Реверсивні схеми перетворювачів

УНІВЕРСИТЕТ

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ДИСЦИПЛІНИ «ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА»

ДЛЯ СПЕЦІАЛІСТІВ СПЕЦІАЛЬНОСТІ 7.090603

«Електротехнічні системи електроспоживання»

 

 

Одеса

ОНПУ

 

Конспект лекцій з дисципліни “Перетворювальна техніка” для спеціалістів спеціальності 7.090603 «Електротехнічні системи електроспоживання» / Укл. М.С. Путілін, А.О. Бойко. – Одеса: “ОНПУ”, 2004. - 82 с.

 

 

Укладачі: М. С. Путілін,

А.О. Бойко,

канд. техн. наук., доценти

 

ЗМІСТ

 

 

Вступ ………………………………………………………………………………..4

1. Керовані випрямлячі …...………………………… ……………………………..4

1.1. Прийняті умовні позначки ……………………………………………………... 4

1.2. Класифікація випрямлячів………………………………………………………..5

1.3. Фізичні процеси в однофазних схемах КВ………………………………………5 1.4. Фізичні процеси і параметри багатофазних схем КВ………………………….12 1.4.1. Принцип роботи і основні розрахункові співвідношення в схемах

КВ з нульовою точкою ……...……………………………………………………....12

1.4.2. Принцип роботи і основні розрахункові співвідношення в мостових схемах КВ……………………………………………………………………………..16

1.4.3. Електричні параметри вентилів …………………………………………19

1.5. Фізичні процеси в КВ при комутації вентилів ………………………………...21

1.6. Робота КВ на активно – індуктивне навантаження і ЕРС……………………..24

1.7. Зовнішня характеристика керованого випрямляча …………………………...27

1.8. Регулювальна характеристика випрямляча ……………………………………30

2. Інвертори відомі мережею ………………..……………………………………...32

2.1. Принцип дії……………………………………………………………………… 32

2.2. Основні розрахункові співвідношення ………………………………………...36

3. Реверсивні схеми перетворювачів ……………………………………………..38

3.1. Способи керування реверсивними перетворювачами………………………....38

3.1.1. Спільне керування ……………………………………………………….. 41

3.1.2. Роздільне керування …………………………………………………….. 42

3.2. Енергетичні характеристики тиристорних перетворювачів………...….……..44

4. Імпульсні перетворювачі ………………………………………………………..46

4.1. Загальні положення ……………………………………………………………...46

4.2. Нереверсивний ШІП ……………………………………………………………49

4.3. Реверсивний широтно - імпульсний перетворювач …………………………...55

5. Автономні інвертори напруги …………………………………………………..59

5.1. Класифікація інверторів…………………………………………………………59

5.2. Автономні інвертори напруги з постійними кутами провідності силових

елементів……………………………………………………………………………... 60

5.2.1. Однофазний автономний інвертор напруги ……..…………………….. 60

5.2.2. Трифазний автономний інвертор напруги при симетричному

керуванні……………………………………………………………………………....61

5.2.3. Трифазний інвертор напруги при несиметричному керуванні……..… 70

5.3. Автономні інвертори з широтно-імпульсною модуляцією……………..…..…76

Література……………………………………………………………….…..……...81

 

ВСТУП

Розробка і впровадження у виробництво силових напівпровідникових приладів у всіх промислово-розвитих країнах дозволило замінити електромашинні перетворювачі електричної енергії напівпровідниковими перетворювачами. Швидкій зміні одного виду перетворювачів іншими обумовлено тим, що теоретичні дослідження, проведені ще в тридцяті роки, лягли в основу методики розрахунку вентильних перетворювачів на основі іонних приладів (ртутних вентилів, ігнітронів, тиратронів).

Як тільки був налагоджений промисловий випуск тиристорів і силових транзисторів, їх почали застосовувати у відомих вже схемах замість іонних приладів. Широке застосування напівпровідникові перетворювачі одержали через високі техніко-економічні показники.

