Внешние характеристики тиристорных

преобразователей.

Внешней характеристикой ТП называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления a.

U_d = ¦(I_d)

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки.

Снижение напряжения обусловлено тремя факторами:

1. Коммутационным падением напряжения (dU_k).

2. Падением напряжения в активных сопротивлениях цепей преобразователя, по которым протекают токи (dU_R).

3. Падением напряжения в вентилях (dU_B).

Соответственно внешнюю характеристику ТП (при wL_н = ¥) можно записать в виде следующего уравнения:

U_d = E_d0 cos a - dU_k - dU_R - dU_В. (3-16)

В зависимости от мощности выпрямителя влияние активных и реактивных элементов схемы в этом процессе различно. Обычно в маломощных выпрямителях преобладает влияние активного сопротивления обмоток трансформатора, а в мощных - индуктивного сопротивления.

Следует отметить, что при значениях тока нагрузки, не превышающих номинальных, внутреннее падение напряжения ТП (при a = 0), как правило, составляет не более 10 - 15% напряжения E_d0. Однако, при перегрузках и режимах, близких к короткому замыканию, становится существенным влияние внутренних сопротивлений схемы.

Представляет также интерес вид внешних характеристик при малых токах нагрузки. Это связано с тем, что имеется много электроприводов, обслуживающих механизмы с пульсирующим, либо знакопеременным моментом, или требующим частого изменения направления скорости вращения, т.е. реверса механизма. Во всех этих случаях ток снижается до нуля, или, даже, изменяет свое направление. Для выполнения таких функций используются реверсивные ТП, состоящие из двух преобразователей, позволяющих изменять направление тока. При этом, ТП часто работает с малыми токами, имеющими, иногда, нулевое значение.

В таком случае, внешние характеристики ТП меняют свой вид, т.к. здесь в действие вступают совсем другие соотношения, которые описывают другие физические процессы.

При значительном снижении тока допущение его идеальной сглаженности, что имеет место при wL_н = ¥, принято быть не может. Реальная индуктивность нагрузки не только не в состоянии идеально сгладить выпрямленный ток, но она даже не может обеспечить его непрерывность. Ток становится прерывистым и, в этом режиме работы, внешние характеристики теряют свою линейность, внося нежелательные проблемы и трудности в способы управления преобразователями.

С уменьшением тока имеет место резкий рост напряжения ТП из-за явлений, связанных с прерывистым характером тока якоря, когда вентиль предыдущей фазы прекращает проводить ток до момента включения вентиля последующей фазы. При этом, угловая длительность прохождения тока в вентиле (l) становится меньше, чем 2p/m_n.

Эти явления особенно сильно сказываются при больших углах управления (a ) ТП. Уравнение (3-16) справедливо лишь тогда, когда ток в нагрузке протекает непрерывно. Если принято, что индуктивность L_н в цепи выпрямленного тока бесконечно большая, то непрерывность будет иметь место при любых значениях тока. Если же L_н имеет конечную величину, то непрерывное протекание тока возможно лишь при превышении последним некоторого граничного значения I_{d гр.}. Величина последнего согласно (л 1) может быть подсчитана по приближенному уравнению:

(3-17)

Здесь X_тр ¢¢ , Xн и X_р - приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление трансформатора, индуктивные сопротивления нагрузки и сглаживающего реактора.

В трехфазной нулевой схеме E_d0 определяется через фазные напряжения трансформатора, в трехфазной мостовой - через линейные. При этом m_n = 6.

Для мгновенных значений напряжения якорной цепи при отсутствии перекрытия вентилей (g = 0) справедливо уравнение:

e₂ - E_я = i*R_я.ц. + L (di/dt) + dU_в (3-18)

где R_я.ц. = R_я + R_тр + R_р

L = L_я + L_тр + L_р

dU_в - падение напряжения в вентилях;

e₂ и i - мгновенные значения вторичной ЭДС трансформатора и тока.

