Преобразователи постоянного тока 4 страница

Максимальная амплитуда обратно напряжения (рис 26, в) находится из уравнения

.

На рисунке 27 показаны временные диаграммы для трёхфазного мостового инвертора. Длительность проводящего интервала каждого вентиля .

3.2. Внешние характеристики преобразователя в области прерывистых токов.

При снижении нагрузки преобразователя вследствие конечной величины индуктивности ОВ и ОЯ двигателя наступает режим прерывистых токов. Прерывистые токи неизбежны при переходе из выпрямительного в инверторный режим. В области прерывистых токов (рис. 30) ток в предыдущем вентиле заканчивается раньше, чем начинает проводить следующий вентиль. Длительность проводимости вентиля , поэтому в уравнении внешней характеристики

Отсутствует составляющая . Величина также мала, в связи с чем при вхождении в зону прерывистых токов выходное напряжение увеличивается.

Формы выходного напряжения и тока преобразователя в области прерывистых токов показаны на рисунке 30,а при его работе в выпрямительном и на рисунке 30,б – в инверторном режимах.

Уравнение кривой, разделяющей области непрерывного и прерывистого тока, имеет вид

,

где L_d и L_я – индуктивности дросселя в якорной цепи и якоря.

Уравнение (*) изображается в виде пунктирной кривой на рисунке 29. Граничные токи внешних характеристик преобразователя лежат на дуге эллипса. Выражение (*) позволяет по заданным значениям I_d и угла α найти необходимую индуктивность для обеспечения непрерывного тока.

3.3. Двухкомплектные реверсивные схемы ТП.

Рекуперативный режим МПТ можно осуществить только в реверсивных выпрямителях. Для осуществления генераторного режима электрической машины с отдачей энергии в сеть (инверторного режима ТП) необходимо:

¾ установить величину ;

¾ изменить полярность э.д.с. двигателя, прикладываемой к ТП в инверторном режиме.

Каждая группа вентилей двухкомплектного ТП проводит ток в одном из направлений. Все многочисленные схемы двухкомплектных ТП можно свести к двум типам:

¾ перекрёстные или восьмёрочные схемы;

¾ встречно-параллельные или противопараллельные.

В перекрёстных схемах (рис.31) каждый из комплектов 1V и 2V получает питание от изолированных групп вторичной обмотки. Дроссели L₁, L₂ и L_d служат для ограничения уравнительных токов и сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Если дроссели L₁ и L₂ не насыщаются, отпадает потребность в индуктивности L_d.

Во встречно-параллельных схемах (рис.32) оба комплекта 1V и 2V получают питание от одной группы вторичных обмоток, в связи, с чем габаритная мощность трансформатора на 21% меньше, чем в перекрёстных схемах. Анодные напряжения различных групп находятся в противофазе.

Различия в выполнении силовых схем ТП не являются принципиальными. Существенное влияние на статические и динамические характеристики реверсивных ТП и машин оказывает способ управления отдельными группами вентилей 1V и 2V. Используют два основных способа управления:

¾ совместное;

¾ раздельное управление группами.

3.3.1 Совместное управление реверсивными ТП

Отпирающие импульсы подаются одновременно на тиристоры обеих групп 1V и 2V. При этом один из комплектов (например, 1V) работает в выпрямительном, а второй (2V) – в инверторном режимах.

Рассмотрим работу реверсивного ТП на примере схемы рисунок 31. Для удобства рассмотрения инверторного режима будем использовать не угол β, а угол запаздывания .

Углы управления вентилями групп 1V и 2V обозначим соответственно α₁ и α₂.

Перед пуском двигателя устанавливаются . Для пуска двигателя необходимо уменьшить α₁ и тем самым перевести 1V в выпрямительный режим. Направление тока якоря при работе машины в двигательном режиме показано на рисунке 31 сплошными стрелками. Двигатель будет разгоняться до скорости, определяемой установленным углом α_1.

В то же время угол α₂ группы 2V должен возрастать, переводя её в инверторный режим. Причем α₂ должен быть таким, чтобы среднее напряжение на выходе группы 2V было больше э.д.с. двигателя. Это обуславливает запирание группы 2V и двигатель разгоняется.

