ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Управляемый выпрямитель представляет собой устрой­ство, состоящее в общем случае из трансформатора, управ­ляемого вентильного коммутатора УВК, системы управле­ния вентилями СИФУ и сглаживающих фильтров.

В тех случаях, когда источник электроэнергии удов­летворяет необходимым требованиям по уровню напряже­те ния и числу фаз, трансформатор оказывается ненужным и все функции выпрямления выполняет УВК. Между сетью постоянного тока и УВК часто включают сглаживающий реактор.

Выпрямитель без трансформатора можно рассматри­вать как приближенную идеализированную модель вы­прямителя с трансформатором, у которого пренебрегли па­дением напряжения в сопротивлениях трансформатора и снижением напряжения, обусловленным явлением комму­тации. При коммутации имеет место перекрытие токов вентилей, когда ток проводившего вентиля уменьшается до нуля, а вступающего в работу вентиля — растет от нуля.

Теория бестрансформаторного выпрямителя может быть применена и к выпрямителю с трансформатором, вторич­ное напряжение которого равно первичному, приведенному к вторичной стороне, а коммутация считается идеальной, т. е. мгновенной.

В выпрямителях без трансформатора могут быть при­менены все трансформаторные схемы с однофазным и трех­фазным напряжением, в том числе и лучевые схемы, если сеть имеет нулевой провод. В преобразователях частоты наибольшее распространение получили трехфазные мо­стовые схемы с шестифазным выпрямителем (т=б).

Выпрямители на тиристорах и других вентилях непол­ного управления работают с естественной коммутацией, ко­торая осуществляется автоматически, без воздействия со стороны цепей управления.

Сущность естественной коммутации многофазного вы­прямления заключается в циклическом переключении внешней цепи нагрузки с одной фазы источника энергии— генератора синусоидального напряжения на другую, так что к нагрузке оказывается все время подключенной та фаза, напряжение которой положительно и больше напря­жения других фаз по крайней мере на падение напряже­ния на вентиле (если только этому не препятствует запи­рающий сигнал на вентиле). В противном случае анод вен­тиля имеет отрицательный относительно катода потенциал и, следовательно, вентиль закрыт. В мостовых схемах в кон­туре выпрямленного тока одновременно проводят два по­следовательно включенных вентиля: один из катодной группы и один из анодной; ток проводит та пара вентилей, которая находится под наибольшим линейным напряже­нием сети.

В управляемом выпрямителе переход тока с одного вен­тиля на другой происходит не в момент равенства приложенных напряжений, а позже — когда включается прини­мающий ток вентиль. Запаздывание от момента равенства напряжений оценивается углом запаздывания включения а. В процессе управления угол включения имеет в разных интервалах различные значения, изменяя одновременно время начала каждого импульса — его фазу и продолжи­тельность импульса, т. е. его ширину.

Проводимость управляемого вен­тиля для фиксации ее начала относи­тельно напряжения сети часто отсчи­тывается не от начала проводимости неуправляемого выпрямителя (угол а), а от начала синусоиды выпрям­ленного напряжения, приложенного к вентилю. Этот угол включения будем обозначать #0- Из элементарных гео­метрических соотношений (рис. 3.13) следует, что

+ л / 2—я /т.

Оба этих традиционных способа отсчета фазы открытия вентилей неудобны для описания процессов управления, потому что они не дают непрерывного соответствия между управляющим сигналом и управляемой величиной — вы­прямленным напряжением.

Угол управления # связан с углом запаздывания а и углом опережения р, о котором мы узнаем позже, просты­ми соотношениями

'0,=я/2—а=л/2—р.

При естественной коммутации могут иметь место два существенно различающихся случая: режим непрерывного тока и режим прерывистого тока.

В режиме непрерывного тока ток переключается с вен­тиля одной фазы на вентиль другой фазы, так что ток в цепи нагрузки не прерывается, т. е. не обращается в нуль. Если нагрузка имеет индуктивный характер (в дей­ствительности так и бывает), ток в момент коммутации остается непрерывным, т. е. имеет одинаковое значение до и после момента коммутации. В этом режиме бестрансформаторный выпрямитель, несмотря на переключение внеш­ней цепи внутри коммутатора, ведет себя как непрерывная линейная система.