E_я - ЭДС якоря двигателя.

В выражении (3-18) ЭДС трансформатора изменяется по синусоидальному закону. ЭДС двигателя в установившемся режиме из-за инерционности вращающихся масс не может заметно измениться за время интервала пульсаций и считается постоянной. При этом, разность ЭДС, стоящая в левой части уравнения, в какие- то моменты положительна, а в некоторые моменты оказывается отрицательной. Однако при больших токах в индуктивностях якорной цепи запасается такое количество электромагнитной энергии, которого достаточно для поддержания тока прежнего направления в промежутках времени, когда e₂ - E_я < 0 и, даже, на протяжении части отрицательной полуволны напряжения трансформатора, когда e₂ < 0. Ток в анодной цепи вентиля поддерживается за счет ЭДС самоиндукции ( ) при убывании тока. Поэтому при достаточно больших значениях индуктивности и тока последний не прерывается, и выпрямленная ЭДС преобразователя определяется средним значением ЭДС трансформатора за интервал повторяемости выпрямленной ЭДС (T_п = 2p/m_n).

При малых нагрузках (рис 18) ток под действием противо-ЭДС двигателя снижается до нуля (момент Q₂) раньше момента включения последующего вентиля. В результате ток через якорь при малых нагрузках на валу двигателя проходит не непрерывно, а отдельными импульсами.

Кривые выпрямленного напряжения и тока, при этом, имеют вид, показанный на рисунке:

Выражение (3-18) справедливо только для интервалов времени, в течение которых ток проходит по цепи якоря. В промежутках между импульсами тока вращение якоря поддерживается за счет механической энергии вращающихся масс, а напряжение на выходных клеммах преобразователя равно ЭДС якоря двигателя (E_я ).

Этим объясняется тот факт, что в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения, измеряемого на нагрузке и определяемое площадью между кривой abcde и осью абсцисс, деленной на интервал повторяемости, по мере снижения нагрузки резко возрастает. Чем меньше ток, тем раньше наступит его прерывание, и тем выше оказывается среднее выпрямленное напряжение. В результате этого крутизна внешних характеристик ТП при малых нагрузках резко возрастает.

В соответствии с рис 19 в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения на зажимах двигателя определится выражением:

где e_2ф.max - амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора;

Q₁ и Q₂ - соответственно углы включения и выключения вентилей, отсчитываемые от начала синусоиды линейной ЭДС трансформатора.

Рис 18

Рис 19

Выражение: E_d = E_d0 cos a (3-20) получается из (3-19), как частный случай, если положить l = 2p/m_n , где l - интервал проводимости вентиля.

В режиме непрерывных токов, когда l = 2p/m_n имеет место однозначное соответствие между E_d и Ða . В режиме прерывистого тока среднее выпрямленное напряжение на двигателе зависит не только от величины ЭДС трансформатора “e₂” и угла управления преобразователя a , но также от величины тока, т.е. от величины момента нагрузки на валу двигателя и индуктивности цепи якоря двигателя. Аналитического выражения для внешних характеристик в области прерывистого тока в явном виде получить нельзя, т.к. напряжение и ток связаны трансцендентными уравнениями.

Тем не менее, существуют методы расчета внешних характеристик и в области прерывистого тока. Они используются при выполнении курсового проекта.

3.3.Инверторный режим работы тиристорных

преобразователей.

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин “инвертирование” происходит от латинского inversio - переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, при котором поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь, осуществляющий процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока, - инвертором. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока (частота переменного тока, действующее значение напряжения) в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым, или ведомым сетью.

Исторически термин “инвертор” в преобразовательной технике распространился на все виды статических преобразователей электрической энергии постоянного тока в переменный.

3.3.1. Источник и приемник энергии постоянного тока.

Рис 20

Для рассмотрения и выяснения признаков источника и приемника электрической энергии рассмотрим работу электромашинной системы, используемой на подъемных установках, например, шахтных подъемников. Иногда на шахтах возникает необходимость выполнить, так называемую операцию “перегон порожних подъемных сосудов”.