В установившемся режиме двигатель получает питание от 1V, а группа 2V имеет и подготовлена к работе в качестве инвертора.

Для получения тормозного режима с рекуперацией энергии в сеть необходимо увеличивать α_1. При этом напряжение на выходе 1V снизится и станет меньше э.д.с. двигателя, в результате группа 1V запирается.

В то же время угол α₂ необходимо уменьшать (увеличивать β) для того, чтобы снизить величину среднего напряжения группы 2V, работающей в инверторном режиме.

Э.д.с. двигателя становится больше напряжения , и начинается рекуперативное торможение двигателя с отдачей энергии в сеть через группу 2V.

Направление тока якоря для данного случая показано на рисунке 31 пунктирной линией.

В процессе снижения скорости угол α₁ группы 1V нужно увеличивать, так как в противном случае при уменьшении скорости э.д.с. двигателя может оказаться ниже напряжения, , и двигатель начнет потреблять энергии от 1V, переходя в двигательный режим.

Для сохранения постоянства тока якоря и момента при торможении двигателя следует так же непрерывно уменьшать угол α₂ с тем, чтобы разносить .

Если к валу двигателя приложено внешнее воздействие, приводящее к возрастанию скорости двигателя, рекуперативный режим в схеме обеспечивается автоматически, при постоянном значении углов α₁ и α₂ без дополнительных переключений. В этом случае группа 1V запирается, а 2V работает в инверторном режиме.

Если после остановки двигателя не прекратить изменение углов α₁ и α₂ в указанных направлениях, произойдёт изменение направления вращения. При этом α₂ становится меньше π/2, и группа 2V переводится в выпрямительный режим и полярность напряжения на двигателе изменяется.

При дальнейшем возрастании α₁ величина его начинает превышать π/2, и группа 1V подготавливается для работы в инверторном режиме.

Изменение углов α₁ и α₂ продолжается до достижения установившейся скорости.

Торможение и реверсирование происходит аналогично изложенному выше.

При работе с двумя комплектами вентилей между работающими группами возможно появление уравнительного тока, величина которого зависит от соотношения между углами α и β. При равенстве средних значений напряжений групп = уравнительные токи возникают из-за различия их мгновенных значений.

Индуктивности уравнительных реакторов L₁, L₂ рассчитывают так, чтобы уравнительный ток был начально-непрерывным.

При неравенстве средних значений напряжений и между работающими группами возникает непрерывный уравнительный ток, который не ограничивается уравнительными реакторами. Чтобы избежать его появления, необходимо установить величину среднего напряжения инвертора равной или большей величины среднего значения выпрямителя, т.е. необходимо, чтобы α ≥ β.

Кроме того, соотношение углов α₁ и α₂ (β) значительно влияет на вид внешних характеристик реверсивного ТП.

Существует два способа согласования углов управления обоими комплектами вентилей – линейное и нелинейное.

При линейном согласовании исходят из равенства среднего значения напряжения на уравнительном реакторе = .

Указанное условие при нулевом значении среднего тока нагрузки ( = ) записывается так:

,

где - относительное падение напряжения на вентиле.

При ε = 0 эта формула превращается в линейную зависимость

.

Внешние характеристики при линейном согласовании (*) углов управления групп 1V и 2V изображены на рисунке 33,а. Линейность характеристик объясняется тем, что уравнительные токи создаёт ТП режим непрерывного тока при любых углах отпирания вентилей независимо от параметров нагрузки.

В то же время уравнительный ток не должен быть непрерывным (предельный случай – начально-непрерывный ток), так как он не может быть ограничен дросселями L₁, L_2.

Существенное снижение уравнительных токов достигается при нелинейном согласовании углов α₁, α₂ при котором э.д.с. инверторной группы больше э.д.с. группы, работающей в выпрямительном режиме. В этом случае соотношение между углами управления определяется формулой:

При нелинейном согласовании значительно уменьшается индуктивность уравнительных реакторов, но нарушается линейность внешних характеристик (рис.33,б).

