Преобразователи постоянного тока 3 страница

Ток i_K направлен навстречу току i_V2 запираемого тиристора V2 и согласно с током i_V1 открывающего V1. Поэтому ток i_V2 будет уменьшаться, а i_V1 – увеличиваться.

При Θ =α+ γ ток i_V2= i_К , поэтому i_V2 - i_К =0, V2 запирается, i_V1 = I_d вентиль V1 полностью отпирается.

В момент Θ = Θ₂ начинается коммутация тока с V1 на V2, а заканчивается при Θ = Θ₂ + γ. Далее процессы повторяются.

Длительность прохождения тока через вентили увеличивается и составляет уже не π, а π + γ (рис.21,г).

Среднее значение выпрямленного тока I_d связано с углом коммутации γ и углом α соотношением

,

где χ_s – индуктивное сопротивление рассеяния, входящее в контур коммутации.

Из последнего выражения получаем уравнение коммутации

.

Обозначим при α = 0 угол коммутации γ = γ₀, тогда уравнения коммутации будет иметь вид

.

Подставляем в исходное уравнение, получим

,

откуда

Согласно последнему выражению с ростом α уменьшается угол γ. Физическая сущность этого явления состоит в том, что с увеличением α растёт напряжение, под действием которого развивается ток i_K в контуре коммутации и, следовательно, до значения I_d он растает быстрее.

Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на напряжение U_d. Поскольку на время коммутации выпрямитель замыкается накоротко, средняя величина выпрямленного напряжения уменьшается по сравнению со случаем идеальной коммутации на величину заштрихованных площадок (рис.21,в).

Снижение выходного напряжения выпрямителя учитывается как падение напряжения на индуктивном сопротивлении X_s.

Величина может быть найдена как интеграл от вторичного напряжения обмотки за время коммутации

Значение не зависит от угла α.

Средние значения выпрямленного напряжения с учётом равно

Процессы, возникающие при коммутации, оказывают влияние также на форму напряжения, прикладываемого к вентилю (рис.21,д), и токов вторичной и первичной обмоток (рис.21,е).

Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении приводит к изменению его гармонического состава.

Угол коммутации влияет и на гармонический состав первичного тока, потребляемого выпрямителем.

2.3.2. Процессы коммутации в многофазных схемах выпрямления.

Трёхфазная схема со средней точкой

Эквивалентная схема показана на рисунке 24,а, для момента коммутации тока с V1 на V2.

Во внекоммутационный интервал ток проводит всегда один вентиль. Например, в промежуток Θ₂ – Θ₁ включён V1. В момент Θ₂ подаётся импульс на V2. П од действием коммутирующей э.д.с. в контуре, содержащем тиристоры V1 и V2, возникает ток КЗ i_K (рис.24,а), ограничиваемый двойной фазной индуктивностью L_s. Под действием тока i_K V2 открывается, а V1 запирается за время γ (рис.24,б,в). При Θ ≥ Θ₃ в схеме проводит один вентиль V2.

Длительность проводимости каждого вентиля

Уравнение коммутации для данной схемы

В отличие от однофазных схем мгновенное выпрямленное напряжение u_d в интервале коммутации не равно нулю, а определяется полусуммой фазных напряжений коммутируемых вентилей . Это выражение описывает синусоиду с амплитудой .

При определении U_d из расчёта исключаются площадки, обозначенные штриховкой на рисунке 24, б.

Величина индуктивного падения напряжения равна:

Среднее выпрямленное напряжение:

Наличие коммутации вызывает появление в кривой u_V1 резких изменений напряжения в моменты включения и выключения вентилей (рис. 24, г).

Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Для интервала коммутации схема изображена на рисунке 22,б.

В момент Θ₁ в анодной группе проводит V2, а в катодной начинается коммутация V1 и V3.

Контур коммутации (пунктир на рис.22,б) не отличается от аналогичного контура в трёхфазной нулевой схеме (рис.24,а).

Уравнение коммутации имеет вид:

При расчёте индуктивного падения напряжения нужно учесть, что в мостовой схеме по сравнению с нулевой число площадок (заштрихованы на рис. 22, в), определяющих снижение выпрямленного напряжения, равно шести, а не трём за период сетевого напряжения

Среднее выпрямленное напряжение в мостовой схеме

2.3.3. Внешние характеристики выпрямителей.