В исходном состоянии правый подъемный сосуд находится в верхнем положении, левый- в нижнем. Цель “перегона”- поменять подъемные сосуды местами: правый- переместить вниз, левый- поднять вверх. Вес пустых подъемных сосудов одинаков и они уравновешивают друг друга, если не учитывать веса подъемного каната. Но не учитывать этого веса нельзя, т.к. на глубоких шахтах он может иметь большие значения (до нескольких тонн). В начале “перегона” электрическая машина “=М”должна развивать двигательный момент для движения вверх “левого” сосуда вместе с тяжелым подъемным канатом. Когда подъемные сосуды окажутся в середине шахтного ствола, напротив друг друга, левая и правая ветви уравновесятся, а при дальнейшем движении правая, более длинная ветвь каната, спускаясь, будет раскручивать шкив “Ш ”, а значит, и якорь машины “=М”, под действием спускаемого подъемного сосуда и более длинной ветви каната. Машина “=М”должна оказывать тормозное воздействие на раскручиваемый грузом шкив.

Рассмотрим виды преобразования энергии и направление этой энергии при выполнении операции “перегона”.

В начале этой операции электрическая машина “~М”, потребляя из сети переменного тока электрическую энергию, т.е. работая в режиме электрического двигателя, преобразует ее в механическую энергию вращающегося вала, который вращает якорь электрической машины постоянного тока G. Эта машина, будучи возбужденной, работая в режиме генератора постоянного тока, преобразует полученную механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Эта энергия, в виде тока и напряжения по проводам поступает на якорь машины “=М”, где преобразуется в механическую энергию вращающегося шкива “Ш” и энергию, необходимую для подъема левого подъемного сосуда вместе с канатом.

Т.о. электрическая энергия потребляется из сети переменного тока, претерпевает ряд преобразований, и, в конечном счете, используется для выполнения механической работы. Назовем такое направление энергии прямым.

Теперь рассмотрим подробнее режимы работы электрических машин постоянного тока “G” и “=М”. Машина “G” работает в режиме генератора постоянного тока. Она создает ЭДС E_G, под действием которой создается ток в якорной цепи обеих машин.

В статическом режиме работы ток I_я определяется выражением:

I_я = (E_G - E_М )/ å R_я.ц.

Такое выражение для тока I_я связано с тем, что ЭДС E_М направлена встречно с ЭДС E_G и величина тока зависит от разности этих ЭДС. Т.к. в начале процесса “перегона” груз оказывает тормозящее действие на якорь машины “=М”, ее ЭДС, зависящая от частоты вращения, меньше, чем ЭДС E_G и направление тока в якорной цепи совпадает с направлением ЭДС E_G.

Эта сонаправленность ЭДС и тока являются единственным признаком источника электрической энергии постоянного тока.

Если же направление ЭДС и тока в каком- то устройстве встречное, то это означает, что перед нами- приемник электрической энергии.

Эти признаки источника и приемника электрической энергии очень важны для понимания физических процессов, происходящих во многих электротехнических устройствах.

По мере перемещения левой ветви каната, с подвешенным к ней подъемным сосудом, вверх происходит снижение нагрузки на вал двигателя “=М”, частота вращения его увеличивается, возрастает ЭДС E_М , что приводит к уменьшению тока I_я . В тот момент, когда ветви каната уравновесятся, когда подъемные сосуды окажутся в середине ствола, сравняются по величине и встречные ЭДС E_М и E_G.

Ток в якорной цепи на какое- то мгновение станет равным нулю, что означает, что в данный момент нет ни приемника, ни источника электрической энергии. Она не потребляется и не отдается. Но как только правая ветвь перевешивает левую, спускаемый груз начинает ускорять вращение машины “=М”. Ее ЭДС становится больше, чем ЭДС E_G, и в этот момент ток в якорной цепи меняет свое направление. Момент смены направления тока- есть момент перехода приемника энергии “=М” в другое качество. Он становится источником, а машина G- приемником энергии.

