Тиристорные преобразователи

Размещено на http://allbest.ru

1. Тиристорные преобразователи: Электромагнитные процессы при работе на активную и активно-индуктивную нагрузку

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,

- выпрямительных блоков,

- сглаживающих реакторов,

- 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.

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

Для нулевых схем среднее выпрямленное напряжение определяется из выражения

где m - число фаз вторичной обмотки трансформатора; U2ф - 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 Д/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.

Силовые схемы тиристорных 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. 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.

2. Реверсивные тиристорные преобразователи с совместным согласованным управлением

Реверсивным называется преобразователь, через который выпрямленный ток может протекать в обоих направлениях. Так как тиристоры пропускают ток только в одном направлении, то для изменения направления тока приходится использовать два комплекта тиристоров, каждый из которых работает в своём направлении. Двухкомплектные преобразователи выполняются по встречно-параллельной и перекрестной схемам. Во встречно-параллельной схеме (рис. 1) оба комплекта тиристоров питаются от общей обмотки трансформатора, причём обе тиристорные группы включены встречно-параллельно друг другу. В перекрестной схеме (рис. 2) каждая тиристорная группа (комплект) питается от отдельной обмотки.

Встречно-параллельные и перекрестные схемы преобразователей могут быть простыми и сложными. В качестве выпрямительной схемы может быть как трехфазная нулевая, так и мостовая Ларионова. Соединение выпрямителей применяется параллельным и последовательным в зависимости от напряжения и тока преобразователя.

В двухкомплектных реверсивных преобразователях используют раздельное и совместное управление тиристорными группами (комплектами). В преобразователях с совместным управлением в силовой схеме между выпрямителями устанавливают уравнительные реакторы (рис. 1), а при раздельном управлении они не требуются.

Раздельное управление принципиально отличается от совместного тем, что управляющие импульсы СИФУ подаются только на работающий комплект (группу) тиристоров, другая группа (противоположной полярности) оказывается в это время запертой. Одновременная работа вентильных групп запрещена.

Рис. 1. Встречно-параллельная силовая схема реверсивного тиристорного преобразователя

Рис. 2. Перекрестные силовые схемы реверсивных тиристорных преобразователей

В связи с изложенным, условия предотвращения аварийных режимов преобразователя при раздельном управлении следующие:

- недопустима одновременная подача отпирающих импульсов на оба комплекта тиристоров;

- запрет включения одного комплекта при наличии тока в другом;

- запрет снятия отпирающих импульсов с работающего комплекта тиристоров.

Реализация условий запрета подачи импульсов на тот или иной комплект тиристоров осуществляется посредством логического переключающего устройства (ЛПУ), представляющего собой схему релейного действия с дискретными входными и выходными величинами.

Раздельное управление может быть реализовано различными способами:

1. Переключением комплектов в функции знака управляющего сигнала, подаваемого на вход системы управления (ЛПУ не разрешает переключение до момента равенства тока нагрузки I_d=0). Этот способ наиболее прост и применим при питании пассивных цепей нагрузки, например, обмотки возбуждения эл. машины.

2. Переключением комплектов в случае, если i₁=i₂=0 и изменилась полярность сигнала ошибки ДU_y на входе системы автоматического регулирования, где ДU_y =( U_упр - U_у) - разница в сигналах управляющего и отрицательное обратной связи. Этот способ может рассматриваться как классический пример использования раздельного управления ТП при питании двигателей постоянного тока.

3. Переключением комплектов в случае, если отсутствует ток i_d преобразователя, изменилась полярность сигнала ошибки ?U_у , как и в предыдущем случае, и известно предшествующее состояние запрета включения вентильных групп, что возможно при наличии элемента памяти в ЛПУ.

Есть и другие более сложные способы управления, которые встречаются редко и поэтому нами не рассматриваются.

При совместном управлении на оба комплекта выпрямителе подаются управляющие импульсы. При этом один из мостов (рис.1) работает в выпрямительном режиме, а другой в это время подготовлен к работе в инверторном режиме. Схема полярности напряжения на выходе преобразователя изменяет выполняемую функцию комплектов вентилей на обратную. Переход в работе с выпрямителя на инвертор происходит автоматически и практически мгновенно.

