УНІВЕРСИТЕТ 9 страница

(1.14)

(1.15)

де k_сх – коефіцієнт схеми (для мостової схеми складає k_сх = 2,34).

Рис. 1.10. Діаграми напруги і алгоритм роботи вентилів у трифазному

мостовому випрямлячі при a = 0, L_d = 0 (а); діаграми миттєвих

значень випрямленої напруги і струмів (б)

Вплив кута керування тиристорами на форми напруги і струму розглянемо на прикладі роботи трифазного мостового випрямляча на активно-індуктивне навантаження.

При збільшенні кута a тривалість провідності вентиля залишається незмінною: l = . Однак інтервал провідності зміщається в бік менших значень миттєвої напруги. Якщо значення кута перевищить деяке граничне значення a_гр, настає режим переривчастого струму. Наприклад, при переривчастому струмі вентиль VS1 у фазі А вимикається раніш ніж буде поданий імпульс керування на вмикання вентиля VS2 у фазі C (рис. 1.11). Очевидно, що для вмикання тиристора VS2 необхідно з вихідного каскаду системи імпульсно-фазового керування тиристором VS2 подати імпульс керування U_2.2 на тиристор VS2 і U_2.1 - на тиристор VS1; при вмиканні тиристора VS3 подати імпульси керування U_3.3 на тиристор VS3 і U_3.2 - на тиристор VS2 і т.д. Таким чином, в мостових схемах у більшості режимів, на кожен тиристор повинні подаватися два імпульси керування зі зрушенням , або один широкий імпульс з тривалістю .

Середнє значення випрямленої напруги в режимі безперервного струму розраховується за виразом (1.13). Для імпульсу фазної напруги граничне значення кута a_гр розраховується

(1.16)

Вмикання додаткової індуктивності в ланцюг навантаження зміщає зону переривчастого струму в область великих кутів керування.

1.4.3. Електричні параметри вентилів

Вибір вентилів для схем випрямлення виконується на підставі аналізу граничних електричних параметрів: діючого струму вентиля, робочої напрузі і максимальній зворотній напрузі.

У багатофазних схемах максимальне значення струму буде при куті вмикання вентиля α. = 0. Середнє значення струму вентиля в трифазних схемах дорівнює

. (1.17)

Рис. 1.11. Алгоритм роботи вентилів у мостовому випрямлячі і діаграми

струмів і напруг на навантаженні; a=p/3, L_d = 0

Діюче значення струму вентиля

. (1.18)

Робоча напруга в прямому напрямку

. (1.19)

Максимальна зворотна напруга в трифазній схемі з нульовою точкою

. (1.20)

Максимальна зворотна напруга в мостовій трифазній схемі

. (1.21)

1.5. Фізичні процеси в КВ при комутації вентилів

Комутацією у випрямлячі називається процес переходу струму з одного вентиля на іншій. Припустимо, що спочатку усі вентилі вимкнені і струму у ланцюзі немає. Потім на один вентиль подається вимикаючий імпульс. На вторинній стороні трансформатора утворюється один замкнутий контур, по якому починає проходити струм, зростаючи від нуля. У цьому контурі вторинна ЕРС трансформатора врівноважується зустрічно діючою ЕРС двигуна, падінням напруги на активних опорах і ЕРС самоіндукції обмоток трансформатора та дроселя.

З того моменту, коли вторинна ЕРС почне зменшуватися, зменшується і струм у контурі. При великих кутах керування і малої індуктивності струм встигне зменшитися до нуля раніш, ніж відімкнеться вентиль у наступній фазі. При вмиканні наступного вентиля процеси повторюються. У такому режимі струм має переривчасту форму. У режимі безперервного струму наступний вентиль вмикається раніш, ніж струм у попередній фазі досягне нуля. Отже, якийсь час будуть проводити струм два вентиля. Утвориться другий замкнутий контур комутації, у якому напруги двох фаз замкнуті накоротко на вторинні обмотки трансформатора. Випрямлений струм стає рівним сумі струмів двох фаз. Струм першого вентиля буде зменшуватися, а струм другого вентиля – збільшуватися від нуля. Під час комутації струм навантаження дорівнює сумі струмів двох фаз. Коли струм першого вентиля зменшиться до нуля, залишиться ввімкнутим тільки другий вентиль. Інтервал роботи двох вентилів називається інтервалом “перекриття”, або “інтервалом комутації” та характеризується кутом комутації g. У деяких схемах можливі і більш складні види комутації: до моменту вмикання третього вентиля ввімкнуті перший і другий, тобто одночасно ввімкнуті три вентилі і т.д..

Тривалість процесу комутації залежить від часу, необхідного для зменшення електромагнітної енергії індуктивності обмотки трансформатора першої фази до нуля. Тому що електромагнітна енергія залежить від сили струму, час комутації також залежить від сили струму навантаження. При розгляді процесів комутації задача зводиться до з'ясування впливу їх на випрямлену напругу.

