Тиристорные преобразователи постоянного тока

Тиристорным преобразователем постоянного тока (ТП) является устройство для преобразования переменного тока в постоянный с регулированием по заданному закону выходных параметров (тока и напряжения). Тиристорные преобразователи предназначаются для питания якорных цепей двигателей и их обмоток возбуждения.

Тиристорные преобразователи состоят из следующих основных узлов:

• трансформатора или токоограничивающего реактора на стороне переменного тока,

• элементов системы управления, защиты и сигнализации.

Трансформатор осуществляет согласование входного и выходного напряжений преобразователя и (так же, как и токоограничивающий реактор) ограничение тока короткого, замыкания во входных цепях. Сглаживающие реакторы предназначаются для сглаживания пульсаций выпрямленных напряжения и тока. Реакторы не предусматриваются, если индуктивность нагрузки достаточна для ограничения пульсаций в заданных пределах.

Применение тиристорных преобразователей постоянного тока позволяет реализовать практически те же характеристики электропривода, что и при использовании вращающихся преобразователей в системах генератор-двигатель (Г — Д), т. е. регулировать в широких пределах частоту вращения и момент двигателя, получать специальные механические характеристики и нужный характер протекания переходных процессов при пуске, торможении, реверсе и т. д.

Однако, по сравнению с вращающимися статические преобразователи имеют целый ряд известных преимуществ, поэтому в новых разработках крановых электроприводов предпочтение отдается статическим преобразователям. Тиристорные преобразователи постоянного тока наиболее перспективны для применения в электроприводах крановых механизмов мощностью свыше 50—100 кВт и механизмов, где требуется получение специальных характеристик привода в статических и динамических режимах.

Схемы выпрямления, принципы построения силовых цепей преобразователей

Тиристорные преобразователи выполняются с однофазными и многофазными схемами выпрямления. Существует несколько расчетных соотношений основных схем выпрямления. Одна из таких схем показана на рис. 1, а. Регулирование выпрямленного напряжения Ua и тока Ia производится путем изменения угла управления α . На рис. 1, б-д для примера показан характер изменения токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме выпрямления при активно-индуктивной нагрузке

Рис. 1. Трехфазная нулевая схема (а) и диаграммы изменения тока и напряжения в выпрямительном (б, в) и инверторном (г, д) режимах.

Показанный на диаграммах угол γ (угол коммутации), характеризует период времени, в течение которого ток протекает одновременно по двум тиристорам. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Ua от угла регулирования α называется регулировочной характеристикой.

Для нулевых схем среднее выпрямленное напряжение определяется из выражения

где m — число фаз вторичной обмотки трансформатора; U2 ф – действующее значение фазового напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Для мостовых схем Udo в 2 раза выше, так как эти схемы эквивалентны последовательному включению двух нулевых схем.

Однофазные схемы выпрямления используются, как правило, в цепях с относительно большими индуктивными сопротивлениями. Это цепи независимых обмоток возбуждения двигателей, а также якорные цепи двигателей небольшой мощности (до 10—15 кВт). Многофазные схемы используются в основном для литания якорных цепей двигателей мощностью свыше 15— 20 кВт и реже для питания обмоток возбуждения. По сравнению с однофазными многофазные схемы выпрямления имеют целый’ ряд преимуществ. Основными из них являются: меньшие пульсации выпрямленного напряжения и тока, лучшее использование трансформатора и тиристоров, симметричная нагрузка фаз питающей сети.

В тиристорных преобразователях постоянного тока, предназначенных для крановых приводов мощностью свыше 20 кВт, наиболее оправдано применение трехфазной мостовой схемы. Это обусловлено хорошим использованием трансформатора и тиристоров, низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и тока, а также простотой схемы и конструкции трансформатора. Известным достоинством трехфазной мостовой схемы является и то, что она может быть выполнена не с трансформаторной связью, а с токоограничивающим реактором, габариты которого существенно меньше габаритов трансформатора.

В трехфазной нулевой схеме условия использования трансформатора при обычно применяемых группах соединения Y/Y и Δ/Y хуже из-за наличия постоянной составляющей потока. Это приводит к увеличению сечения магнитопровода и, следовательно, расчетной мощности трансформатора. Для исключения постоянной составляющей потока применяют соединение вторичных обмоток трансформатора в «зигзаг», что также несколько увеличивает расчетную мощность. Увеличенный уровень, пульсаций выпрямленного напряжения вместе с отмеченным выше недостатком ограничивает использование трехфазной нулевой схемы.

