и напряжение на зажимах преобразователя будет иметь прежний знак, но значение его UdH2 будет несколько меньше ЭДС двигателя Еа. По цепи через двигатель, тиристоры второй группы и трансформатор будет протекать ток, IdH2, значение которого определяется выражением
Таким образом, преобразователь перешел в режим инвертора, преобразуя постоянный ток, вырабатываемый двигателем, в переменный. Происходит замедление вращения вала якоря двигателя (торможение) и одновременно возврат энергии в сеть, так как ток Id изменил знак на противоположный.
Основные параметры, характеризующие преобразователи: коэффициент полезного действия; коэффициент мощности. КПД выпрямителя определяется отношением полезной мощности Pd к мощности, потребляемой из сети P1 - Pd + АР (где АР — потери мощности в выпрямителе). В свою очередь потери АР складываются из потерь в вентилях АРа, питающем трансформаторе АРтр и фильтре АРф. Потери во вспомогательных устройствах АРвс составляют 0,5—1,5 % от АPd. Наиболее значительны из всех потерь в вентилях АРа и трансформаторе АРтр. Все остальные потери по сравнению с этими незначительны и в расчетах не учитываются.