НЕРЕВЕРСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua
Для питания якорных цепей электродвигателей и обмоток возбуждения электрических машин наибольшее распространение нашли тиристорные преобразователи с мостовыми схемами выпрямления (рис. 1). Выбор этих схем обусловлен оптимальным соотношением между величинами обратного и прямого напряжения на вентилях и питающим напряжением. Кроме того, питающие трансформаторы мостовых схем имеют высокое использование и практически мало отличаются от обычных сетевых трансформаторов.
Упрощение и удешевление мостовых схем достигается включением тиристоров только в одно плечо моста, в другое плечо вклю-
Рис. 1. Мостовые схемы выпрямления. А — однофазная симметричная схема; б, в — однофазные несимметричные ехемы; г — трехфазная симметричная схема;- & — трехфазная несимметричная схема, |
&
Чаются диоды. Такие схемы получили название несимметричных или полууправляемых (рис. <1,6, в, д). Преобразователь с несимметричной мостовой схемой можно представить как последовательное соединение управляемого и неуправляемого преобразователей с нулевыми выпрямительными схемами (рис. 2). Неуправляемый преобразователь дает при этом напряжение, которое не зависит от угла
I--- 1
<Ot |
Рис. 2. Несимметричные мостовые схемы. А — схемы; б — регулировочная характеристика; в — диаграммы напряжений на вентилях моста и индуктивной нагрузке в случае исчезновения отпирающих импульсов или сдвига их на угол, превышающий 180е. |
Регулирования и равно половине напряжения холостого хода:
Udl — о.
Напряжение управляемого преобразователя, работающего как В выпрямительном, так и в инверторном режиме, вависит от угла
Г * Vm
Ud2 = —§— cos
Суммарное выходное напряжение равно:
П U*° 4- UdQ пс Г! 1 +C0S a
Ud = —2------ '----- 2— — UDo------------- 2-----
Максимально допустимый угол регулирования тиристоров ограничен таким значением, которое по сравнению с углом 180° уменьшено на угол коммутации и угол восстановления запирающих свойств тиристоров для предотвращения опрокидывания инвертора.
Рассмотрим, что произойдет, если в процессе работы трехфазной несимметричной мостовой схемы на индуктивную нагрузку угол регулирования а будет увеличен свыше 180° либо исчезнут управляющие импульсы [JI. 8]. Диаграммы напряжений этого режима представлены на рис. 2,в и соответствуют принципиальной схеме на рис. 1,д (при отсутствии разрядного вентиля Во). Предположим, что тиристоры были отперты, протекал ток нагрузки, и в момент U угол а стал больше 180°. Ток нагрузки протекал при этом через тиристор IT и диод 2В. Тиристоры ЗТ и 5Т не смогут отпираться, так как отпирающие импульсы на их управляющие электроды будут подаваться, когда анодные напряжения на них будут меньше, чем на отпертом тиристоре 1Т. В результате ток нагрузки будет протекать только через тиристор 1Т, который был отперт перед моментом изменения угла а. Из диаграммы выпрямленного напряжения на рис. 2,в видно, что в течение 240° нагрузка получает питание от сети переменного тока через тиристор 1Т и диоды 6В и 2В. При этом в течение 120° ток нагрузки протекает через диод 6В, а в течение следующих 120° — через диод 2В. Далее в течение 120° индуктивность нагрузки разряжается через тиристор 1Т и диод 4В, и мгновенное напряжение на выходе выпрямителя практически равно нулю.
На основании диаграммы рис. 2,в можно получить значение среднего выпрямленного напряжения:
Где Udo — выпрямленное напряжение при полностью отпертых тиристорах.