Значительно сложнее процесс в режиме прерывистых токов. В этом случае ток, уменьшаясь под влиянием нисхо­дящей полуволны анодного напряжения, достигает нуля, прежде чем откроется последующий вентиль. Но ток не может получить отрицательное значение, перейдя через нуль, потому что он обрывается скачкообразно возрастаю­щим обратным сопротивлением вентиля. Цепь размыкается до появления включающего сигнала на очередном вентиле в следующей положительной полуволне анодного напряже­ния. С его появлением возникает ток в цепи из нового вентиля и нагрузки. В результате образуется последова­тельность несливающихся импульсов тока, каждый из ко­торых возникает и исчезает независимо от предыдущего. Цепь выпрямленного тока оказывается разомкнутой во всех паузах между импульсами.

Моменты выключения вентилей и продолжительность импульсов тока зависят от параметров нагрузки и от ам­плитуды импульсов. Поэтому выпрямитель в режиме пре­рывистых токов представляет собой дискретную импульс­ную нелинейную систему со всеми вытекающими отсюда осложнениями.

Строго говоря, каждый выпрямитель работает в обоих режимах — прерывистого тока при малых его значениях и непрерывного тока — при больших его значениях.

Чем больше число фаз выпрямителя, тем меньше зона прерывистых токов и тем больше зона непрерывных токов. Однофазный (т—1) выпрямитель всегда работает в ре­жиме прерывистых токов.

Зона прерывистых токов мала и во многих случаях ее можно не учитывать при 6, поэтому основное значение в теории и практике управляемых выпрямителей имеет ре­жим непрерывного тока.

Выражение для выпрямленного тока бестрансформаторного выпря­мителя можно получить, пренебрегая падением напряжения в вентиле, из уравнения

(3.10)

где ен — противо-ЭДС цепи нагрузки; г и L — общие сопротивления р индуктивность полного контура в интервале проводимости одного вен­тиля.

В относительных единицах

(3.11)

где і—і/Ік—iR/Em — относительный ток; г=е! Ет — относительная про тиво-ЭДС нагрузки; T0=L/r — постоянная времени контура выпрям ления.

Решение уравнения (3.11) имеет вид: і0 = [і0 + є — cos 0 sin(90 — 0)] e~Wli ctg 9 — [є — cos 0 sin(cV + — 9)].

(3.121

Максимальное (граничное) значение продолжительности импульса тока, за которым ток становится непрерывным

АГр=2я/т. (3.15)

При непрерывных токах в установившемся режиме значения тока в начале и конце каждого интервала проводимости вентиля равны. 100

Индуктивность влияет на среднее значение выпрямленного тока и напряжения косвенно, - іерез продолжительность импульсов тока Я, так как среднее значение ЭДС самоиндукции равно иулю.

При непрерывном токе выпрямленное напряжение внутри интер­вала непрерывности

и„= £msin(0)1< + 90) =Emcos + о —~^J - (З-16)

Пульсации выпрямленного напряжения, т. е. шумы квантования неуправляемого выпрямителя быстро уменьшаются с увеличением чис­ла фаз выпрямителя m (табл. 3.2).

Так как полезная составляющая уменьшается пропорционально ко­синусу угла а, а пульсации возрастают пропорционально синусу а, то амплитуда пульсаций быстро растет с углом открытия, асимптотически приближаясь к бесконечности, когда угол открытия а=я/2, т. е. по­лезная составляющая напряжения и°=0.

Выпрямитель с трансформатором удобно рассматривать как экви­валентный генератор, ЭДС которого зависит только от сигнала управ­ления на входе устройства управления, а внутреннее сопротивление учитывает все падения напряжения, свойственные реальному выпря­мителю. Как показано в [21J, внутреннее сопротивление эквивалентно­го генератора, учитывающее трансформатор в области непрерывных токов, и при идеальной коммутации определяется расчетом нли экспе­риментально как сопротивление из Опыта короткого замыкания при включении со вторичной стороны по цепи тока в межкоммутационный период (рис. 3.14):

/*2к—Г {"^с/'к2І ^2к=^в-|-^с^к2,

где г в и LB ■— сопротивление и индуктивность внешней цепи после УВК; гК2 и Z. K2 — сопротивление и индуктивность короткого замыкания транс-, форматора через проводящий вентиль со стороны выпрямленного тока; ka — коэффициент, зависящий от схемы соединения обмоток транс­форматора.