В теперішній час напівпровідникові перетворювачі застосовуються:

- в електроприводі: для регулювання вихідних координат (моменту, струму, швидкості, шляху);

- в електропостачанні: як аварійні джерела електроживлення, у лініях електропередач змінного та постійного струму, регуляторах напруги;

- у електротермії: як генератори в установках високої частоти;

- у гальванотехніці: як потужні джерела постійного струму і т.д.

При значному поширенні застосування напівпровідникових перетворювачів від фахівця потрібно знання:

- фізичних процесів у перетворювачах і методики їх розрахунку;

- пристрою і технічних можливостей перетворювальних систем;

- залежності параметрів і характеристики перетворювальних пристроїв.

Це визначає задачі вивчення дисципліни “Перетворювальна техніка”.

 

 

1. КЕРОВАНІ ВИПРЯМЛЯЧІ (КВ)

 

1.1. Прийняті умовні позначки

 

U_m, E_m, I_m – амплітудні значення напруги, електрорушійної сили (ЕРС) і струму;

U, E, I – діючі значення напруги, ЕРС і струму;

u, e, i - миттєві значення напруги, ЕРС і струму;

U_d0, U_da - напруга на виході випрямляча при кутах регулювання 0 і a, відповідно;

a₀ - кут вмикання тиристора, який відраховується від початку позитивної напівхвилі синусоїди напруги фази електричної мережі;

a - кут вмикання тиристора, який відраховується від точки природної комутації;

l - тривалість протікання струму в ланцюзі навантаження (тривалість провідності тиристора);

R, X, Z – опір активний, індуктивний і комплексний;

m – кількість фаз електричної мережі (перетворювача);

р - число імпульсів, випрямленого струму (пульсність схеми КВ);

W - кругова частота напруги;

Індекси:

d – параметра в ланцюзі випрямленого струму;

ф – фазного параметра.

 

1.2. Класифікація випрямлячів

 

Виходячи з критерію загальних фізичних процесів, випрямлячі класифікують на основні групи:

- за принципом керування і типу застосовуваних елементів (керовані і некеровані);

- за числом фаз напруги живлення (однофазні і багатофазні, m =1, 2,3…n);

- за числом імпульсів випрямленої напруги або струму (р = 1,2,3,6 і т.д.);

- за зв'язком з електричною мережею (пряме вмикання в мережу, через трансформатор);

- за характером протікання струму в обмотках трансформатора (нульові, мостові).

 

1.3. Фізичні процеси в однофазних схемах КВ

 

У напівпровідникових випрямлячах головним елементом є електричний вентиль, який здійснює її замикання і розмикання за рахунок зміни опору ланцюга електричному струму.

Електричні вентилі поділяються на два класу: некеровані (діоди) і керовані (тиристори). У некерованих вентилях опір залежить тільки від напруги на його затисках і в ідеальному вентилі має два значення: нуль у прямому напрямку і нескінченність - у зворотному. Електричний вентиль вмикає або вимикає ланцюг у залежності від його полярності: при негативних напругах на аноді опір великий, а сила струму настільки мала, що нею можна зневажити. При позитивних напругах на аноді опір вентиля зменшується, а до навантаження прикладається напруга мережі живлення. Тому струм через вентиль можливий тільки в тому випадку, якщо потенціал анода вище потенціалу катода. У керованих вентилях (тиристорах) опір залежить від двох факторів: від полярності напруги на його затисках і від наявності сигналу керування на керуючому електроді. У порівнянні з тривалістю періоду мережі змінного струму часом вмикання і вимкнення тиристора можна зневажити і вважати їх миттєвими. Фізичні процеси в схемах випрямлячів визначаються параметрами електричного ланцюга.

