Реактивная мощность в режиме инвертирования

В режиме инвертирования преобразователь выдает в сеть переменного напряжения активную мощность. Определим направление реактивной мощности. Для того, чтобы понять потребляет или нет преобразователь в режиме инвертирования реактивную мощность, выделим первую гармонику тока какой-нибудь фазы, например фазы А – I _{Ф А 1}, и определим ее сдвиг по фазе (j_И) по отношению к напряжению этой же фазы (рис. 2.1б).

Ток фазы А будет состоять из токов тиристоров, включенных в эту фазу:

i Ф А = i 2 + i 5

(2.3)

Векторные диаграммы первых гармоник токов и напряжения приведены на рис. 2.2. Они построены на основе диаграмм рис. 1.8 и рис. 2.1. Из векторных диаграмм видно, что в режиме выпрямления потребляется реактивная мощность. В режиме инвертирования активная составляющая тока  поменяла знак по отношению к активной составляющей тока выпрямителя . Напряжение  неизменно, потому что оно определяется сетью, где есть источники (мы рассматриваем зависимый от сети/ведомый сетью инвертор). В режиме инвертирования реактивная составляющая тока , как и в режиме выпрямления , отстает от напряжения на угол 90 град. эл. Следовательно, и в режиме инвертирования схема потребляет реактивную мощность из сети переменного тока. Угол сдвига фаз первых гармоник, как и для выпрямителя, будет определяться углами управления и коммутации:

j_И = a_И + g_И/2 = – (b – g/2).          (2.4)

Чем больше угол b, тем больше потребляется реактивная мощность.

 

 

Устойчивость инвертора

При построении зависимостей от времени токов тиристоров следует учесть, что их изменение при коммутации в режиме инвертирования происходит аналогично тому, как это было в режиме выпрямления (рис. 1.7), но при углах a больше 90 град. эл. На рис. 2.3а показано изменение токов тиристоров V 3 и V 5 при коммутации в режиме инвертирования.

Если ток I_d больше чем амплитуда тока двухфазного короткого замыкания i ⁽²⁾_К (рис. 2.3б) то ток i _{V 5} тиристора V 5, не достигая значения I_d, снижается до нуля, а ток i _{V 3} тиристора V 3 не доходит до нуля, и тиристор V 3 не выключается. Следовательно, коммутация, начавшись, нормально не завершится. Тиристор V 3 остается включенным. И при подаче импульса управления на второй тиристор фазы С (V 6) шины постоянного тока закорачиваются последовательно включенными тиристорами V 3 и V 6 (см. схему преобразователя рис. 1.1). Ток источника питания I_d в этом режиме не будет протекать через нагрузку (сеть) и выдаваемая мощность будет равна нулю. Нарушается алгоритм работы тиристоров, происходит «опрокидывание инвертора» – нарушение его устойчивости.

Однако, если увеличить угол b, так, чтобы выполнялось условие i _К⁽²⁾ _МАХ > I_d, то ток заканчивающего работу тиристора достигнет нуля и опрокидывания не произойдет.

 

 

Рис. 2.3. Диаграммы токов коммутирующих тиристоров V 3, V 5 в нормальном режиме и при «опрокидывании» инвертора

Если ток тиристора, заканчивающего работу, достигнет во время коммутации нуля, то это ещё не означает, что тиристор выключится. Действительно, когда тиристор включен, в слоях, примыкающих к среднему p-n переходу, накоплены объемные заряды, которые удерживают этот переход включенным. При снижении тока i _{V 3} до нуля (рис. 2.4) в этих слоях объемные заряды еще остаются, значит, тиристор еще не выключен, и поэтому по нему начинает протекать обратный ток. В это время на тиристор нельзя подавать положительное напряжение, так как из-за наличия объемных зарядов в нем он сможет включиться и без подачи тока управления, что обязательно приведет к «опрокидыванию» инвертора. Объемные заряды выводятся обратным током, и только после их вывода из тиристора средний p-n переход выключается. Заряд, который выведен из тиристора на этапе его выключения называют зарядом восстановления. Его значения для тиристоров приводятся в каталоге:

.