Эта зависимость и охватывает все режимы работы преобразователя, начиная от холостого хода и кончая КЗ. Для управляемых выпрямителей существует семейство внешних характеристик, соответствующих различным углам регулирования α.

При возрастании нагрузки выпрямителя его выходное напряжение уменьшается за счёт падения напряжения во внутренних элементах схемы выпрямителя, которое можно разделить на следующие составляющие:

¾ индуктивное падение напряжения ;

¾ падение напряжения в вентилях , которое можно считать постоянным, не зависящим от тока нагрузки;

¾ падение напряжения на активных сопротивлениях схемы . Оно рассчитывается как сумма падений напряжений на коммутационном и внекоммутационных интервалах.

Внешние характеристики однофазных выпрямителей.

В однофазных выпрямителях от холостого хода до КЗ существует лишь один режим работы, и внешняя характеристика описывается одним уравнением:

Для нулевой схемы ,

где - падение напряжение на вентиле.

Для мостовой схемы .

Активное падение напряжения для обеих схем рассчитывается по выражению

,

где - эквивалентное активное сопротивление фазы силового трансформатора;

- приведенное к вторичной обмотке активное сопротивление фазы первичной обмотки;

- активное сопротивление фазы вторичной обмотки.

Внешние характеристики трёхфазных выпрямителей.

В трёхфазном мостовом выпрямителе с ростом тока нагрузки изменяются режимы работы схемы.

Границы этих режимов определяет угол коммутации γ (рис. 23).

Рассмотрим неуправляемый выпрямитель (α = 0) и пренебрегаем падениями напряжения на активных сопротивлениях и вентилях.

I режим. При токах нагрузки , близких к номинальному значению , длительностью проводимостей вентилей и выпрямитель (рис.22,а) характеризуется I режимом работы (рис.23). Внешняя характеристика рассчитывается по , и она линейна.

В этом режиме во внекоммутационный период работают два вентиля V1 и V2, а в интервале коммутации – три вентиля V1, V2, V3.

II режим с ростом тока нагрузки () величина угла γ увеличивается

,

а это приводит к расширению интервала одновременной работы вентилей.

При достижении углом γ значения наступает II режим работы выпрямителя.

Во II режиме в схеме проводят всегда три вентиля, причём длительность проводящего состояния вентиля равна .

При дальнейшем увеличении I_d во II режиме угол коммутации остаётся постоянным равным .

Начало процесса коммутации будет задерживаться на некоторое время, характеризуемое появлением некоторого дополнительного угла регулирования α^/.

В этом режиме начало коммутации вентилей в одной группе совпадает по времени с концом коммутации в другой группе.

Уравнение внешней характеристики во II режиме:

Внешняя характеристика во II режиме представляет собой дугу эллипса.

Конец внешней характеристики в I режиме должен стыковаться с началом внешней характеристики во II режиме.

Граничные значения тока и напряжения , при которых происходит эта стыковка

II режим работы выпрямителя заканчивается при токе нагрузки , когда сумма , и фактический угол .

III режим. При дальнейшем увеличении I_d угол будет оставаться постоянным при , а угол коммутации начнёт увеличиваться.

При этом наступает III режим работы выпрямителя ( рис. 23).

Напряжение и ток , при которых происходит сопряжение II и III режимов.

;

При γ = 60⁰ наступает момент двойного перекрытия вентилей, когда оказываются открытыми сразу четыре вентиля выпрямителя.

Уравнение внешней характеристики в III режиме

С возрастаниемтока нагрузки интервал одновременной работы четырёх вентилей расширяется.

При КЗ в схеме выпрямителя в любой момент времени одновременно пропускают ток четыре вентиля. При этом

Величина тока КЗ находится из (*) при

Внешняя характеристика мостового трёхфазного выпрямителя в относительных единицах полностью построена на рисунке 23.

Управляемый выпрямитель

I режим. Точное уравнение внешней характеристики:

,

где .

II режим. Наступает при условии . Ток нагрузки, при котором начинается II режим, находится из выражения

.

Внешняя характеристика управляемого выпрямителя во II режиме рассчитывается по уравнению эллипса, как для неуправляемого выпрямителя.

III режим. Внешняя характеристика описывается (*). Изложенные процессы и внешние характеристики справедливы при углах регулирования .

