Зависимый инвертор тока: схемы, формулы и принцип работы

Содержание страницы

1. Этимология и базовые определения
2. Физика процессов в простейшей однополупериодной схеме
3. Инверторный режим: «Переворачивание» потока мощности
4. Мостовые схемы: Промышленный стандарт
5. Спектральный состав и коэффициент мощности
6. Главная опасность: «Опрокидывание» инвертора
7. Сравнительная таблица: Выпрямитель vs Инвертор
8. Интересные факты о ведомых инверторах
9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Инвертор, ведомый сетью (или зависимый инвертор) — это устройство силовой электроники, которое перекачивает энергию от источника постоянного тока (например, аккумулятора или двигателя постоянного тока в режиме торможения) обратно в промышленную электрическую сеть переменного тока. Ключевая особенность: он не может работать автономно, без наличия напряжения в сети, так как именно сеть «командует» переключением (коммутацией) его силовых ключей.

Краткая история: Эра зависимого инвертирования началась задолго до появления современных полупроводников. Еще в 1920-30-х годах использовались ртутные выпрямители (игнитроны), способные возвращать энергию в сеть. Советская школа электротехники, возглавляемая такими учеными как М.П. Костенко и Л.Р. Нейман, внесла огромный вклад в теорию электромагнитных процессов в таких системах, что позволило создать мощные линии электропередач постоянного тока (HVDC) и эффективный электрический транспорт.

1. Этимология и базовые определения

Термин «инвертор» восходит к латинскому слову «inversio», что означает переворачивание, перестановка или обращение. В контексте электротехники и силовой электроники это понятие было введено для описания процесса, который является зеркальным отражением выпрямления. Если выпрямитель преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC), то инвертор выполняет обратную функцию — DC в AC.

При инвертировании энергетический поток меняет свой вектор направления на диаметрально противоположный: мощность забирается от источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, фотоэлектрической панели, вращающегося генератора постоянного тока) и передается (рекуперируется) в питающую сеть переменного тока.

Почему устройство называют «ведомым сетью»? Это определение указывает на способ управления силовыми вентилями (тиристорами). Момент переключения тиристоров (коммутация) жестко привязан к фазе и частоте напряжения внешней сети. Сеть выступает в роли «дирижера», задающего ритм работы, а преобразователь лишь «подстраивается» под него. Без опорного напряжения сети работа такого инвертора физически невозможна, поэтому часто используется синоним — зависимый инвертор, подчеркивающий, что его электрические параметры полностью детерминированы состоянием внешней энергосистемы.

2. Физика процессов в простейшей однополупериодной схеме

Для глубокого понимания процессов рассмотрим базовую, академическую модель — однофазный однополупериодный преобразователь. Это «атом» силовой электроники, из которого строятся более сложные «молекулы» (мостовые и многофазные схемы). Обратимся к схеме на рис. 1, а.

Рис. 1 (а). Принципиальная схема однополупериодного преобразователя

2.1. Допущения и идеализация

Для чистоты теоретического эксперимента примем следующие допущения:

Вентили (тиристоры) являются идеальными ключами: падение напряжения в открытом состоянии равно нулю, токи утечки в закрытом отсутствуют, время включения/выключения мгновенно.
Внутреннее сопротивление источника переменного тока (трансформатора) и аккумуляторной батареи (АБ) равно нулю. Следовательно, терминальные напряжения равны их ЭДС: \( e_{ab} = u_{ab} \) и \( E_{АБ} = U_{АБ} \).
Сглаживающий реактор \( L_d \) обладает бесконечно большой индуктивностью (для режима непрерывного тока) или достаточной для поддержания тока (для рассматриваемого режима), активное сопротивление реактора пренебрежимо мало.

2.2. Работа в выпрямительном режиме

Если положительный вывод аккумуляторной батареи подключен катоду тиристора (через нагрузку), как показано штриховой линией на рис. 1, а, схема функционирует как выпрямитель. ЭДС батареи в данном случае является противоЭДС, то есть направлена навстречу току, что физически соответствует процессу заряда аккумулятора.