Під час комутації процеси в ланцюзі можна описати рівнянням для одного контуру, в якому ЕРС мережі живлення дорівнює напівсумі напруг фаз, які комутуються, а індуктивності обмоток трансформатора з'єднані паралельно:

. (1.22)

Еквівалентна схема, яка відповідає рівнянню (1.22), показана на рис. 1.12.

При розгляді процесів комутації з метою спрощення математичного опису приймають наступні припущення:

- не враховується активний опір обмоток трансформатора;

- індуктивність ланцюга навантаження приймають рівною нескінченності,

- струм – ідеально згладжений;

- струм у процесі комутації змінюється за лінійним законом.

Вираз, який дозволяє оцінити зниження випрямленої напруги за рахунок комутації вентилів, має вигляд

(1.23)

Величину R_кназивають опором комутації

(1.24)

X_т – індуктивний опір вторинної обмотки трансформатору.

По природі своєї опір комутації носить індуктивний характер, тому що він обумовлений впливом індуктивності розсіювання обмоток трансформатора. Але стосовно зовнішнього ланцюга, його вплив еквівалентний впливу активного опору. Рівняння комутації КВ має вигляд

Рис. 1.12. Еквівалентні схеми випрямляча та діаграми струмів

і напруги при комутації вентилів.

, (1.25)

де g - кут комутації.

В окремому випадку, якщо a = 0, формула знаходження кута комутації випрямляча у некерованому режимі має вигляд

(1.26)

1.6. Робота КВ на активно – індуктивне навантаження і ЕРС

При використанні керованого випрямляча, як джерела живлення електродвигуна постійного струму або акумуляторної батареї, ускладнюється аналіз фізичних процесів. Це зв'язано з тим, що для тиристорного перетворювача (ТП) зазначені пристрої являють собою активно-індуктивне навантаження з противо - ЕРС. Наявність ЕРС у ланцюзі випрямленого струму впливає на фізичні процеси і режим роботи перетворювача: при заданому куті вмикання вентиля сила струму і випрямлена напруга залежать як від параметрів ланцюга навантаження, так і від значення ЕРС.

Роботу перетворювача з ЕРС у ланцюзі навантаження пояснюють приведені на рис.1.13 діаграми струмів і напруг. Якщо кут керування a = 0, а значення ЕРС менше напруги мережі в точках природної комутації, т.е , то ЕРС не впливає на форму струму і напруги на навантаженні. Це пояснюється тим, що в позитивний напівперіод напруги мережі, навіть при куті a = 0 вентиль вмикається тільки з моменту порівняння миттєвої напруги мережі і ЕРС

U_m siny₀ = E. (1.27)

Звідси видно, що початковий кут вмикання вентиля y₀ є функцією ЕРС

. (1.28)

Вимкнеться вентиль при активному навантаженні також у момент порівняння миттєвої напруги мережі і ЕРС. Кут вимкнення дорівнює

a_вимкн = p - y₀, (1.29)

імпульсу струму

l = p – 2y₀, (1.30)

а характер струму буде переривчастим (рис. 1.13).

Напруга на навантаженні складається з напруги мережі на інтервалі провідності вентиля і ЕРС двигуна під час паузи. Середнє значення випрямленої напруги визначається за виразом

(1.31)

Рис. 1.13. Діаграми напруги і струму в ланцюзі навантаження

з ЕРС та a = 0; Ld = 0

З приведених діаграм на рис.1.14 видно, що при значеннях кута керування a₀ < y₀ вентиль ввімкнути неможливо. При активно – індуктивному навантаженні вентиль не вимкнеться в момент порівняння миттєвої напруги мережі і ЕРС. Запасена в індуктивності ланцюга електромагнітна енергія витрачається на підтримку протікання струму. Струм навантаження може бути як безперервним, так і переривчастим, що буде визначатися величиною сумарної індуктивності електричного кола. Область переривчастого струму зменшується при збільшенні індуктивності навантаження L_d.

Рис. 1.14. Діаграми напруги і струму в ланцюзі

навантаження з ЕРС, α = p/3

1.7. Зовнішня характеристика керованого випрямляча

Зовнішньою характеристикою керованого випрямляча називається залежність вихідної напруги КВ від струму навантаження при заданому куті керування.

Рис. 1.15. Зовнішня характеристика КВ в першому квадранті

Зовнішня характеристика нереверсивного КВ складається з двох характерних ділянок. Ділянка характеристики при роботі КВ у режимі безперервних струмів лінійна. Для її побудови досить скористатися рівнянням зовнішньої характеристики

(1.32)

де R_п – внутрішній опір перетворювача;

DU_v – падіння напруги на тиристорах.