С этого момента поток энергии меняет свое направление на обратное. Она вырабатывается в виде механической энергии спускаемого груза, претерпевает обратные, по сравнению с прямым направлением, преобразования и, в конечном счете, поступает в виде электрической энергии в питающую сеть. Таким образом в рассмотренной электромашинной системе (именуемой системой Г- Д) смена режимов работы электрических машин происходит автоматически без каких-либо переключений в схеме, т.е. без вмешательства обслуживающего персонала в работу установки. Движение подъемных сосудов происходит приблизительно с постоянной скоростью, а приводной электродвигатель “=М” обеспечивает на первом этапе пути подъемных сосудов вращательный момент, т.е. работает в двигательном режиме, а на втором, заключительном этапе- тормозной момент, т.е. работает в генераторном режиме.

3.3.2. Перевод нереверсивного тиристорного преобразователя из выпрямительного в инверторный режим работы.

Инвертирование потока энергии из прямого на обратное направление сложнее происходит в системе “тиристорный преобразователь- двигатель постоянного тока” (ТП-Д), чем в системе Г-Д.

Сложность вытекает из того, что не удается изменить направление тока в якорной цепи, вследствие односторонней проводимости вентилей. В работу схемы необходимо вмешательство обслуживающего персонала. Рассмотрим описанный ранее “перегон порожних сосудов”, заменив машины ~М и G на один тиристорный преобразователь (ТП). Один ТП в состоянии реализовать функции этих двух машин. Рассмотрим процессы, происходящие в системе ТП- Д при выполнении “перегона” и способы управления этим процессом.

При движении левого сосуда вверх до середины ствола машина “М” работает в двигательном режиме, а преобразователь- в выпрямительном. Их ЭДС направлены встречно, но т.к. E_d превышает величину E_М , ток I_d совпадает по направлению с ЭДС E_d .

В соответствии с признаками источника и приемника ТП является источником, а машина “М”- приемником энергии. После перехода положения равновесия сосудов в стволе, левая ветвь окажется короче правой и машина “М”, раскручиваемая более тяжелой правой ветвью, увеличит свои обороты. При этом, возрастает значение ЭДС E_М, она превысит E_d , однако ток I_d изменить свое направление на противоположное не сможет- этому помешает односторонняя проводимость вентилей. Это означает, что машина “М” не становится источником, а ТП- приемником энергии.

Рис. 21

Для реализации последнего, не изменяя при этом направление тока в якорной цепи на обратное, необходимо поменять полярность ЭДС преобразователя и машины “М”. В ТП это достигается изменением величины угла управления a . Его нужно сделать большим, чем 90°. Выполнить это очень просто, воздействуя на систему ТП. Т.е. в силовой цепи преобразователя никаких переключений делать не требуется. Изменить полярность ЭДС машины “М”, в принципе, можно тремя способами:

· Изменить направление вращения машины на обратное, что для нас не подходит;

· Переключить силовые провода (точки 1 и 2) на противоположные щетки якоря машины “М”;

· Поменяв направление тока обмотки возбуждения на противоположное, изменив, например, полярность напряжения возбуждения U_в.

Не рассматривая вопроса, какой из последних двух способов реализовать проще, остановимся на 3- ем способе.

При этом, будет обеспечен перевод машины “М” в режим работы источником энергии, а ТП- в режим работы приемником энергии. На схеме видно, что направление тока I_d не меняется, а направление ЭДС машины “М” и ТП соответствуют пунктирным стрелкам. Среднее значение ЭДС E_М¢ должно превышать E_d ¢. ЭДС E_М¢ “приталкивает” ток I_d в фазы питающего трансформатора, в основном, когда ЭДС этих фаз направлены встречно протекающему току. Диаграммы напряжения и тока при работе ТП в режиме приемника энергии, т.е. в инверторном режиме приведены на рис 22.