Рассмотрим динамику процесса по диаграмме рис. 1, б:

Включение: В момент времени \( \vartheta = \vartheta_1 \), который задается системой управления через угол отпирания \( \alpha \), на управляющий электрод тиристора подается импульс. Поскольку в этот момент потенциал анода выше потенциала катода (условие прямого смещения), тиристор открывается.
Нарастание тока: Ток \( i_d \) начинает течь от сети в батарею. Благодаря индуктивности реактора \( L_d \), ток не скачет мгновенно, а нарастает плавно. Энергия запасается в магнитном поле реактора. Рост тока продолжается до тех пор, пока мгновенное значение напряжения сети \( u_{ab} \) превышает напряжение батареи \( U_d \) (или \( E_{АБ} \)).
Спад тока и роль индуктивности: Когда напряжение сети становится меньше напряжения батареи (\( u_{ab} < U_d \)), ток не прекращается мгновенно. ЭДС самоиндукции реактора \( e_L = -L \frac{di}{dt} \) меняет знак и поддерживает протекание тока в прежнем направлении. Тиристор остается открытым даже при отрицательном напряжении сети (на интервале от \( \vartheta_2 \) до \( \vartheta_3 \)).
Выключение: В момент \( \vartheta_3 \) вся энергия, запасенная в реакторе, иссякает. Ток \( i_d \) падает до нуля, и тиристор VS естественным образом запирается.

Важно отметить геометрическую интерпретацию энергии: момент выключения \( \vartheta_3 \) соответствует равенству заштрихованных площадей (воль-секундных интегралов) выше и ниже уровня противоЭДС на диаграмме.

3. Инверторный режим: «Переворачивание» потока мощности

Чтобы заставить эту же схему работать как инвертор, необходимо выполнить два фундаментальных условия:

Переполюсовка источника DC: Полярность источника постоянного тока должна быть изменена на противоположную (сплошная линия подключения АБ на рис. 1, а). Теперь ЭДС батареи складывается с напряжением сети в определенные такты работы.
Фазовое управление: Угол управления \( \alpha \) должен быть больше \( \pi/2 \) (90 градусов).

Аналогия для понимания: Представьте, что выпрямительный режим — это езда на велосипеде под гору: сила тяжести (напряжение сети) помогает вам двигаться (ток течет легко). Инверторный режим — это попытка заехать на велосипеде в крутую гору. Чтобы передать свою энергию (от ног/батареи) на дорогу (сеть), вам нужно прикладывать усилие именно в тот момент, когда педали находятся в определенном положении, преодолевая сопротивление. Если вы перестанете крутить педали (нет источника DC) или выберете неверный момент (неверный угол \( \alpha \)), вы просто покатитесь назад (короткое замыкание).

3.1. Анализ диаграмм инвертирования (Рис. 1, в)

Передача энергии от источника в сеть возможна только тогда, когда ток от источника (АБ) направлен навстречу ЭДС приемника (сети). В нашей схеме ток \( i_d \) всегда течет в одном направлении (из-за односторонней проводимости тиристора). Следовательно, для инвертирования необходимо, чтобы мгновенное значение ЭДС сети \( e_{ab} \) было направлено навстречу току тиристора. Это происходит в отрицательный полупериод переменного напряжения.

Рассмотрим пошагово процесс на рис. 1, в:

Ожидание: В начале периода к тиристору приложено суммарное напряжение \( E_{АБ} + u_{ab} \). Однако тиристор закрыт, так как нет импульса управления.
Отпирание (\( \vartheta_1 \)): Подается управляющий импульс. Условие отпирания: анод должен быть положительнее катода. В инверторном режиме это обеспечивается за счет того, что \( E_{АБ} > |u_{ab}| \) (или их алгебраическая сумма положительна на аноде). Тиристор открывается.
Накопление энергии: На интервале до \( \vartheta_2 \) напряжение сети по абсолютному значению меньше ЭДС батареи, но направлено встречно. Разность потенциалов «разгоняет» ток через дроссель \( L_d \).
Отдача энергии (\( \vartheta > \vartheta_2 \)): Напряжение сети \( u_{ab} \) становится по модулю больше \( E_{АБ} \). Казалось бы, ток должен прекратиться, но здесь вступает в игру «инерция» индуктивности. ЭДС самоиндукции реактора \( L_d \) меняет знак, суммируется с \( E_{АБ} \) и «продавливает» ток в сеть против высокого напряжения сети. Именно в этот момент происходит основной выброс энергии в сеть.
Запирание (\( \vartheta_3 \)): Энергия дросселя исчерпывается, ток падает до нуля. Тиристор закрывается. Важнейшее условие: тиристор должен успеть восстановить свои запирающие свойства до того, как напряжение на нем снова станет положительным (переход синусоиды через ноль в сторону положительной полуволны).