В переходных режимах из-за различного быстродействия СУ выпрямителем и инвертором (при уменьшении и увеличении углов управления), а также из-за неполной управляемости вентилей соотношения (*) и (**) нарушаются.

Вследствие этого в реверсивном контуре возникает постоянная составляющая динамического уравнительного тока, которая может превышать его значение в статическом режиме в 15-20 раз.

Предотвратить появление динамического тока можно либо получив полностью идентичные динамические характеристики СУ, либо применив автоматический регулятор уравнительного тока, корректирующего сигнала управления группами 1V и 2V так, чтобы поддерживать уравнительный ток на заданном уровне в установившемся и переходных режимах.

Достоинствами реверсивных ТП с совместным управлением являются:

¾ непрерывность внешних характеристик;

¾ высокое быстродействие при переходе из выпрямительного в инверторный режим и обратно;

¾ отсутствуют зоны прерывистых токов.

Основным принципиальным недостатком совместного управления является необходимость использования уравнительных дросселей, имеющих большую массу и габариты.

Радикальным способом полного устранения уравнительных токов является применение метода раздельного управления выпрямительной и инверторной группами.

3.3.2. Раздельное управление группами вентилей реверсивного ТП.

Управляющие импульсы подаются только на тот комплект вентилей (например, 1V рис.31), который в данный момент должен работать (в выпрямительном или инверторном режимах). На вентили неработающей группы (2V) импульсы не подаются, и она «закрыта».

При линейном согласовании углов управление внешние характеристики являются продолжением друг друга в выпрямительном и инверторном режимах в области непрерывного тока (рис.33, в, характеристики 1 и 2). При этом в момент переключения групп отсутствует скачок напряжения преобразователя.

В то же время при линейном согласовании наблюдается неоднозначность характеристик преобразователей 1V и 2V в зоне прерывистых токов, поскольку напряжение выпрямительной группы получается больше, чем напряжение инверторной группы.

Поэтому переключение групп 1V и 2V из выпрямительного режима в инверторный и обратно сопровождается появлением скачка тока I_скач ( например, переключение из точки «а» выпрямительного режима в точку «б» инверторного режима рис.33,в).

Величина тока I_скач зависит от положения точки «а» в области прерывистых токов, а также от чувствительности датчика тока, сигнал с которого разрешает переключение.

Чтобы исключить неоднозначность характеристик в области прерывистых токов применяют нелинейное согласование . При этом внешняя характеристика инверторной группы поднимается (характеристика 3 рис.33,в) из-за увеличения напряжения инвертора и значение броска тока становится меньше I^/_скач < I_скач. Однако в этом случае оказываются неоднозначными характеристики в области непрерывных токов. Суммарные характеристики получаются подобные характеристикам на рисунке 33,б.

Переключение комплектов преобразователей 1V и 2V осуществляется логическим устройством – ЛПУ, которое запирает выходящую из работы группу (снимают импульсы) и включает другую группу при определённом сочетании двух сигналов:

а) сигнала, определяемого полярностью управляющего напряжения преобразователя;

б) сигнала с датчика тока, указывающего на отсутствие тока в запираемой группе.

В реальных схемах ЛПУ даёт разрешение на включение группы не сразу после отключения проводящей группы, а с некоторой задержкой. Обычно пауза составляет 2 – 10 мс в зависимости от типа схемы и обусловлена тем, что ток работающей группы должен упасть до нуля, а вентили – восстановить запирающие свойства.

Наличие паузы ухудшает динамические характеристики с раздельным управлением по сравнению с преобразователями с совместным управлением.

Кроме того, недостаток раздельного управления обусловлен тем, что возникает необходимость контролировать наличие импульсов при работе инверторной группы в области прерывистого тока, так как пропадание импульсов ведёт к срыву инвертора.

По сравнению с совместным управлением внешним характеристикам свойственны нелинейность и разрывность.

3.3.3. Системы управления преобразователями.

Под СУ понимают совокупность функциональных узлов и элементов обеспечивающих:

1) управление нелинейными элементами силовой части;

2) регулирование выходных параметров;

3) включение, отключение преобразователя;

4) управление защитными устройствами;

5) выдача информации о работе преобразователя при использовании его в автоматизированной системе электропитания.