Шестифазная схема с уравнительным реактором целесообразна при использовании ее на низкое напряжение и большой ток, так как в этой схеме нагрузочный ток протекает параллельно, а не последовательно через два диода, как в трехфазной мостовой схеме. Недостатком этой схемы является наличие уравнительного реактора, имеющего типовую мощность около 70% выпрямленной номинальной мощности. Кроме того, в шестифазных схемах используется довольно сложная конструкция трансформатора.

Схемы выпрямления на тиристорах обеспечивают работу в двух режимах — выпрямительном и инверторном. При работе в инверторном режиме энергия из цепи нагрузки передается в питающую сеть, т. е. в противоположном направлении по сравнению с выпрямительным режимом, поэтому при инвертировании ток и э. д. с. обмотки трансформатора направлены встречно, а при выпрямлении — согласно. Источником тока в режиме инвертирования является э. д. с. нагрузки (машины постоянного тока, индуктивности), которая должна превышать напряжение инвертора.

Перевод тиристорного преобразователя из выпрямительного режима в инверторный достигается изменением полярности э. д. с. нагрузки и увеличением угла α выше π/2 при индуктивной нагрузке.

Рис. 2. Встречно-параллельная схема включения вентильных групп. УР1— УР4 — уравнительные реакторы; РТ — токоограничивающий реактор; CP — сглаживающий реактор.

Рис. 3. Схема нереверсивного ТП для цепей обмоток возбуждения двигателей. Для обеспечения режима инвертирования необходимо, чтобы закрывающийся очередной тиристор успел восстановить свои запирающие свойства, пока на нем имеется отрицательное напряжение, т. е. в пределах угла φ (рис. 1, в).

Если это не произойдет, то закрывающийся тиристор может снова открыться, так как к нему прикладывается прямое напряжение. Это приведет к опрокидыванию инвертора, при котором возникнет аварийный ток, поскольку э. д. с. машины постоянного тока и трансформатора совпадут по направлению. Для исключения опрокидывания необходимо, чтобы выполнялось условие

где δ — угол восстановления запирающих свойств тиристора; β = π — α — угол опережения инвертора.

Силовые схемы тирсторных преобразователей, предназначенных для питания якорных цепей двигателей, выполняются как в нереверсивном (одна выпрямительная группа тиристоров), так и в реверсивном (две выпрямительные группы) исполнениях. Нереверсивные исполнения тиристорных преобразователей, обеспечивающих одностороннюю проводимость, позволяют работать в двигательном и генераторном режимах только при одном направлении момента двигателя.

Для изменения направления момента требуется или изменить направление тока якоря при неизменном направлении потока возбуждения, или изменить направление потока возбуждения при сохранении направления тока якоря.

Реверсивные тиристорные преобразователи имеют несколько разновидностей схем силовой цепи. Наибольшее распространение получила схема с встречно-параллельным подключением к одной вторичной обмотке трансформатора двух вентильных групп (рис. 2). Такая схема может быть выполнена и без индивидуального трансформатора с питанием тиристорных групп от общей сети переменного тока через анодные токоограничивающие реакторы РТ. Переход на реакторный вариант значительно сокращает размеры тиристорного преобразователя и снижает его стоимость.

Тиристорные преобразователи для цепей обмоток возбуждения двигателей выполняются в основном в нереверсивном исполнении. На рис. 3, а показана одна из применяемых схем включения выпрямительных элементов. Схема позволяет в широких пределах изменять ток возбуждения двигателя. Минимальное значение тока имеет место, когда тиристоры Т1 и Т2 закрыты, а максимальное, когда они открыты. На рис. 3, б, г показан характер изменения выпрямленного напряжения для этих двух состояний тиристоров, а на рис. 3, в для состояния, когда

Способы управления реверсивными тиристорными преобразователями

В реверсивных тиристорных преобразователях применяются два основных способа управления вентильными группами — совместный и раздельный. В свою очередь совместное управление выполняется согласованным и несогласованным.