Напруга на виході КВ у режимі ідеального холостого ходу (I_d = 0) визначається за виразами

, якщо a₀<p/2, (1.33)

, якщо a₀³p/2. (1.34)

Складніше визначити напругу і струм в області переривчастого струму. Умови, при яких струм стає переривчастим знаходяться в результаті рішення рівняння Кирхгофа для ланцюга з вентилем і ЕРС:

. (1.35)

Розділивши на величину WL_d, одержимо

(1.36)

Результатом рішення буде рівняння, яке описує миттєве значення струму

. (1.37)

В режимі переривчастого струму i_d0 = 0. У цьому випадку

. (1.38)

Як відомо, у двигуні постійного струму зі зменшенням струму навантаження збільшується швидкість обертання і, відповідно, збільшується ЕРС обертання. При незмінному куті вмикання a при деякому значенні Е_гр настає режим переривчастого струму.

Підставивши в (1.35) Ωt = l = 2p/p і i_d(t) = 0, після перетворень одержимо

(1.39)

Увівши відносні одиниці

E* = E / U_m; I* = I_d / I_dm; I_dm = U_m / R_d; R_d / Z = cos q,

одержимо:

(1.40)

Середнє значення граничного струму:

(1.41)

Режим переривчастих струмів характеризується відмінності залежності U_da = f(I) від лінійної в результаті того, що ЕРС у ланцюзі навантаження виявляється більше, ніж напруга ТП, котра існувала б при даному куті a і безперервному струмі. Оскільки режим переривчастих струмів виникає при малих струмах, для спрощення розрахунків зневажають падінням напруги в якірному ланцюзі. Тоді

(1.42)

де u_d, e_d – миттєві значення напруги перетворювача і ЕРС;

L_яц = L_d + L_тp – повна індуктивність ланцюга якоря.

(1.43)

Звідси можна одержати спрощений вираз для находження середнього значення граничного струму

, (1.44)

.

де E_гр = U_d0 × cos a.

Максимальне значення граничного струму буде при значенні кута керування a = :

(1.45)

Поділивши вираз (1.44) на (1.45), одержимо

. (1.46)

У свою чергу

. (1.47)

Так як: sin² a + cos² a = 1, одержимо зв'язок між граничним струмом і напругою на виході перетворювача

, (1.48)

Т.є. залежність, яка окреслює зону переривчастого струму представляє собою частину еліпса (рис 1.15).

Для побудови залежності U_da = f(I_я)у зоні переривчастого струму можна скористатися виразами для середніх значень ЕРС і струму в спрощеному вигляді:

; (1.49)

(1.50)

При I_d = 0

(1.51)

При заданому куті a, задаючись тривалістю імпульсу струму: 0 < l < , знаходять E_д і I_d за виразами (1.49, 1.50).

1.8. Регулювальна характеристика випрямляча

Якщо тиристорний перетворювач розглядати без системи імпульсно-фазового керування, виділивши його в окрему ланку, то вхідним сигналом буде кут керування. Залежність випрямленої напруги від кута керування називається регулювальною характеристикою.

Повне падіння напруги, як показано раніше, залежить від явища комутації, падіння напруги на опорах обмоток трансформатора і вентилях. Тому що цілком реалізувати умови, які відповідають регулювальній характеристиці не вдається, її розраховують для режиму граничного струму, зневажаючи сумарним опором перетворювача. У цьому випадку напруга на виході перетворювача для всіх схем КВ буде визначатися (1.13):

U_da = U_d0 cos a. (1.52)

При цьому в багатофазних схемах кут керування a відраховується від точки природної комутації, в однофазних – від точки переходу напруги мережі живлення через нуль.У режимі переривчастого струму напруга на виході випрямляча залежить, при заданому куті керування, від значення індуктивності ланцюга і противо – ЕРС. При відсутності ЕРС і активно-індуктивному опорі навантаження регулювальні характеристики показані на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Регулювальні характеристики керованих випрямлячів:

а – однофазного двохнапівперіодного; б – багатофазних.

У режимі переривчастого струму характеристика розташовується в області, обмеженої кривими з відповідними значеннями індуктивності ланцюга – нуль і нескінченність. Якщо врахувати падіння напруги на вентилях DU_v, то напруга на виході у випрямному режимі зменшується на DU_v, (в інверторному режимі ТП збільшується на те ж значення).

Для побудови ділянки зовнішньої характеристики перетворювача в режимі переривчастого струму можна скористатися виразом для середніх значенні ЕРС і струму навантаження (1.49, 1.50). Задаючись кутовою тривалістю протікання струму в межах 0 < λ < 2π/p можна визначити відповідні цієї тривалості значення напруги U_dα, а потім середнє значення струму, яке визначає точку на зовнішній характеристиці.