Однофазна однонапівперіодна схема КВ є найбільш простою для вивчення. Вона приведена на рис. 1.1,а. У ланцюзі з активним навантаженням в момент вмикання тиристора його опір зменшується до нуля і напруга мережі прикладається до навантаження. Форма миттєвого значення струму повторює форму напруги мережі живлення:

Рис. 1.1. Схема однофазного однопульсного випрямляча (а), діаграми струмів і напруги при навантажені з параметрами:

Ld = 0, Rd ¹ 0 (б) і Rd = 0, Ld ¹ 0 (в)

 

 

i_d = u_d / R_d. (1.1)

 

При зниженні струму до нуля опір тиристора збільшується до нескінченності і при негативній напрузі мережі сила струму в ланцюзі дорівнює нулю. Тому що ланцюг навантаження підключений до мережі тільки частину періоду, струм навантаження буде переривчастим (рис.1.1,6).

У ланцюзі з L_d ¹ 0 і Rd = 0 напруга мережі прикладена до індуктивності. При зростанні напруги на навантаженні, в індуктивності запасається електромагнітна енергія, а її ЕРС затримує зростання струму. З того моменту, коли напруга почне убувати, електромагнітна енергія передається в мережу, а ЕРС самоіндукції підсумовується з напругою мережі та перешкоджає зменшенню струму в ланцюзі. Відбувається обмін енергією між мережею живлення і навантаженням: у позитивний напівперіод напруги енергія споживається з мережі, а в негативний напівперіод - запасена в індуктивності енергія перетворюється в електричну і повертається в мережу. Стосовно електричної мережі, навантаження є джерелом реактивної енергії. Закон зміни струму і ЕРС визначається параметрами електричної мережі:

 

, (1.2)

 

де U_m – амплітудне значення напруги,

L_d – індуктивність ланцюга навантаження.

Аналогічна форма напруги та струму спостерігається в схемі з тиристором при куті вмикання a₀ = 0 і R_d = 0. Кут вимкнення тиристора a_{0 вимик} = 360 ел. град., тобто випрямляч працює в граничному режимі між безперервним і переривчастим струмом. При куті вмикання не рівному нулю зменшується кількість енергії, яка споживається з електричної мережі. Відповідно зменшується і кут провідності тиристора. (рис 1.1,в).

У схемі з активно-індуктивним опором тільки частина запасеної в індуктивності енергії повертається в мережу, інша ж частина передається в активний опір навантаження. Тому інтервал провідності тиристора при негативній напрузі менше ніж при позитивній напрузі. Тому що запасеної в індуктивності енергії не вистачає для підтримки струму протягом усього негативного напівперіоду напруги мережі, спостерігається режим переривчастого струму. Умови, при яких струм стає переривчастим можуть бути отримані з рівняння електричної рівноваги для інтервалу провідності вентиля, а рівняння миттєвого значення імпульсу струму має вигляд:

, (1.3)

де

- комплексний опір ланцюга навантаження КВ;

- кут навантаження КВ.

Діаграми миттєвих значень струму і напруг у ланцюзі з вентилем приведені на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2. Діаграми миттєвих значень струму і напруги

у ланцюзі з вентилем

У випадку переривчастого струму значення струму на початку і наприкінці інтервалу провідності дорівнює нулю. Позначимо через l тривалість провідності тиристора. Залежність тривалість провідності від кута вмикання a₀ і від кута навантаження q визначається:

(1.4)

 

На рис 1.3 приведені залежності кута l від кута вмикання тиристора a₀ і кута навантаження q. З залежностей видно, що тільки при куті вмикання рівному нулю і індуктивному характері навантаження, струм у ланцюзі стає безперервний. В інших випадках крива струму переривчаста.

 

Рис. 1.3. Залежність тривалості провідності тиристора від кута

навантаження і кута вмикання тиристора

 

Переривчастий струм негативно впливає на роботу електродвигуна. Для зменшення зони переривчастого струму необхідно:

- збільшити індуктивність ланцюга навантаження;

- збільшити число імпульсів випрямленого струму;

- виконати шунтування ланцюга навантаження діодом.