4. Мостовые схемы: Промышленный стандарт

Однополупериодные схемы имеют низкий КПД и сильно искажают сеть подмагничиванием трансформатора. В промышленности стандартом являются мостовые схемы (схема Гретца), которые используют обе полуволны напряжения.

На рис. 2, а изображена однофазная мостовая схема. Она содержит четыре тиристора (VS1-VS4).

Конфигурация подключения:

Сплошная линия \( E_{пр} \) — подключение для выпрямительного режима.
Штриховая линия \( E_{ист} \) — подключение для инверторного режима (перевернутая полярность).

4.1. Универсальность преобразователя

С точки зрения топологии, схема управляемого выпрямителя и ведомого инвертора идентична. Это позволяет создавать реверсивные преобразователи, способные мгновенно менять направление потока энергии, просто изменяя фазовый угол управления \( \alpha \). Такие системы называются «Преобразователи переменного тока в постоянный и наоборот» (AC/DC двунаправленные конвертеры).

4.2. Влияние угла управления \(\alpha\) (Рис. 2 б-е)

Рассмотрим, как меняется режим работы в зависимости от угла \( \alpha \), предполагая, что индуктивность \( L_d \) бесконечно велика (\( \omega L_d \to \infty \)), что обеспечивает идеально гладкий ток (режим непрерывного тока).

Рис. 2. Серия диаграмм выпрямленного напряжения ud для углов α = 0, π/4, π/2, 2π/3, π

б) α=0 — полное выпрямление.
в) α=π/4 — выпрямление с провалами.
г) α=π/2 — напряжение равно 0 (граничный режим).
д) α=2π/3 — инверторный режим (отрицательное среднее напряжение).
е) α=π — полный инверторный режим.

Угол управления (\( \alpha \))	Режим работы	Среднее напряжение (\( U_d \))	Описание процесса
\( 0 \le \alpha < \pi/2 \)	Выпрямительный	Положительное (\( > 0 \))	Энергия идет из сети в нагрузку. Тиристоры открываются в начале полупериода. Максимальная мощность при \( \alpha = 0 \).
\( \alpha = \pi/2 \)	Граничный (Нулевой)	Равно нулю (\( = 0 \))	Активная мощность не передается. Происходит лишь обмен реактивной мощностью. Ток в реакторе поддерживается, но полезной работы не совершается (при отсутствии потерь).
\( \pi/2 < \alpha < \pi \)	Инверторный	Отрицательное (\( < 0 \))	Напряжение \( U_d \) становится встречным току \( I_d \). Это означает, что источник тока совершает работу, проталкивая ток против потенциала. Энергия возвращается в сеть.

Формула среднего выпрямленного напряжения для мостовой схемы (при непрерывном токе):

U_d = U_{d0} \cos \alpha = \frac{2\sqrt{2}U_2}{\pi} \cos \alpha

Где:

\( U_{d0} \) — напряжение идеального холостого хода при \( \alpha = 0 \);
\( U_2 \) — действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Как видно из формулы, при \( \alpha > 90^\circ \), косинус становится отрицательным, что математически подтверждает переход в инверторный режим.

5. Спектральный состав и коэффициент мощности

На рис. 3 представлены диаграммы напряжения сети и входного тока \( i_c \) инвертора на стороне сети. При принятом допущении о бесконечной индуктивности (\( L_d \to \infty \)) входной ток имеет форму меандра (прямоугольные импульсы).

Рис. 3: Диаграммы тока и напряжения. Показаны графики uc (синусоида) и ic (прямоугольный ток) для разных углов α:

1. α=0 (ток в фазе с напряжением).
2. α=π/2 (ток сдвинут на 90 градусов).
3. α=π (ток в противофазе).

Если учесть только первую гармонику этого тока, то для различных режимов работы можно составить векторные диаграммы, показанные на рис. 4. Тиристорный преобразователь с естественной коммутацией работает в двух квадрантах комплексной плоскости.

Рис. 4: Векторные диаграммы первой гармоники тока. Круговая диаграмма на комплексной плоскости.

I квадрант: Режим выпрямления (активная P>0, реактивная Q>0).
II квадрант: Режим инвертирования (активная P<0, реактивная Q>0).
Показано вращение вектора тока при изменении угла α.

5.1. Векторные диаграммы (Рис. 4)

Векторные диаграммы первой гармоники тока показывают фундаментальную проблему зависимых инверторов: потребление реактивной мощности.