В выпрямителях, работающих с , режим постоянной работы трёх вентилей (II режим) отсутствует, и после I режима сразу наступает III режим. Это объясняется тем, что при достижении (граница I режима) значение , что характеризует III режим.

В управляемых выпрямителях при углах отсутствуют II и III режимы. Первый режим продолжается вплоть до КЗ (рис. 23).

Таким образом, при работе управляемого выпрямителя в диапазоне углов возможно существование всех трёх режимов работы, при имеет место I и III режимы, а при возможен только I режим работы выпрямителя.

2.4. Аварийные режимы.

Основные виды аварий можно разделить на две группы: внешние и внутренние.

К внешним авариям относят:

¾ КЗ в цепях нагрузки или питающей сети;

¾ перенапряжения, возникающие на стороне переменного тока;

¾ обрывы фаз;

¾ глубокие снижения напряжения (ниже допустимых) питающей сети.

Внутренние аварии обычно бывают вызваны повреждениями вентилей или нарушениями работы системы управления.

Расчёт аварийных токов ведут в о.е. и в качестве базисного тока принимается амплитудные значения установившегося тока КЗ:

где Е_ф,м – амплитудное значение фазной э.д.с.;

- суммарные активное и индуктивное сопротивления одной фазы эквивалентной схемы, приведённые к вторичной обмотке.

Трёхфазный мостовой выпрямитель.

КЗ на выходе выпрямителя в момент перехода э.д.с. фазы через нуль будет соответствовать максимальному аварийному току.

Максимальный ток в случае глухого внешнего КЗ не превышает .

Аварийный ток при пробое вентиля больше, чем при внешнем КЗ, т.е. может быть . В цепях неповреждённых вентилей аварийный ток не превышает .

Основными видами перенапряжений являются внешние, поступающие из сети (разряды молнии, отключение мощных нагрузок и т.п.) и перенапряжения, возникающие в моменты коммутации вентилей.

Для защиты от внешних перенапряжений обычно используют разрядники, от коммутационных перенапряжений применяют RC – цепочки, включенные параллельно вентилям.

Демпфирующие RC – цепочки могут быть также использованы для защиты от кратковременных внешних перенапряжений.

Фильтры.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения устанавливают сглаживающие фильтры. Эффективность их оценивают по их способности уменьшать пульсации, т.е. по значению коэффициента сглаживания S_c.

Коэффициентом сглаживания S_c называют отношение коэффициентов пульсаций входного (до фильтра) и выходного (после фильтра) напряжений:

- амплитуды первых гармоник выпрямленного напряжения до и после фильтра.

Фильтры с индуктивным входом применяются преимущественно в выпрямителях средней и большой мощности, а с емкостным – в маломощных при высоком сопротивлении нагрузки.

Индуктивный фильтр (L – фильтр) представляет собой реактор, включённый между вентильной схемой и нагрузкой. Напряжение на выходе вентильной схемы содержит постоянную составляющую U_d и переменную (пульсацию) u_~.

Постоянная составляющая не оказывает влияние на пульсацию, а в качестве переменной э.д.с. можно рассматривать только э.д.с. основной гармоники пульсации U_1м, так как она преимущественно определяет коэффициент пульсации.

Коэффициент сглаживания

Амплитуду переменной составляющей на нагрузке для L – фильтра можно выразить

,

где I_1м – амплитуда переменной составляющей тока нагрузки;

ω₁ – частота основной гармоники пульсации.

Итак, коэффициент сглаживания:

Откуда следует, что с приближением к режиму холостого хода (с увеличением ) коэффициент сглаживания стремится к единице.

Поэтому расчёт индуктивности фильтра производят для режима минимальной нагрузки, т.е. , _{max .}

Величину индуктивности реактора выбирают с точки зрения требования обеспечения непрерывности тока . Для того, чтобы выпрямленный ток не прерывался, необходимо выполнить условие .

Минимальная или критическая величина индуктивности реактора .

3. Инверторы

3.1 Инверторы, ведомые сетью

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный.

Преобразователь, осуществляющие процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока называется инвертором. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называется зависимым или ведомым сетью.

Инверторный режим возникает при работе выпрямителя на ОВ или якорь МПТ.