Таким образом, при увеличении угла а свыше 180° или при исчезновении отпирающих импульсов в несимметричной трехфазной мостовой схеме при индуктивной нагрузке выпрямленное напряжение равно половине от выпрямленного напряжения при полностью отпертых тиристорах. Соответственно среднее значение выпрямленного тока, например, в тиристорных возбудителях, в рассматриваемом режиме составит половину значения выпрямленного тока при полностью открытых тиристорах. Следует, однако, учесть, что это
будет среднее значение тока одного тиристора в то время, как в режиме полного отпирания среднее значение тока одного тиристора составляет одну треть от выпрямленного тока. Таким образом, в этом режиме тиристор будет загружен по среднему току в 1,5 раза больше, чем в режиме полного отпирания. Если тиристоры в режиме полного отпирания выбраны на их номинальный ток, то в рассматриваемом режиме тиристор, через который протекает ток, может перегреться и выйти из строя. В связи с этим необходимо сделать вывод, что в системе фазового управления тиристорами в трехфазной несимметричной мостовой схеме угол а не должен превышать 180° и не должны исчезать отпирающие импульсы.
Рис. 3. Нагрузочная способность несимметричных мостовых схем при Нагрузке на противо-э. д. с. а — однофазная с последовательно включенными диодами с одной стороны Моста; б — трехфазная с шунтирующим нулевым диодом. Параметры сглаживающего дросселя: 1 — L(J=0; 2 — Ld=0,005C/d/<o/dH; 3 — Irf~0.015 Ud/(OIdB; 4 - Id=0,024 Ud/(OIdH; 5 - Ld=0,05 Ј/d/a>/dH; 6 - Ld- -0,11 Udt(OIdR; 7-Id=0,31 UdMdn. Граничная величина тока шунтирующей цепи однофазного моста и шунтирующего нулевого диода трехфазного моста: 8 — /в0=0; 9 — Ю — /в1)=- ~IdHl2; //-/B0-2/dH/3; /2-/B0=/dH; 13 - /в0=3 /dH/2. |
Б) |
Описанный режим можно во многих случаях исключить, если параллельно индуктивной нагрузке включить нулевой диод (рис. 1,д), образующий шунтирующую цепь. Тогда разряд индуктивности будет происходить через этот диод, и при исчезновении управляющих импульсов или сдвиге их больше, чем на 180°, все три тиристора запрутся. При несимметричной мостовой схеме мгновенное значение постоянного напряжения не может быть отрицательным. При глубоком регулировании в кривой выпрямленного напряжения появляются участки, когда напряжение равно примерно нулю, однако ток нагрузки не исчезает, так как из-за индуктивности нагрузки ток продолжает протекать в прежнем направлении через включенные тиристор и диод. Если имеется нулевой диод, то при глубоком регулировании ток коммутируется на него; причем величина этого тока растет с увеличением угла регулирования, в результате чего увеличивается перегрузочная способность всего преобразователя [JI. 9].
На рис. 3 представлены кривые перегрузочной способности однофазной (рис. 1,в) и трехфазной (рис. 1,д) несимметричных мостовых схем (последняя с шунтирующей цепью) при нагрузке на противо-
э. д. с. Кривые /—7 даны для разных параметров сглаживающего дросселя L&, кривые 8—13— для разной нагрузки /во шунтирующей цепи. Из двух вариантов включения тиристоров и диодов в однофазной несимметричной мостовой схеме наиболее предпочтительным является вариант по рис. 1,в. В этом случае функции шунтирующей цепи выполняют два последовательно включенных диода силовой схемы.
Несимметричные мостовые схемы с нулевыми диодами имеют следующие достоинства по сравнению с симметричными мостовыми схемами:
А) в 2 раза меньше тиристоров;
Б) в 2 раза меньше каналов управления;
В) не опасно отключение автомата на входе моста, так как имеется контур разряда индуктивной составляющей нагрузки;
Г) увеличивается перегрузочная способность преобразователя при увеличении угла регулирования.
Недостатки этих схем заключаются в снижении частоты пульсаций выпрямленного напряжения и тока и невозможности получения инверторного режима. Последнее обстоятельство не позволяет применять несимметричные мостовые схемы в тех случаях, когда требуется рекуперативное торможение двигателя или быстрое ослабление поля двигателя.
Применение нулевых диодов в трехфазных симметричных мостовых схемах дает улучшение коммутации вентилей, так как при глубоком регулировании разряд индуктивности нагрузки происходит, как отмечалось выше, через шунтирующую цепь.