Збільшення числа імпульсів випрямленого струму р (пульсності схеми) досягається за рахунок застосування однофазної однотактної нульової схеми або однофазної двотактної мостової схеми. Схеми і діаграми миттєвих значень зображені на рис. 1.4. Шунтування навантаження діодом створює незалежний від мережі контур для струму, який протикає під дією ЕРС самоіндукції. Це зменшує передачу реактивної енергії в мережу і за рахунок збільшення енергії, яка віддається в навантаження, збільшує тривалість імпульсу струму навантаження (рис.1.5). При вмиканні шунтуючого діода тиристор вимикається в момент переходу кривої напруги через нуль.

 

 

 

 

а.

 

 

б.

 

 

в.

 

Рис. 1.4. Схема однофазного нульового КВ (а); Схема однофазного

мостового КВ (б); діаграми струму і напруги в двохпульсному

випрямлячі при активно - індуктивному навантаженні (в).

Рис. 1.5. Схема випрямляча із шунтуючим діодом (а)

і діаграми струмів і напруги (б).

 

При однаковій тривалості імпульсів струму l в однопульсної і двохпульсної схемах середнє значення випрямленої напруги визначається

- в однопульсної схемі

 

(1.5)

 

- у двохпульсної схемі

 

(1.6)

 

Середнє значення напруги при включенні шунтуючого діода

 

(1.7)

(1.8)

 

 

1.4. Фізичні процеси і параметри багатофазних схем КВ

 

1.4.1. Принцип роботи і основні розрахункові співвідношення в схемах КВ з нульовою точкою

 

Еквівалентна схема m – фазного нульового випрямляча з активно-індуктивним навантаженням зображена на рис. 1.6. Принцип роботи цієї схеми полягає в циклічному переключенні ланцюга навантаження з однієї фази напруги мережі змінного струму так, що до навантаження підключається та фаза, напруга якої позитивна і більше напруги інших фаз, з урахуванням наявності сигналів керування на керованих вентилях випрямляча. Процес переключення струму з однієї фази на іншу називають комутацією вентилів.

Розглянемо процеси комутації в багатофазних випрямлячах з ідеальним трансформатором (Х_T, R_V = 0), поясняючи роботу діаграма миттєвих значень напруг і струмів показана на рис. 1.6.

Вентиль VI фази А буде проводити струм тоді, коли потенціал анода буде позитивним, тобто на інтервалі 1-2. У точці 2 вентиль V1 вимикається, а ланцюг навантаження підключається до фази В через вентиль V2. У точці 3 вимикається вентиль V2 і вмикається вентиль V3 у ланцюзі фази С. Таким чином, за період напруги мережі спостерігається m комутацій вентилів, а в струмі навантаження має р імпульсів. У нульових схемах число комутації та імпульсів струму дорівнюють числу фаз мережі: p = m. Точки перетинання синусоїд називають точками природної комутації вентилів. З діаграм на рис.2.2 видно, що тривалість імпульсу випрямленого струму дорівнює: .

Середнє значення випрямленої напруги у некерованому режимі знаходиться

 

, (1.9)

, (1.10)

 

де U_ф – діюче значення напруги фази вторинної обмотки трансформатора.

 

 

Рис. 1.6. Еквівалентна схема m – фазного випрямляча з нульовою точкою.

Діаграми напруги і струмів у трифазному випрямлячі при α = 0

 

Випрямлена напруга при одному і тому самому значенні фазної напруги залежить від числа імпульсів і визначається через коефіцієнт схеми

 

. (1.11)

 

 

який для схеми КВ з нульовою точкою складає k_сх = 1,17.

 

У багатофазних схемах кут вмикання a прийнято відраховувати від точки природної комутації. Як видно з геометричних побудов на рис. 1.7, кут природної комутації дорівнює (), а кут вмикання тиристора: . Зміна кута вмикання в діапазоні при активному навантаженні не змінює тривалості імпульсу струму . Якщо кут керування , то в імпульсах струму навантаження (і напруги) з'являється пауза і струм стає переривчастим.