Вентильная группа, подготовленная к работе в инверторном режиме, вступает в действие тогда, когда, например, встречная э.д.с. нагрузки по каким-либо причинам становится больше выходного напряжения преобразователя, это возможно при подкручивании двигателя механизмом нагрузки или сбросе напряжения управления преобразователем. При этом параллельный работавший в выпрямительном режиме комплект вентилей запирается встречной э.д.с. нагрузки.

Согласованное управление позволяет получить наилучшие динамические показатели, позволяющие практически мгновенно переводить преобразователь из выпрямительного режима в инверторный. Значительно улучшается вид внешних характеристик (их жёсткость), они не имеют излома при переходе из выпрямительного режима в инверторный и наоборот. К недостаткам преобразователей с совместным управлением можно отнести сложность наладки, невозможность полного использования вентилей в выпрямительном режиме, высокие требования в преобразователе к симметрии управляющих импульсов, недопустимость воздействия помех на тиристоры, ухудшение использования трансформатора и понижение коэффициента мощности.

Согласованное управление целесообразно применять в высокоточных электроприводах, где требуется быстрота изменения режимов работы преобразователя.

Перейдем к ознакомлению с конкретными тиристорными преобразователями, установленными в лаборатории. Агрегат тиристорный серии ТЕР4-6З/460Н является комплектным устройством и предназначен для питания якорных цепей двигателей постоянного тока в станкостроительной и других отраслях промышленности. Он выполнен в незащищенном исполнении по реверсивной схеме с раздельным управлением и рассчитан на ток 63 А и выпрямленное напряжение 460 Вольт.

Наиболее типичными видами перенапряжений, которые могут воздействовать на элементы тиристорных преобразователей, являются коммутационные периодические перенапряжения при запирании тиристоров, а также перенапряжения при разрыве цепи выпрямленного тока, при включении или отключении ненагруженного трансформатора. Эти перенапряжения опасны для тиристорных преобразователей из-за высокой чувствительности к ним тиристоров и низкого уровня допустимых прямого и обратного напряжений.

Причиной коммутационных периодических перенапряжений является большая скорость спада обратного тока, обусловленного эффектом накопления в р-n переходах носителей тока и их рассасывания. Скорость уменьшения обратного тока достигает сотен ампер в микросекунду. Величина коммутационных перенапряжений зависит главным образом от индуктивности цепи коммутации и скорости спада обратного тока.

3. Управление автономными инверторами

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя. Технический результат заключается в расширении рабочего диапазона регулирования амплитуды 1-й гармоники выходного напряжения автономного инвертора вплоть до режима 180-градусного управления, обеспечивающего ее максимально возможное значение. Способ управления трехфазными автономными инверторами основан на сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного многофазного модулирующего напряжения, в котором предварительно производят модуляцию амплитуды опорного напряжения в соответствии с величиной и формой модулей фазных модулирующих напряжений.

Полученные опорные напряжения сравнивают с соответствующими фазными модулирующими напряжениями.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и предназначено для управления автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и может быть использовано для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя. Предложенный способ может быть использован для управления как полумостовыми, так и мостовыми инверторами с различным числом фаз, а также инверторами, управляемыми посредством однополярных модулирующих и опорных сигналов.

Кроме того, предложенный способ управления может быть использован для управления трехфазными автономными инверторами с введенными в синусоидальный модулирующий сигнал компонентами нулевой последовательности.

Известен способ управления автономным инвертором, заключающийся в сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного модулирующего напряжения прямоугольной формы, результатом которого является формирование серии импульсов одинаковой длительности, величина которой зависит от амплитуды прямоугольного модулирующего напряжения.

Недостатком известного способа управления является низкое качество выходного напряжения, а именно неудовлетворительный спектральный состав напряжения во всем диапазоне его регулирования.