В ТП основная функция СУ заключается в формировании по определённой программе отпирающих импульсов на управляющих электродах тиристоров схемы. Эту функцию выполняет технический блок, представляющий собой систему импульсно-фазового управления – СИФУ.

Для удобства анализа работы СИФУ многофазных ТП нумерацию тиристоров в группах выполняют в соответствии с очередностью их открывания, начиная отсчёт от фазы «а» (рис. 34, 35, 39). Тогда для шеститиристорных схем (шестифазная – рис.31, трёхфазная с уравнительным

реактором – рис.32, трехфазная мостовая – рис.34, 35, 39) фаза отставания открытия тиристора с номером «i» относительно первого тиристора VS1 определяется формулой .

Диаграмма очерёдности открывания тиристоров изображена для трёхфазной мостовой схемы на рисунке 34,б.

Основу СИФУ составляет БУ – блок управления (рис.36,а), предназначенный обычно дл управления одним тиристором. В состав БУ входят:

¾ ГОН – генератор опорных напряжений, синхронизированных с напряжением питания тиристоров;

¾ ФСУ – фазосмещающее устройство, регулирующее фазу открывающего импульса;

¾ ГИ – генератор импульсов, вырабатывающий необходимый для открывания тиристоров импульс.

Широкое применение в современных СИФУ аналогового типа находит так называемый вертикальный принцип управления (рис.36,б). В таких СИФУ разностный сигнал при изменении управляющего напряжения изменяет момент перехода через нуль относительно вторичной э.д.с. , соответственно регулируется фаза открывающего импульса.

Синхронизация напряжений и выполняется таким образом, чтобы при =0 угол открывания , что соответствует (согласно ) для режима непрерывных токов.

Для выполнения этого условия фазовый сдвиг между опорным напряжением и вторичной э.д.с. для любого тиристора с номер «i» должен составлять .

На рисунке 36,б изображены соответствующие напряжения для тиристора VS1.

Для трехфазных схем = 60⁰, для шестифазной схемы = 30⁰.

3.3.4. Функциональные схемы типовых трехфазных ТП промышленных серий.

На рисунке 34, а представлена трёхфазная мостовая схема нереверсивного ТП. При работе в каждый момент времени открыты два тиристора, включённых последовательно с нагрузкой. Поэтому для поддержания обоих тиристоров во включённом состоянии ширина импульсов должна быть не менее 60 ⁰, чтобы тиристор не смог закрыться в режиме прерывистых токов, так как через каждые 60 ⁰ происходит отключение одного из тиристоров и включение другого.

Широкие импульсы технически сложнее сформировать, чем узкие. Кроме того, широкие импульсы вызывают дополнительный нагрев тиристоров. Поэтому вместо широких импульсов используются сдвоенные узкие.

Каждый тиристор через 60 ⁰ после основного импульса (сплошная стрелка на рис. 34, б) получает дополнительный (штриховая стрелка). На тиристор с номером «i» дополнительный импульс поступает от генератора импульсов с номером «i + 1».

Диаграмма синхронизированной работы ГИ приведена на рисунке 34,в, где ГИ изображены в виде кружков, основные импульсы – радиальными стрелками, а дополнительные – дуговыми стрелками.

В соответствии с диаграммой на рисунке 34, а короткими вертикальными стрелками показаны входы и выходы у генераторов для дополнительных импульсов. Цифры у стрелок ГИ указывают номера других генераторов, с которыми соединены вход и выход данного генератора.

В состав СИФУ входят шесть идентичных блоков управления БУ1 – БУ6, в которых на генераторы импульсов поступает разность опорных напряжений генераторов опорных напряжений ГОН1 – ГОН6 и общего для всех БУ напряжения управления .

Цепь, в которой сравниваются и , выполняет функцию фазосмещающего устройства (ФСУ на рис.36,а).

Угол открывания тиристоров регулируется изменением .

На рисунке 35 приведена трёхфазная нулевая схема реверсивного ТП с совместным управлением. При совместном управлении импульсы подаются одновременно на обе группы таким образом, если ВГ1 открывается в выпрямительном режиме (), то ВГ2 – в инверторном (), и наоборот.