Основные расчетные соотношения для мостовых схем даны в табл. 1, а для нулевых схем — в табл. 2. Нулевые схемы в тири - сторных преобразователях нашли весьма ограниченное применение. Трехфазная нулевая схема используется в возбудителях с напряжением до 230 вив электроприводах небольшой мощности — с напряжением 115 и 230 в. Схема с уравнительным реактором применяется лишь на реконструируемых объектах при замене ртутных вентилей на тиристоры с целью сохранения трансформаторов.
Для мощных электроприводов весьма перспективными с точки зрения уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока являются преобразовательные установки с последовательным соединением двух преобразователей, каждый из которых состоит из трехфазной мостовой схемы с питанием от трехобмоточного трансформатора или от отдельных трансформаторов.
При этом возможно последовательное соединение неуправляемого трехфазного моста с трехфазным симметричным управляемым мостом (рис. 4,а); последовательное соединение двух несимметричных мостов (рис. 4,6); последовательное соединение двух мостов с симметричными схемами. Мосты рассчитываются на половинное напряжение и на полный ток нагрузки, т. е. на половину полной мощности преобразовательной установки. Для управления преобразователями со схемами по рис. 4д, б применяется система фазового управления на шесть каналов. Управление'преобразовательной установкой с последовательным соединением двух симметричных мостовых схем осуществляется с помощью двух систем фазового управления, по шесть каналов каждая. Каждый мост управляется от своей системы фазового управления. В преобразователе по схеме рис. 4,а диодный мост работает в выпрямительном режиме, а тири - сторный мост как в выпрямительном, так и в инверторном. За счет
Таблица 1
|
С мостовыми схемами |
Таблица 2
|
Вателях с нулевыми схемами |
Этого выходное напряжение преобразователя можно регулировать от нуля до максимального. Диаграммы напряжений, поясняющие работу преобразователя со схемой по рис. 4д при равенстве питающих напряжений, представлены на рис. 4,в, г. Для этого случая выходное напряжение преобразователя определяется, так же как и для несимметричной мостовой схемы, соотношением:
1 + cos а
2 ' W
Где Ud0J. — максимальное напряжение преобразователя.
Регулировочная характеристика преобразователя аналогична характеристике на рис. 2,6.
Обычно напряжение питания тиристорного моста в таких преобразователях на 15—20% превышает питающее напряжение диодного моста. В этом случае нулевое напряжение на выходе преобразователя получается при напряжении инвертора, меньшем, чем его максимально возможное напряжение. При этом оставшийся запас по углу превышает сумму углов коммутации и восстановления вентилями запирающих свойств при всех рабочих режимах, что необходимо для исключения возможности опрокидывания инвертора. Поэтому вторичные обмотки питающего трансформатора выполняются на разные напряжения, что не всегда удобно.
В схеме по рис. 4,а недопустимо исчезновение управляющих импульсов, так же как и в рассмотренной выше несимметричной мостовой схеме. Этот недостаток в ряде случаев можно исключить, если нагрузку преобразователя зашунтировать нулевым ' диодом [Л. 10].
В преобразователе с последовательным соединением двух несимметричных мостов регулирование напряжения осуществляется одновременным изменением напряжений обоих мостов. Если необходимо понижать напряжение преобразователя до нуля, то каждая мостовая схема шунтируется нулевым диодом.
Рис. 4. Преобразователи с последовательным А — симметричного и диодного моста; б — двух несимметричных мостов; в —■ Моста; г — диаграммы напряжений на вентилях |
Величина выходного напряжения преобразователя определяется по выражению (1), форма его соответствует рис. 4,г, регулировочная характеристика аналогична характеристике предыдущей схемы.
Преобразователь с последовательным соединением двух симметричных тиристорных мостов работает следующим образом. Если
В)
Соединением мостовых схем.
Диаграммы напряжений на вентилях и выходных зажимах симметричного и нагрузке преобразователя по схеме а.