При согласованном управлении отпирающие импульсы на тиристоры подаются на обе группы вентилей таким образом, чтобы средние значения выпрямленного напряжения у обеих групп были равны между собой. Это обеспечивается при условии

где a в и a и — углы регулирования выпрямительной и инверторной групп. При несогласованном управлении среднее значение напряжения инверторной группы превышает напряжение выпрямительной группы. Это достигается при условии, если

Мгновенное значение напряжений групп при совместном управлении не равны друг другу во все моменты времени, вследствие чего в замкнутом контуре (или контурах), образуемых тиристорными группами и обмотками трансформатора, течет уравнительный ток, для ограничения которого в цепь тиристорного преобразователя включаются уравнительные реакторы УР1—УР4 (см. рис. 1).

Реакторы включают в контур уравнительного тока по одному или по два на группу, причем, их индуктивность выбирается такой, чтобы уравнительный ток не превышал 10% номинального тока нагрузки. При включении токоограничивающих реакторов по два на группу они выполняются насыщающимися при протекании тока нагрузки. Например, при работе группы В насыщаются реакторы УР1 и УР2, а реакторы УРЗ и УР4 остаются ненасыщенными и ограничивают уравнительный ток. Если реакторы включаются по одному на группу (УР1 и УРЗ), то они выполняются не насыщающимися при протекании тока нагрузки.

Преобразователи с несогласованным управлением имеют меньшие габариты реакторов, чем при согласованном управлении. Однако при несогласованном управлении снижается диапазон допустимых углов регулирования, что приводит к худшему использованию трансформатора и уменьшению коэффициента мощности установки. Одновременно нарушается линейность регулировочных и скоростных характеристик электропривода. Для полного исключения уравнительных токов используется раздельное управление вентильными группами.

Раздельное управление заключается в том, что управляющие импульсы подаются только на ту группу, которая в данный момент должна работать. На вентили неработающей группы управляющие импульсы не подаются. Для изменения режима работы тиристорного преобразователя используется специальное переключающее устройство, которое при равенстве нулю тока тиристорного преобразователя сначала снимает управляющие импульсы с ранее работающей группы, а затем после небольшой паузы (5—10 мс) подает управляющие импульсы на другую группу.

При раздельном управлении нет необходимости включения уравнительных реакторов в цепи отдельных групп вентилей, возможно полное использование трансформатора, снижается вероятность опрокидывания инвертора вследствие уменьшения времени работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме, уменьшаются потери энергии и соответственно увеличивается к. п. д. электропривода из-за отсутствия уравнительных токов. Однако раздельное управление предъявляет высокие требования к надежности устройств для блокирования управляющих импульсов.

Сбой в работе блокирующих устройств и появление управляющих импульсов на нерабочей группе тиристоров приводят к внутреннему короткому замыканию в тиристорном преобразователе, так как уравнительный ток между группами в этом случае ограничен только реактансом обмоток трансформатора и достигает недопустимо большого значения.

Схема регулирования тиристорный преобразователь двигатель

Двигатель постоянного тока Д получает питание от тиристорного преобразователя ТП, который преобразует напряжение сети переменного тока Uc в выпрямленное напряжение Uя, приложенное к цепи якоря двигателя. Для сглаживания пульсаций тока в цепь якоря введен сглаживающий реактор Р. Выпрямленное напряжение Uя зависит от угла регулирования а, противоЭДС нагрузки, тока нагрузки, падений напряжения на элементах силовой цепи преобразователя, и внешние характеристики преобразователя UTП=UЯ=f(Iя, Е) при ?=const имеют сложный нелинейный вид.
Внешняя характеристика тиристорного преобразователя близка к линейной только при непрерывном токе нагрузки. При этом процессы в цепи выпрямленного тока определяются средними значениями напряжения и тока, что позволяет без большой погрешности представить преобразователь в качестве источника питания с ЭДС Еп и эквивалентным внутренним сопротивлением Rп экв. Значения Еп в этом режиме однозначно определяются утлом регулирования а и при линейной характеристике СИФУ зависимость а показана En=f(U) на рис.6.10,б (кривая 1) При замене реальной характеристики линеаризованной как динамическое звено системы электропривода тиристорный преобразователь в режиме непрерывного тока описывается уравнением