Если , то управление согласованное. Условие соответствует несогласованному управлению с углом смещения каждой ВГ от согласованного начального угла открывания, равного π/2.

При выполнении первого условия , что соответствует графически горизонтальным прямым, проходящим через точки 1, 2 и 1^/, 2^/ на рисунке 37. При этом, если , ВГ2 открывается в инверторном режиме, и угол опережения открывания для ВГ2 равен углу запаздывания открывания ВГ1, т.е. .

При несогласованном управлении (второе условие) β<α и , и именно по абсолютной величине всегда больше выпрямленная э.д.с. ВГ, открывающийся в инверторном режиме, т.е. . Это, объясняется тем, что при нулевом уровне сигнала управления =0, , т.е. обе ВГ смещены в инверторный режим.

На рисунке 37 несогласованному управлению соответствуют точки 1^//, 2^// и 1^///, 2^///, изображающие на графиках выпрямленные э.д.с. ВГ1 и ВГ2.

На рисунке 39 приведена трехфазная мостовая схема реверсивного ТП с раздельным управлением. Импульсы подаются только на одну группу, находящуюся в работе, другая группа при этом закрыта. В связи с этим отсутствует необходимость в УР, что является достоинством ТП с раздельным управлением. Отсутствие уравнительных токов ухудшает характеристики ТП с раздельным управлением в зоне малых нагрузок.

Система управления ТП содержит кроме СИФУ1, СИФУ2 логическое переключающее устройство – ЛПУ, выполняющее автоматическое переключение ВГ1 и ВГ2.

На ЛПУ возлагают следующие функции:

¾ выбор группы для работы в зависимости от знака управляющего напряжения ;

¾ запрещение снятия импульсов с работающей группы при протекании в ней тока;

¾ запрещение открывания неработающей группы при наличии тока в работающей группе;

¾ обеспечение выраженной паузы перед включением вступающей в работу группы.

Для реализации этих функций требуется информация о наличии тока в ВГ и знаке управляющего сигнала. Эта информация поступает с датчиков нулевого тока ДНТ1, ДНТ2, а также с датчика управления ДУ.

3.3.5. Характеристики управления ТП.

Управляющие свойства ТП определяются их характеристиками управления . Угол открывания ТП α выделяет в составе ТП две части СИФУ и ВГ, математическим описанием которых будут:

¾ характеристики СИФУ ;

¾ характеристики вентильной группы ВГ .

Результирующая характеристика управления ТП определяется как сложная функция

.

Характеристика СИФУ определяется видом опорного напряжения, так как импульс выдаётся в моменты равенства опорного напряжения на его спадающем участке и напряжения управления.

Зависимость определяется формой опорного напряжения и его фазовым сдвигом по отношению к напряжению силовой цепи тиристора.

Если при =0 α = π/2, то при косинусоидальной форме опорного напряжения (рис.38,а). Тогда характеристика СИФУ определится выражением .

Характеристика управления ТП при косинусоидальном опорном напряжении

Для пилообразной формы опорного напряжения (рис.38,б) имеем линейную зависимость от α:

.

Обратная функция определяет характеристику управления СИФУ

,

где φ_Л – угловой интервал линейного рабочего участка опорного напряжения;

U_Пm – максимальное значение опорного напряжения на концах линейного участка.

Характеристика управления ТП при пилообразном опорном напряжении:

Для

Достоинством косинусоидальной формы опорного напряжения является линейность результирующей характеристики управления ТП. Однако диапазон регулирования угла α составляет менее 180⁰, так как практически следует исключить из зоны регулирования окрестности max и min опорного напряжения, где оно практически не изменяется.

В зоне больших значений , близких к , возникает опасность превышения управляющим напряжением значения , что приведёт к исчезновению открывающих импульсов.

Для исключения этого в опорном напряжении формируется барьерный пик, увеличивающий максимальное значение (изображён на рис.38,а).

Достаточно широкий диапазон регулирования имеет СИФУ с пилообразным опорным напряжением, однако характеристика управления ТП оказывается нелинейной и имеет синусоидальный характер.