Оба моста полностью отперты, то напряжение преобразователя максимально. При регулировании напряжения вначале изменяется угол регулирования at и снижается выпрямленное напряжение одного моста, а напряжение второго моста остается неизменным. Когда напряжение первого моста снижается до нуля, результирующее напряжение преобразователя снижается до половинного значения, а «при переводе первого моста в инверторный режим напряжение преобразователя уменьшается до нуля. Затем увеличивается угол регулирования <аг второго моста и напряжение преобразователя достигает максимального значения в инверторном режиме. Таким образом, напряжение преобразователя определяется соотношением
Сравнение относительных величин действующих значений пульсаций выпрямленного напряжения сделано на рис. 5 для разных схем [Л. 11]. Эти кривые убедительно доказывают преимущество последовательного соединения мостов с точки зрения уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (по сравнению с симметричной мостовой схемой). Схема с последовательным соединением мостов особенно целесообразна для приводов с выпрямленным напряжением 660 в и выше, когда требуется последовательное соединение вентилей. В этом случае при несимметричных мостах получается экономия в 12 раза по количеству требуемых тиристоров и снимается проблема деления напряжения между включенными последовательно тиристорами.
Одним из достоинств рассмотренных схем последовательного соединения мостов является значительное уменьшение потребления реактивной мощности и улучшение коэффициента мощности. Снижение потребления реактивной мощности при последовательном соединении двух симметричных мостов связано с тем, что при регулировании напряжения один из мостов всегда работает с минимальным потреблением реактивной мощности, так как этот мост находится в выпрямительном режиме при угле <х, близком к нулю, или в инверторном режиме при угле а, близком к 180°. Потребляемая реактивная мощность всего преобразователя состоит в основном из реактивной мощности второго моста, которая вдвое меньше, так как мощность каждого моста равна половине полной мощности преобразовательной установки.
Рис. 5. Действующее значение пульсаций в кривой выпрямленноГо напряжения. / — последовательное соединение двух мостов; 2 — трехфазная симметричная мостовая схема; 3 — трехфазная несимметричная мостовая схема. |
При неизменном токе в индуктивной нагрузке и регулировании выпрямленного напряжения преобразователя с симметричной мостовой схемой амплитуда и форма тока, потребляемого из сети, а следовательно, и полная мощность остаются неизменными. Угол сдвига ф1 между напряжением сети и первой гармоникой тока изменяется.
Это приводит к изменению соотношения между активной и реактивной мощностью и может быть представлено графически. Для оценки потребления реактивной мощности могут быть построены идеальные и реальные графики потребления этой мощности. Идеальные графики строятся при допущении, что угол коммутации и индуктивность цепи нагрузки Ld — оо. Тогда первая гармоника тока будет сдвинута относительно напряжения на угол регулирования а, т. е.
Cos f j = cos а,
Где Ud0Id — полная мощность; Р — активная мощность; Q — реактивная мощность.
Рис. 6. Кривые потребления реактивной мощности. А — принцип построения диаграммы; б — теоретические кривые: 1 — симметричная мостовая схема; 2 — последовательное соединение симметричных мостов; в —реальные кривые: 3 — симметричная мостовая схема; 4 — симметричная мостовая схема с нулевым диодом; 5 — несимметричные мостовые схемы и последовательное соеди - 0 0,5 7 нение несимметричных мостов. В) |
Соотношения (2) и (3) представляют собой параметрическое задание уравнения окружности. На диаграмме потребления реактивной мощности по оси абсцисс откладывается отношение
V*
— - щ-» а по оси ординат Q/Ud0Id (рис. 6, а).
По идеальным диаграммам рис. 6,а и б можно определить соотношение активной и реактивной мощностей, потребляемых преобразователем с симметричной трехфазной мостовой схемой, а также
Преобразователем с последовательным соединением двух симметричных трехфазных мостовых схем в выпрямительном и инверторном режимах работы.
На рис. 6,в даны реальные диаграммы, построенные с учетом угла коммутации (Л. 12], на которых сравнивается потребление реактивной мощности преобразователями с различными схемами выпрямления.