Исследование статических режимов разомкнутой системы ТП-ДПТ

В начале 60-х годов появились и стали применяться управляемые статические преобразователи напряжения. Первым этапом в их развитии была разработка газоразрядных устройств: тиратронов и ртутных выпрямителей (экситронов и игнитронов), представляющих из себя баллоны, заполненные инертным газом или парами ртути. Эти преобразователи, хотя и не содержали в себе вращающихся устройств, отличались значительными габаритами и были чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры окружающей среды. Кроме того, ртутные преобразователи были опасны для обслуживающего персонала. Поэтому, сразу же с появлением полупроводниковых управляемых вентилей (тиристоров), ламповые преобразователи стали сниматься с производства и к 70-м годам были практически полностью заменены тиристорными преобразователями. Поэтому здесь и в дальнейшем рассматривается система «Тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д).

Тиристор представляет из себя четырехслойную полупроводниковую структуру. В отличие от диода, для отпирания тиристора необходимы два условия: положительный потенциал на аноде и наличие управляющего импульса на управляющем электроде. Регулирование напряжения осуществляется за счет изменения длительности работы вентиля в проводящем периоде. Таким образом, тиристор является устройством полууправляемым, то есть возможно регулирование момента его отпирания но невозможно прекращение его работы до тех пор, пока потенциал его анода не станет ниже потенциала катода.

Рассмотрим принцип работы тиристорного преобразователя на примере трехфазной нулевой схемы, приведенной на рис.2.1.

Рис.2.1. Трехфазная нулевая схема выпрямления

На рис. 2.2 показаны кривые напряжений и токов при работе схемы. Тиристор данной фазы отпирается при положительном напряжении на аноде, когда на его управляющий электрод подан управляющий импульс, который формируется при помощи системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Точка Д называется точкой естественного зажигания. Период от точки естественного зажигания до момента подачи управляющего импульса называется углом зажигания (или запаздывания) a. Заштрихованные области представляют из себя выпрямленное напряжение. Для сглаживания выпрямленного тока в схеме предназначен сглаживающий реактор LR. Как видно из рис.2 ток преобразователя имеет довольно сложную форму. За счет наличия в силовой цепи индуктивных сопротивлений ток в тиристоре данной фазы не может упасть до нуля мгновенно, а ток в тиристоре следующей фазы – мгновенно возрасти, то есть существуют периоды времени, когда ток протекает по тиристорам двух фаз одновременно. Эти периоды называются периодами коммутации g.

Существует достаточно большое количество схем соединения вентилей, но все они могут быть объединены в две большие группы: нулевые и мостовые. Выше (рис.2.1) приведена нулевая схема, а мостовая - имеет вид, приведенный на рис.1.3. Здесь, в отличие от нулевой схемы, в каждый момент времени ток проходит через два тиристора.

Рис.2.2. Кривые ЭДС и токов в трехфазной схеме выпрямления

Рис.2.3. Трехфазная мостовая схема выпрямления

Так как в нулевой схеме в каждый момент времени пропускает ток тиристор только одной фазы, то трансформатор работает в несимметричном режиме, что может привести к его перегреву, то есть необходимо увеличение мощности трансформатора. Поэтому при питании от тиристорного преобразователя якоря двигателя наиболее целесообразно использовать мостовую схему. За счет этого можно избавиться от громоздких сглаживающих реакторов. Если же питание от преобразователя получает обмотка возбуждения, то имеет смысл применить нулевую схему, так как обмотка возбуждения, имея значительное индуктивное сопротивление, сама играет роль сглаживающего элемента, а, так как мощность возбуждения невелика, то некоторое увеличение мощности трансформатора не имеет решающего значения.

Скоростные характеристики в системе «Тиристорный преобразователь – двигатель» имеют вид, приведенный на рис.2.4. Здесь точки пересечения штрих - пунктирных продолжений линейных участков скоростных характеристик с осью ординат являются теоретическими значениями скоростей идеального холостого хода.

Рис.2.4. Скоростные характеристики электродвигателя в системе ТП-Д

Из рис.4 следует, что изменение угла зажигания вентилей приводит к изменению скорости идеального холостого хода двигателя в широком диапазоне. В системе ТП-Д электрическая машина способна работать в двигательном режиме ( при a < p / 2 ), в режиме динамического торможения ( при a = p / 2 ) и в режиме рекуперации ( при a > p / 2 ). В системе «Тиристорный преобразователь – двигатель» режим динамического торможения используется только в качестве аварийного.

При работе системы электропривода в режиме рекуперации электрическая энергия постоянного тока, генерируемая электрической машиной, преобразуется вентильным преобразователем в энергию переменного тока и передается в сеть. При этом преобразователь работает в режиме инвертора.