(2.5)

Амплитуда обратного тока тиристоров I_RRmax достигает несколько десятков ампер, а иногда 100…150 А даже при рабочих токах тиристоров, не превышающих 200 А. Время выключения тиристоров общепромышленной серии обычно не превышает 150...250 мкс. Эта величина эквивалентна d _ВЫКЛ = 3…5 град. эл. и является временем восстановления управляющих свойств тиристора.

Условие устойчивой работы.

Найдем значения b и I_d, при которых работа инвертора будет устойчивой. Для этого определим условие гарантированного выключения тиристора. Рассмотрим кривую напряжения на тиристоре V 2 (рис. 2.1г). Кривая строится также, как и для режима выпрямления (рис. 1.8г). Напряжение на тиристоре на отдельных интервалах времени приводится в табл. 1.3.

После того, как ток тиристора V 2 стал равным нулю, напряжение на нем, определяемое электромагнитными процессами в схеме, в течение короткого времени δ принимает отрицательные значения:

d = b – g.

(2.6)

Чтобы нарушения устойчивости инвертора не происходило, должно выполняться условие:

	d > dВЫКЛ.	(2.7)
	dВЫКЛ=ω· t ВЫКЛ.	(2.8)

d_ВЫКЛ – это параметр тиристора, его время выключения, выраженное в угловых единицах.

Для тиристоров, работающих на промышленной частоте, можно принять d_ВЫКЛ @ 5 град. эл. В преобразователях, применяемых в электроэнергетике, в длительных режимах и режимах рабочих перегрузок угол коммутации не превышает 60 град. эл. и преобразователь работает в режиме 2–3. При этом d зависит от b (2.6) и, следовательно, в реальных установках от несимметрии СИФУ. Поэтому для того, чтобы гарантировать устойчивую работу инвертора, т. е. обеспечить d > d_ВЫКЛ, необходимо выполнение условия:

d = b – g > dВЫКЛ + dНЕС.СИФУ + dЗАПАС.

(2.9)

Часто минимально допустимое значение:

d ДОП = dВЫКЛ + dНЕС.СИФУ + dЗАПАС,

(2.10)

принимают равным 15 град. эл.

Чтобы в режиме инвертирования преобразователь потреблял меньшую реактивную мощность, надо работать с минимальным углом b. Однако, он не должен быть меньше того, при котором обеспечивается d_ДОП. Для этого, в частности, на инверторных подстанциях электропередач постоянного тока есть регулятор-ограничитель, который поддерживает угол d на уровне минимально допустимого значения по условиям устойчивости инвертора.

 

 

2.4. Внешние характеристики

Напряжение на шинах постоянного тока (2.1):

U_d = U _K0 – U _П0.

И в режиме выпрямления и в режиме инвертирования семейство внешних характеристик (рис. 2.5) описывается выражением:

.   (2.11)

При замене угла a на угол b получим:

  (2.12)

В режиме инвертирования при повышении тока I_d напряжение U_d по величине растёт, так как увеличивается падение напряжения Δ U (X _γ), а величины ЭДС e_A, e _В и e _С приняты неизменными, так как инвертор работает на сеть, в которой есть собственные источники. Найдём выражение для внешней характеристики при постоянном угле d.

 

При анализе процесса коммутации тиристоров было установлено (1.26), что:

Учитывая то, что b = 180° – a и d = b – g, получим из этого выражения следующее:

.

(2.13)

Отсюда следует, что:

.

(2.14)

Подставляя это значение для cosβ в выражение (2.12), получим:

.

(2.15)

Задавая величину d = d_ДОП., получим на семействе внешних характеристик преобразователя границу зоны устойчивой работы инвертора (рис. 2.5).

Лабораторная работа №2