 

Рис. 1.7. Діаграми напруги і струму в трифазному нульовому

випрямлячі з активним навантаженням

 

Кут, що відокремлює зону безперервного струму від переривчастого позначимо, як граничний a_гр. При граничному куті тривалість імпульсу струму дорівнює , однак сила струму наприкінці інтервалу провідності дорівнює нулю.

 

 

 

Рис. 1.8. Діаграми напруги і струму на виході трифазного

випрямляча з нульовою точкою при умові α 0

 

Границя між безперервним і переривчастим струмом залежить не тільки від кута керування, але і від величини індуктивності ланцюга навантаження. При досить великому відношенні індуктивного і активного опорів імпульси струму заходять в область негативних напруг мережі живлення (рис.1.8), а область переривчастого струму зміщається у бік великих кутів a.

Вираз для граничного кута a_{о гр}, який відраховується від початку позитивної напівхвилі напруги, має вигляд:

 

(1.12)

 

де .

 

При регулюванні кута вмикання тиристора в режимі безперервного струму середнє значення випрямленої напруги може бути знайдено з виразу:

 

 

. (1.13)

 

 

1.4.2. Принцип роботи і основні розрахункові співвідношення в мостових схемах КВ

 

У мостовому випрямлячі (рис.1.9) вентилі можна розділити на дві групи – анодну (VS2, VS4, VS6) і катодну (VS1, VS3, VS5). Комутація вентилів анодної групи здійснюється негативною напівхвилею напруги мережі, катодної групи - позитивною напівхвилею.

Алгоритм роботи вентилів розкриває аналіз діаграм зображених на рис.1.10,а. У точках перетинання позитивних напівхвиль здійснюється комутація вентилів VS1, VS3, VS5, у точках перетинання негативних напівхвиль - комутація вентилів VS2, VS4, VS6. З діаграми видно, що кутова тривалість провідності струму кожного з вентилів дорівнює: l = .

 

 

 

Рис. 1.9. Схема трифазного мостового керованого випрямляча

 

На основі алгоритму роботи тиристорів формуються діаграми напруги на навантаженні. Розглянемо формування напруги в трифазному мостовому випрямлячі при a = 0 з моменту почала провідності вентиля VS1. Так на інтервалі 1-2 відкриті вентилі VS1 і VS6. Відповідно до цього напруга на навантаженні дорівнює (U_a – U_b); на інтервалі 2-3: (U_a – U_с) і т.д. Тобто миттєва напруга дорівнює лінійній напрузі мережі живлення, а кількість пульсацій за період напруги мережі дорівнює: p = 2m. Діаграми напруги на навантаженні, струмів у вентилях і обмотках трансформаторів зображені на рис. 1.10,б.

Середня напруга на навантаженні може бути визначена

 

(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.

ІНВЕРТОРИ ВІДОМІ МЕРЕЖЕЮ

 

 

2.1. Принцип дії

 

Режим, коли енергія передається в джерело живлення називають інверторним. Інверторному режиму відповідають умови, коли полярність напруги на навантаженні і напрямок струму у ланцюзі навантаження, протилежні.

У випрямлячі з великою індуктивністю в ланцюзі навантаження випрямлена напруга стає нульовою при куті керування: a = 90 ел. град. Це пояснюється тим, що енергія, яка запасена в катодній індуктивності, цілком повертається в мережу живлення.

Таким чином, у даному випадку частково реалізується принцип інвертування, тобто передача енергії з боку ланки постійної напруги у бік ланки змінної напруги. Припустимо, що навантаження містить зустрічну ЕРС. Фізичні процеси в ланцюзі визначаються полярністю ЕРС і полярністю вмикання вентиля.

У схемі на рис. 2.1,б протікання струму можливо в позитивний напівперіод напруги мережі при u > E, а його значення визначається різницею напруги і електрорушійної сили:

 

 

i_d = (u – E) / R_d. (2.1)

 

У даному режимі енергія передається з мережі живлення в навантаження. Як тільки миттєва напруга стає менше ніж ЕРС або змінює знак, протікання струму припиняється.