где kn=En/Uy=const; Tn — малая постоянная, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в системе фазоим-пульсного управления.
Уравнение электрического равновесия для якорной цепи, записанное в операторной форме, в этом режиме аналогично (6.7) для системы Г-Д:

где RЯ?=Rпэкв+Rя?дв — суммарное сопротивление якорной цепи ТП-Д; Rп.экв=Rк+Rт+Rр+Rвср — эквивалентное сопротивление преобразователя, Rк=mхт/2? — сопротивление, учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за процессов коммутации токов вентилями преобразователя; Rт, XT – приведенные ко вторичной цепи активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы трансформатора; m — число фаз выпрямления; R — сопротивление обмотки сглаживающего реактора Р; RK-усредненное сопротивление п вентилей, по которым протекает ток Iном.
С помощью (6.15) при Ф=Фном получим уравнение механической характеристики:

Следовательно, в режиме непрерывного тока механические характеристики электропривода в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны системе Г-Д. Статические характеристики, соответствующие (6 16) при р=0, показаны на рис 6.10,в.
Реальные статические механические характеристики могут отличаться от представленных на рис.6.10,в. Если в системе используется реверсивный тиристорный преобразователь с совместным согласованным управлением комплектами вентилей, характеристики могут несколько отличаться в зоне перехода от двигательного режима к режиму рекуперации вследствие неточности согласования характеристик управления комплектами вентилей (при Uy=0, ?>90 °).
При раздельном управлении комплектами вентилей в области малых нагрузок ток становится прерывистым, и это существенно меняет характеристики. При U=0 и ?=90 ° среднее значение Eп становится не равным нулю и увеличивается по мере уменьшения интервала проводимости. Для Iя=0 зависимость Eп=f(Uу) при p=0 приобретает вид кривых 2 и 3. В зоне прерывистых токов искажаются и механические характеристики, как показано на рис.6.10,в для естественной характеристики 1 штриховыми линиями 2 и 3.
Наиболее существенные особенности в систему ТП-Д вносит использование нереверсивного тиристорного преобразователя. При этом система является неполноуправляемой, ток якоря может протекать только в одном направлении. Соответственно механические характеристики во втором и третьем квадрантах не существуют.
Учет особенностей, вносимых различными тиристорными преобразователями, при проектировании электропривода имеет важное практическое значение Ему уделяется главное внимание в курсе «Системы управления электропривода» при изучении свойств и методов построения и расчета различных систем ТП-Д. В данном курсе для выявления общих закономерностей регулируемого электропривода предполагается работа системы ТП-Д при непрерывном токе и используются уравнения (6.14)-(6.16).
Структурные схемы системы ТП-Д, соответствующие этим уравнениям и уравнению движения электропривода при жестких механических связях, представлены на рис.6.11,а и б. При составлении схемы на рис.6.11,б уравнение (6.14) представлено в виде

Система ТП-Д отличается весьма высоким быстродействием преобразователя. Постоянная времени Тп при полупроводниковой СИФУ не превосходит 0,01 с. Соответственно возможности создания быстродействующих электроприводов при переходе к системе ТП-Д существенно расширяются.
Оценим экономичность системы ТП-Д в сравнении с системой Г-Д. При использовании нереверсивного преобразователя установленная мощность системы ТП-Д составляет 2Рдв, т.е. меньше, чем для системы Г-Д. Однако при этом система ТП-Д имеет ограниченные технические возможности. В сравнимом варианте использования реверсивного преобразователя установленные мощности систем ТП-Д и Г-Д примерно одинаковы. Однако преимущества статического преобразователя перед вращающимся при этом говорят в пользу системы ТПД.
Важным достоинством системы ТП-Д является ее высокий КПД. Потери энергии в тиристорах при протекании номинального тока составляют 1-2% номинальной мощности привода. Поэтому даже с учетом потерь в реакторе и трансформаторе КПД преобразователя при мощности, составляющей десятки киловатт, достаточно высок.
Недостатками тиристорного преобразователя являются изменяющийся в широких пределах cos ф, равный примерно cos ?, и значительные искажения формы потребляемого из сети тока. Для повышения коэффициента мощности применяют регулируемые фильтрокомпенсирующие устройства.