При нагрузке управляемого выпрямителя на ОВ, в кривой выпрямленного напряжения присутствуют отрицательные участки синусоиды фазного напряжения (например, в интервале Θ₃ - Θ₂ на рис.17,д). Площади этих участков соответствуют электромагнитной энергии, отдаваемой ОВ в питающую сеть.

При углах в среднем за интервал проводимости вентиля напряжение на нагрузке положительно, что и определяет этот режим, как режим выпрямления.

При среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю, что эквивалентно замыканию ОВ накоротко.

При , как следует из рисунка 17,д площадь отрицательных полуволн фазного напряжения превышает площадь положительных полуволн, в связи с этим среднее выходное напряжение преобразователя становится отрицательным. Это следует также из формулы .

Электромагнитная энергия, запасенная в ОВ в предшествующем выпрямительном режиме, отдаётся через трансформатор в сеть переменного тока. Токи через тиристоры проходят в прежнем направлении за счёт э.д.с. самоиндукции (полярность в кружках на рис.17,а).

Для осуществления инверторного режима ТП (рекуперативного режима двигателя) необходимо при перемене полярности э.д.с. Е_дв изменить направление напряжения ТП , что достигается увеличением угла .

На рисунке 26,а изображена форма противо э.д.с. инвертора при двух значениях угла управления. Противо э.д.с. двигателя Е_дв условно показана ниже оси абсцисс в виде прямой линии.

Из рисунка 26,а следует, что открывание вентилей происходит при отрицательных полуволнах напряжения. Разность между э.д.с. двигателя и мгновенным значением показана штриховкой. Вместо угла регулирования (запаздывания) α для характеристики инверторного режима используют угол опережения β, отсчитываемый влево от точки естественной коммутации вентилей (рис. 26). Углы α и β связаны соотношением β = π – α.

Инверторный режим может быть реализован только в схемах с управляемыми вентилями. Если принудительного включения последующего вентиля не произойдёт (например, V2 на рис. 26,а), то предыдущий вентиль V1 продолжает проводить и после точки естественной коммутации K_u1 (показано стрелками), так как ток через него поддерживается за счёт запаса электромагнитной энергии.

С момента перехода через нуль фазного напряжения u_a вентиль V1 оказывается открытым при положительном напряжении на аноде. При этом выходное напряжение изменяет знак (ТП переходит в выпрямительный режим) и действует согласно э.д.с. Е_дв, что вызывает КЗ в инверторе. Рассмотренное явление называется опрокидыванием инвертора.

Для исключения аварийных режимов необходимо при работе ТП в инверторном режиме не допускать снятия импульсов с тиристоров инвертора.

Процесс коммутации вентилей инвертора происходит, как в выпрямительном режиме (рис. 26, б).

На рисунке 26,б изображена кривая мгновенного значения противо э.д.с. инвертора с учётом угла коммутации γ. Для этого же случая на рисунке 26,в показана форма напряжения на вентиле V1, в котором присутствуют провалы напряжения, обусловленные коммутацией.

Выходящий из работы вентиль V1 должен восстановиться за время δ (рис.26,в), в течение которого к вентилю приложено обратное напряжение с амплитудой .

Если δ = 0, то V1 будет проводить и далее, так как к нему уже приложено положительное напряжение, что приводит к опрокидыванию инвертора.

Для устойчивой работы необходимо, чтобы угол δ превышал угол восстановления запирающих свойств тиристора. При частоте сети 50 Гц угол δ = 0,2÷2⁰эл. и связан с углами γ и β соотношением .

С увеличением I_d при данном β = const угол коммутации γ возрастает, что вызывает уменьшение угла запаса δ при инвертировании. При некотором значении I_d угол δ уменьшается до минимального значения, при котором происходит опрокидывание инвертора. Следовательно, существует предельное значение угла β, ограничиваемое величиной .

Если в области номинальных нагрузок инвертора γ = 20÷30⁰, то α_max = 158 ÷148⁰, = 22 ÷ 32⁰. Из формулы следует, что при постоянной нагрузке γ = const угол запаса при инвертировании δ уменьшается при снижении β, т.е. увеличение противо э.д.с. инвертора . Следовательно, чем больше противо э.д.с. инвертора, тем меньше допустимый инвертируемый ток. Линия предельного режима инвертирования (ограничительная характеристика) показана на рисунке 28 пунктирной линией для δ = δ_мин.