Анализируя работу тиристорного преобразователя в инверторном режиме, можно перечислить условия, при которых этот режим возможен.

Эти условия следующие:

1. Нагрузка должна содержать в своем составе источник постоянной ЭДС-E_М ;

2. Схема должна обеспечивать возможность протекания тока в направлении ЭДС нагрузки, т.е. полярность E_М¢ должна совпадать с проводящем направлением вентилей. Для выполнения этого требования мы изменим полярность ЭДС E_М на E_М¢;

3. Тиристорный преобразователь должен вырабатывать ЭДС E_d¢, направленную встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров;

4. Среднее значение ЭДС нагрузки должно превышать среднее значение ЭДС ТП.

Рис 22

Сказанное можно проиллюстрировать следующими эквивалентными схемами, изображающими выпрямительный и инверторный режимы работы ТП:

Рис 23

Необходимо отметить, что основная зависимость, связывающая управляющий фактор (Ða) с величиной выпрямленного напряжения (E_d ) остается справедливой и для режима инвертирования. При этом a > 90°, E_d < 0;

3.3.3.Анализ работы ТП в инверторном режиме.

При анализе инверторного режима работы ТП вместо угла управления a используют угол b, дополняющий угол a до 180°. Этот угол отсчитывается от точки пересечения ЭДС коммутируемых фаз в области отрицательных напряжений в сторону опережения (влево). Поэтому его иногда называют углом “опережения включения”, в отличие от угла a, называемого “углом задержки включения”. В действительности никакое “опережение включения” тиристоров места не имеет. Имеет место “задержка включения” еще большая, чем в выпрямительном режиме (a > 90°). Просто отсчет угла управления инвертора удобнее производить от другой точки координаты wt. Угол b получается меньше 90°, и для инвертора оказывается справедливой такая же связь между углом управления (b) и средним значением ЭДС ТП.

E_{d инв} = E_d0 * cos b

При этом надо иметь в виду, что знак ЭДС E_{d инв} противоположен знаку E_{d выпр} ,т.е. отрицателен. Как уже было сказано, связь между углами a и b определяется соотношением:

a + b = 180°.

Из характера электромагнитных процессов в инверторном режиме видно, что они во многом сходны с процессами, протекающими при работе выпрямителя на противо- ЭДС. Основное отличие состоит в том, что в инверторном режиме источник постоянной ЭДС E_М¢ включен с противоположной полярностью относительно вентильной группы и отдает энергию в сеть.

Так как включающие импульсы подаются на вентили с опережением на угол b относительно моментов равенства ЭДС двух коммутируемых фаз в области отрицательных напряжений (точка 1), то поступающий в сеть ток i_a начинает возрастать в сторону положительных значений раньше, чем начинает возрастать напряжение фазы “а” в сторону отрицательных значений (участок 1-2 диаграммы напряжений рис 22). Поэтому первая гармоника тока i_a сдвинута относительно напряжения - U_a в сторону опережения на угол, приблизительно равный {b - (g /2)}.

Рис 24

Векторная диаграмма тока I_a1 (первая гармоника несинусоидального тока i_a ) и напряжения U_a для выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя показана на рис 24. В выпрямительном режиме первая гармоника тока сдвинута относительно напряжения U_a в сторону отставания приблизительно на угол a + (g /2).

Из векторной диаграммы видно, что в инверторном режиме активная составляющая тока I_a1a направлена навстречу напряжению сети U_a, что соответствует поступлению в сеть активной мощности. Реактивная составляющая тока I_a1р, как и в выпрямительном режиме, отстает на угол p/2 от вектора U_a напряжения сети. Следовательно в обоих режимах преобразователь является потребителем реактивной мощности. Связь между действующим значением напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора и напряжением U_d0¢ преобразователя подобна выражению для среднего значения выпрямленного напряжения выпрямителя:

U_d0¢ = Ö2 U₂ m_n /p sin (p/m_n).