Рис. 2.1. Еквівалентні схеми випрямляча і діаграми струму

у випрямленому (а) та інверторному (в) режимах;

(б) і (г) – еквівалентні схеми випрямляча і інвертора

 

 

Переключення полярності вентиля створюють умови для протікання струму під дією ЕРС навантаження (рис. 2.1,в). У позитивний напівперіод мережі при u < E (на інтервалах 0–1, 2–3, 4–5) струм протікає під дією ЕРС навантаження, а напруга мережі є протидіючою силою. Струм навантаження визначається

 

i_d = (u – E) / R_d. (2.2)

 

Енергія від джерела постійного струму передається в мережу змінного струму. Такий режим роботи випрямляча називають інверторним. Наприкінці інтервалів 0–1, 4–5 миттєва напруга мережі стає більше ЕРС і вимикає вентиль. У точці 3 напруга мережі змінює знак і обидва джерела діють згідно (у генераторному режимі). Це приводить до неприпустимого збільшення струму

 

i_d = (–u – E) / R_d. (2.3)

 

Хоча на інтервалі 2–3 випрямляч працює в інверторному режимі, однак наприкінці інтервалу відсутні умови для вимкнення вентиля. В результаті цього на інтервалі 3 – 4 створюється аварійний режим. Навпроти, наприкінці інтервалів 0-1 і 4-5 вентиль вимикається напругою мережі, забезпечуючи безпечну роботу перетворювача.

На рис. 2.2. приведена схема однофазного інвертора з нульовою точкою і діаграми струму і напруги. На ділянці (a – b) струм протікає через вентиль VS2 під дією ЕРС. На ділянці (b – c) - під дією ЕРС самоіндукції . У точці c вмикається вентиль VS1 та починається процес природної комутації, який триває на ділянці (c – d) і визначається величиною кута . Вентиль VS2 може відновлювати свої замикаючі властивості на ділянці (d – e) поки напруга не змінить свій знак. Цей час визначається кутом

 

. (2.4)

 

де t_відн - час відновлення замикаючих властивостей тиристора;

- кут відновлення замикаючих властивостей тиристора (1 - 5 ел. град).

 

Таким чином, аналіз роботи перетворювача показує, що безпечне інвертування енергії відповідає роботі його на інтервалах 0 - 1 та 4 - 5. Отже, для переведення ТП в інверторний режим необхідно виконати наступні умови:

- змінити полярність вмикання вентиля або полярність ЕРС;

- встановити кут вмикання тиристорів, який відповідає роботі на інтервалах 0-1 і 4-5.

Схема та діаграми напруги і струму однофазного інвертора з нульовою точкою зображені на рис. 2.2.

Для забезпечення інверторного режиму необхідно, щоб кут керування був більше значення . Тому кут керування в інверторному режимі прийнято відраховувати від позитивної напівхвилі (для однофазних схем) або від точки природної комутації негативного напівперіоду: .

 

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 2.2. Схема однофазного інвертора з нульовою точкою (а);

діаграми струму і напруги з урахуванням комутацій вентилів (б).

 

Стабільність роботи інвертора визначається значенням часу відновлення замикаючих властивостей тиристора t_відн, протягом якого після зниження струму до нуля між анодом і катодом зберігається негативна напруга. Необхідно, щоб виконувалася умова:

 

b_min > g + d, (2.5)

де g – кут комутації.

Обмеження кута деяким значенням b_min гарантує завершення процесу комутації до моменту, коли напруга мережі і ЕРС навантаження починають діяти згідно. Якщо ця умова не виконується, то наступить режим короткого замкнення – режим «перекидання інвертора».

Тому що процеси в інверторі визначаються напругою мережі (комутація вентилів, частота і форма напруги), такий інвертор називається відомим мережею.