В выпрямительном режиме ток отстает от напряжения на угол \( \approx \alpha \).
В инверторном режиме ток также сдвинут относительно напряжения, и фазовый сдвиг \( \varphi \) превышает 90 градусов.

Это означает, что независимо от режима (выпрямление или инвертирование), преобразователь с естественной коммутацией всегда потребляет реактивную мощность из сети. Для инвертора это особенно критично, так как он отдает активную мощность \( P < 0 \), но потребляет реактивную \( Q > 0 \). Это требует установки компенсирующих устройств (конденсаторных батарей) на подстанциях.

6. Главная опасность: «Опрокидывание» инвертора

Эксплуатация ведомых инверторов сопряжена с риском аварийного режима, называемого «опрокидыванием» (inverter fault / commutation failure). Это ситуация, когда тиристор, который должен был закрыться, остается открытым, а следующий по очереди тиристор также открывается. Это приводит к короткому замыканию цепи постоянного тока через тиристорный мост.

ВАЖНО: Угол опережения включения \( \beta \) (где \( \beta = \pi — \alpha \)) не может быть сколь угодно малым.

Для успешной коммутации необходимо соблюдать условие:
\[ \beta \ge \delta + \gamma \]
Где:

\( \delta \) (дельта) — угол восстановления запирающих свойств тиристора (время, необходимое для рекомбинации носителей заряда в p-n переходах, обычно соответствующие \( 10 \dots 15^\circ \) электрическим).
\( \gamma \) (гамма) — угол коммутации. Это время, в течение которого ток переходит с одного тиристора на другой. Оно не равно нулю из-за индуктивности рассеяния трансформатора.

Если угол \( \beta \) станет меньше критического минимума (например, из-за просадки напряжения сети или сбоя системы управления), коммутация сорвется, и произойдет тяжелая авария.

7. Сравнительная таблица: Выпрямитель vs Инвертор

Для закрепления материала приведем итоговое сравнение двух режимов работы одного и того же тиристорного моста.

Параметр	Режим выпрямления	Режим зависимого инвертирования
Направление потока энергии	Сеть AC \( \to \) Нагрузка DC	Источник DC \( \to \) Сеть AC
Угол управления (\( \alpha \))	\( 0^\circ \dots 90^\circ \)	\( 90^\circ \dots (180^\circ — \beta_{min}) \)
Полярность напряжения \( U_d \)	Положительная	Отрицательная (относительно клемм выпрямителя)
Направление тока \( I_d \)	Неизменное	Неизменное (тиристоры проводят ток только в одну сторону)
Потребление реактивной мощности	Да (индуктивный характер)	Да (индуктивный характер), часто выше, чем при выпрямлении
Устойчивость	Высокая (естественная коммутация стабильна)	Пониженная (риск опрокидывания при сбоях сети)

8. Интересные факты о ведомых инверторах

Эффект бумеранга. Именно благодаря ведомым инверторам существует рекуперативное торможение в метро и на ж/д транспорте. Когда поезд тормозит, его двигатели превращаются в генераторы, а инвертор возвращает эту энергию обратно в контактную сеть, позволяя другому поезду тронуться с места. Без этой технологии тоннели метро перегрелись бы за считанные часы.
Ртутные предки. Первые мощные инверторы, ведомые сетью, были созданы задолго до кремниевых тиристоров. В середине XX века для передачи энергии от Волжской ГЭС в Москву использовались гигантские ртутные вентили — игнитроны. Они светились мистическим голубым светом и требовали вакуумных насосов для работы.
Энергетический парадокс. Ведомый инвертор — это уникальное устройство, которое отдает в сеть активную мощность (полезную работу), но при этом потребляет из сети реактивную мощность. Чем глубже регулирование, тем хуже коэффициент мощности, из-за чего на подстанциях приходится ставить огромные батареи конденсаторов.
Опасная тишина. В отличие от солнечного инвертора для дома, ведомый инвертор абсолютно беспомощен без внешней сети. Если на подстанции произойдет авария и напряжение исчезнет, он не сможет работать автономно ни секунды — для закрытия его тиристоров жизненно необходимо внешнее переменное напряжение.
Масштаб имеет значение. Самые мощные в мире ведомые инверторы работают на вставках постоянного тока (HVDC). Они способны перекачивать гигаватты мощности между энергосистемами целых стран (например, между Россией и Финляндией), при этом осуществляя инвертирование при напряжениях до 800 000 Вольт.
Геометрия управления. Математически переход из режима выпрямления (зарядка) в режим инвертирования (разрядка) — это просто сдвиг фазы импульса управления. Как только угол «альфа» переваливает за 90 градусов, косинус в формуле напряжения становится отрицательным, и физика процесса переворачивается с ног на голову.
Ахиллесова пята. Самый страшный сон эксплуатационщика такого оборудования — «прорыв инвертора». Если в сети произойдет кратковременный провал напряжения («мигание» света), тиристор не успеет закрыться, и постоянный ток прорвется напрямую, вызывая тяжелейшее короткое замыкание, способное разрушить предохранители размером с руку.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем главное отличие ведомого инвертора от автономного?

