Управляемые тиристорные преобразователи

Тиристорные преобразователи чаще всего используются для якорного управления двигателей постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ). Источником энергии является сеть переменного тока. Принцип управления состоит в том, что в положительный полупериод вентиль, подобно ключу, открывается и подает напряжение к якорю лишь часть этого полупериода. Изменяя момент (фазу) открытия вентиля, меняют среднее значение напряжения на якоре и, таким образом, управляют двигателем.

Существует множество различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные и двухполупериодные схемы выпрямления.

Работу простой однополупериодной схемы иллюстрирует рис. 4.11. В интервале угла отпирания α = 0…180° к нагрузке подаётся напряжение u = U _msin(ωt). Так как нагрузка активная, кривая тока повторяет кривую напряжения. При ωt = 180°, когда ток равен 0, тиристор закрывается. Управление тиристором желательно осуществить коротким импульсом, переводящим тиристор в открытое состояние. Фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих схем. Одним из способов управления является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения U _оп (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления U _у. При их равенстве схема сравнения (СС) вырабатывает прямоугольный длинный импульс, который далее поступает на формирователь импульсов (ФИ), откуда в виде мощного короткого импульса поступает на управляющие электроды тиристора. Опорное напряжение вырабатывается генератором пилообразного напряжения (ГПН), синхронизированным с U _сети.

Процессы в выпрямителе усложняются, если нагрузка имеет активно-индуктивный характер, что имеет место при управлении двигателем (рис. 4.12). В отличие от предыдущего случая с активным сопротивлением нагрузки, когда напряжение проходит через нуль, ток не прекращается, а под действием ЭДС самоиндукции, создаваемой индуктивностью, продолжает протекать еще некоторое время, преодолевая отрицательное напряжение питающей фазы. Тиристор закрывается лишь в момент времени b, когда ток через него будет равен нулю.

Основные виды схем тиристорных преобразователей различают по числу фаз и характеру изменений тока в фазах за период напряжения сети.

Схемы в которых ток в каждой фазе протекает только в одном направлении называют однотактными или нулевыми. В них число периодов пульсаций выпрямленного напряжения за один период сети равно числу фаз. Это однофазная однотактная схема (рис. 4.13-а), однофазная двухтактная нулевая схема рис. 4.13-б), трехфазная нулевая схема (рис. 4.13-г);

Схемы в которых ток в каждой фазе протекает в обоих направлениях называют двухтактными или мостовыми. В них число пульсаций за период сети равно удвоенному числу фаз. Это однофазная мостовая схема (рис. 4.13-в), трехфазная мостовая схема (рис. 4.13-д);

Используют также составные схемы, в которых несколько выпрямителей соединены последовательно или параллельно. Это шестифазная схема (рис. 4.13-е), составлена из двух трехфазных нулевых схем, так чтобы выпрямленные токи каждой из простых схем суммировались в нагрузке. Вторичные обмотки силового трансформатора соединены по схеме звезда – обратная звезда, чтобы сдвинуть по фазе переменное напряжение для групп вентилей и сделать пульсность схемы равной шести. Дроссель с выводом от средней точки называют уравнительный реактор, который для каждой группы вентилей сохраняет величину угла проводимости как для простой нулевой схемы, т.е. 120 электрических градусов. Составная схема с последовательным соединением двух мостовых схем (рис. 4.13-ж) работает иначе. Вторичные обмотки силового трансформатора соединены по схеме звезда – треугольник, чтобы сдвинуть по фазе напряжение питания обоих мостов на 30 электрических градусов и тем самым обеспечить увеличение пульсности до двенадцати.

Включая в качестве нагрузки управляемых выпрямителей якорную цепь ДПТ НВ, получают возможность регулировать в широких пределах скорость двигателя за счёт изменения угла отпирания α. Мостовая схема управляемого выпрямителя (рис. 4.14-а), обеспечивающая малую пульсацию выходного напряжения. Управляющие сигналы подаются в последовательности Т₁-Т₆, Т₃-Т₂, Т₅-Т₄ и т.д., со сдвигом 60 электрических градусов. В каждый момент времени t открыты два тиристора (по одному в плече моста) и напряжения якоря определяется линейным напряжением:

. (4.2)

Механическая характеристика системы тиристорный преобразователь – ЭД прямолинейна, но ее жесткость меньше чем при питании от сети (рис. 4.14-б). В режиме, близком к холостому ходу возрастает ЭДС двигателя, ток уменьшается и наступает режим прерывистых токов. ЭД работает в двигательном режиме в 1-м квадранте; при α = 90° наступает режим динамического торможения; наклонной штриховкой на рис. 4.14-б выделен режим противовключения; и вертикальной штриховкой – генераторный режим, т.е. режим рекуперативного торможения или инверторный режим.

Промышленностью выпускается большое количество различных комплектных регулируемых тиристорных преобразователей – трехфазные, однофазные, с различным диапазоном регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока.

Динамические свойства тиристорного преобразователя определяются неполной управляемостью тиристоров и параметрами сети, ведущей преобразователь. В зависимости от исполнения СИФУ и его инерционности тиристорный преобразователь для линейного участка характеристики управления представляется передаточными функциями вида:

, (4.3)

, (4.4)

, (4.5)

где k _п, Т _п – соответственно, коэффициент усиления и постоянная времени тиристорного преобразователя, Т _п = 0,01…0,015 с;

τ _п – чистое запаздывание, τ _п = 0,007…0,015 с.

Математическое описание динамических процессов, протекающих в управляемом выпрямителе, является многовариантным, зависящим от требуемой степени адекватности, определяемой задачами конкретного исследуемого электропривода. Для выбора типа математической модели ТП вводится показатель К _р, равный отношению длительности переходного процесса в системе автоматического управления к длительности проводимости отдельного вентиля. При К _р < 10 применяют импульсные модели (4.5), при К _р < 30 – непрерывные нелинейные модели (4.4) и при К _р > 30 – упрощенные непрерывные модели (4.3). Чем большее значение имеет показатель К _р, тем менее точной моделью ТП можно воспользоваться при исследовании динамических процессов электропривода вплоть до представления ТП коэффициентом усиления k_п, но чаще применяют непрерывные модели ТП.