Фізичні процеси при роботі трифазних інверторів відомих мережею аналогічні процесам в однофазних інверторах. На рис. 2.3 показані діаграми струму і напруги в трифазному інверторі з нульовою точкою.

 

 

2.2. Основні розрахункові співвідношення

 

Рівняння обмежувальної характеристики інвертора і рівняння комутації знаходяться з рівняння зовнішньої характеристики КВ підстановкою значення кута, який відповідає заданому режиму і способу переведення ТП в інверторний режим: a = p - b

 

. (2.6)

 

. (2.7)

 

Визначивши з (2.1) значення cosβ і підставивши його в (2.2) одержимо залежність між U_dβ, I_dβ і δ:

 

(2.8)

 

Рівняння (2.8) називається рівнянням обмежувальної характеристики інвертора відомого мережею.

Точка перетинання обмежувальної характеристики з зовнішньою відповідає максимально – припустимому струму перетворювача в інверторному режимі (рис. 2.4).

 

(2.9)

 

Звідси також можна знайти мінімальне значення кута b при заданому значенні струму навантаження.

Рис. 2.3. Діаграми напруги і струму в трифазному інверторі

з нульовою точкою

 

 

 

Рис. 2.4. Сімейство зовнішніх характеристик і

обмежувальна характеристика ТП

 

РЕВЕРСИВНІ СХЕМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

3.1. Способи керування реверсивними перетворювачами

 

Реверсивний перетворювач може змінювати полярність випрямленої напруги і дозволяє змінювати напрямок струму навантаження. Тому що тиристор - прилад з односторонньою провідністю, зміна напрямку струму може бути отримана за рахунок застосування контактора або реверсора двох комплектів вентилів. Досягнення в галузі перемикаючих пристроїв дозволяють одержати достатню швидкодію переключення в системах з реверсором, однак з економічних розумінь їх установка доцільна тільки в електроприводах малих потужностей. Більш надійними є схеми з безконтактним реверсом напруги – схеми тиристорних перетворювачів (ТП) з двома комплектами вентилів (рис 3.1).

Для зміни напрямку струму в навантаженні комплекти вентилів підключаються до неї з протилежною полярністю. Припустимо, що їх характеристики ідентичні, і на виході кожного перетворювача напруга змінюється пропорційно косинусу кута керування. При одночасному керуванні групами вентилів створюється додатковий контур для протікання струму. Цей струм протікає в обхід навантаження під дією різниці миттєвих значень ЕРС і носить назву зрівняльного струму (рис.3.2.).

 

 

		а

 

 

 

Рис. 3.2 Діаграми зрівняльного струму і напруги при

спільному керуванні групами вентилів

Сила зрівняльного струму залежить від початкових значень кутів керування і закону їх зміни. Постійна складова зрівняльного струму дорівнює нулю при виконанні умови

 

(3.1)

 

З рівняння видно, що потрібне виконання умови

 

(3.2)

 

Або

 

ел. град. (3.3)

 

Однак таке керування не виключає протікання змінної складової зрівняльного струму. Зрівняльний струм створює додаткові втрати енергії в ТП, збільшує нагрівання обмоток трансформатора та негативно позначається на робочих показниках ЕД. В тиристорному електроприводі застосовують два способи керування реверсивними перетворювачами:

1) одночасно працюють обидві групи вентилів; в ланцюг протікання зрівняльного струму включені зрівняльні струмообмежувальні реактори;

2) застосовують алгоритм керування з забороною вмикання однієї з груп вентилів, якщо в іншій протікає струм навантаження.

Перший спосіб називається спільним керуванням; другий - роздільним.

 

 

3.1.1. Спільне керування

 

При спільному керуванні одна з груп вентилів переводиться у режим випрямляча, а інша - в інверторний. Сила зрівняльного струму обмежується зрівняльними реакторами L_y і індуктивним опором обмоток трансформатора. Якщо зневажити активним опором, то прикладена напруга U_y врівноважується падінням напруги на індуктивних опорах:

 

, (3.4)

де - амплітудне значення фазної напруги.