Главное отличие кроется в источнике коммутации. В автономном инверторе (как в ИБП или частотном преобразователе) используются полностью управляемые ключи (IGBT/MOSFET), которые могут выключаться по команде контроллера в любой момент. Ведомый инвертор использует тиристоры, которые не могут выключиться сами — им нужно, чтобы внешняя сеть (ведомая ЭДС) на мгновение создала обратное напряжение. Поэтому ведомый инвертор не может работать без розетки.

Что такое «опрокидывание» инвертора и почему оно происходит?

Опрокидывание — это аварийная потеря управляемости, когда тиристор не успевает восстановить свои запирающие свойства до начала положительного полупериода напряжения сети. В результате ток продолжает течь не в ту фазу, происходит короткое замыкание источника постоянного тока. Причины: слишком малый угол опережения, просадка напряжения в сети или сбой в системе управления импульсами.

Почему угол управления альфа не может быть равен 180 градусам?

Теоретически, при 180 градусах (чистая противофаза) напряжение инвертирования было бы максимальным. Однако тиристору нужно физическое время (время выключения \(t_{q}\)), чтобы рекомбинировать носители заряда и закрыться. Если дотянуть управление до 180 градусов, на закрытие не останется времени, и произойдет опрокидывание. Поэтому всегда оставляют запас — угол экстинкции (обычно 15–20 градусов).

Зачем нужен сглаживающий реактор Ld в цепи постоянного тока?

Реактор играет критическую роль буфера. Во-первых, он сглаживает пульсации тока, делая его непрерывным, что важно для стабильной работы. Во-вторых, он ограничивает скорость нарастания аварийного тока при опрокидывании. В-третьих, именно энергия, запасенная в реакторе, помогает «продавливать» ток в сеть в моменты, когда мгновенное напряжение сети выше ЭДС источника.

Где сегодня применяются ведомые сетью инверторы?

Несмотря на развитие транзисторной техники, тиристорные ведомые инверторы незаменимы там, где нужны огромные мощности и надежность. Это: 1) Линии электропередачи постоянного тока (HVDC); 2) Электроприводы шахтных подъёмных машин и прокатных станов (мегаваттный класс); 3) Тяговые подстанции электрифицированных железных дорог; 4) Системы возбуждения мощных синхронных генераторов на электростанциях.

Заключение

Инверторы, ведомые сетью, являются краеугольным камнем мощной преобразовательной техники. Несмотря на развитие транзисторной техники (IGBT, MOSFET) и ШИМ-инверторов, тиристорные зависимые инверторы остаются незаменимыми в области сверхвысоких мощностей: в линиях электропередачи постоянного тока (HVDC), в электроприводе мегаваттного класса (прокатные станы, шахтные подъемники) и на электрифицированном транспорте. Понимание физики их работы, особенно процессов коммутации и ограничений по углам управления, является обязательным для квалифицированного инженера-электрика.

Нормативная база

IEC 60146-1-1-2024 — «Полупроводниковые преобразователи. Общие требования и преобразователи с линейной коммутацией. Часть 1-1. Спецификация базовых требований». Описывает основные определения и методы испытаний.
ГОСТ 24607-88 — «Преобразователи полупроводниковые. Методы испытаний».
ГОСТ 32144-2013 — «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения». Регламентирует допустимый уровень высших гармоник, генерируемых инвертором в сеть.

Список рекомендуемой литературы

Розанов, Ю. К. Силовая электроника : учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2024. — 412 с.
Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники : учебник для бакалавров и специалистов / Г. С. Зиновьев. — 5-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 670 с.
Забродин, Ю. С. Промышленная электроника : учебник для вузов / Ю. С. Забродин. — Москва : Высшая школа, 1982 (и стереотипные переиздания). — 496 с.