Известен способ управления автономным инвертором (прототип), заключающийся в сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного модулирующего напряжения, например синусоидальной формы, результатом которого является формирование серии импульсов, длительность которых изменяется по закону модулирующего. Недостатком этого способа управления является ограниченный диапазон регулирования амплитуды 1-й гармонии выходного напряжения, что приводит к недоиспользованию источника питания и ограничению момента и мощности управляемого инвертором асинхронного двигателя.

Рабочий диапазон регулирования 1-й гармонии имеет место до тех пор, пока амплитуда модулирующего напряжения не превышает амплитуды опорного сигнала.

При дальнейшем увеличении модулирующего напряжения (область перемодуляции) амплитуда 1-й гармоники также будет возрастать, но по резко выраженному нелинейному закону, что мало приемлемо для целей управления двигателем.

Упомянутая нелинейность в области перемодуляции обусловлена тем, что по мере увеличения амплитуды модулирующего напряжения происходит слияние соседних импульсов управления ключами автономного инвертора и, соответственно, импульсов выходного напряжения инвертора. И на этих участках теряется управляемость - зависимость ширины импульсов от амплитуды модулирующего сигнала. В пределе все импульсы сливаются в один 180-градусный (на полупериоде выходного напряжения) импульс. Данный режим характеризуется отсутствием широтно-импульсной модуляции, но максимально возможной амплитудой 1-й гармоники выходного напряжения автономного инвертора.

Автономный инвертор содержит три полумоста полностью управляемых ключей 13-18 и три полумоста неуправляемых обратных вентилей 19-24. Каждый из полумостов фазы инвертора содержит последовательно соединенные первый и второй ключ, подключенных соответственно к положительному и отрицательному выводу источника питания, а средней точкой к соответствующей фазе асинхронного двигателя 25.

Способ управления автономным инвертором осуществляют следующим образом. Регулирование скорости асинхронного двигателя осуществляют путем изменения частоты его питающих напряжений с одновременным пропорциональным изменением их амплитудных значений.

Формирование напряжений осуществляют инвертором (фиг.2) за счет коммутации силовых ключей 13-18, порядок работы которых определяет направление тока в обмотках двигателя, а рассогласование времен включения между верхним и нижним ключом фазы инвертора величину среднего напряжения фазы на периоде опорного напряжения.

Для формирования синусоидальных токов в фазах двигателя используют широтно-импульсную модуляцию напряжений по заданному, например, синусоидальному закону. Расширение рабочего диапазона регулирования амплитуды 1-й гармоники выходного напряжения автономного инвертора вплоть до режима 180-градусного управления достигают за счет предварительной модуляции амплитуды опорного напряжения в соответствии с величиной и формой модулей фазных модулирующих напряжений и дальнейшего сравнения полученных опорных напряжений с соответствующими фазными модулирующими напряжениями. В результате этого формируют модулированные по длительности импульсы управления ключами автономного инвертора. Вариант устройства управления автономным, например трехфазным, инвертором для реализации предложенного способа при использовании ШИМ, например синусоидальной (далее СШИМ).

Напряжение с источника 1 эталонного постоянного напряжения задает амплитуду треугольного опорного напряжения, а также через потенциометр 3 амплитуду и частоту выходных сигналов трехфазного генератора 4 синусоидального модулирующего напряжения. Примем для простоты величину эталонного напряжения в относительных величинах равной единице. Пусть амплитуда опорного напряжения равна величине эталонного напряжения, т.е. единице.

Также пусть амплитуда модулирующих напряжений будет, в соответствии с величиной входного управляющего сигнала, меняться от нуля до единицы, а их частота, пропорционально амплитуде, - от заданного минимального до заданного максимального значений. Напомним, что отношение амплитуды модулирующего сигнала к амплитуде опорного сигнала называется глубиной модуляции, и выражение для нее имеет вид

M=E_м/E_оп,

где E_м - амплитуда модулирующих напряжений;

Е_оп - амплитуда опорного напряжения.

Как известно, 1-я гармоника выходного напряжения автономного инвертора пропорциональна глубине модуляции.

Поскольку Е_оп=1, то E_м=M. На выходе сумматора 5 будет формироваться разность между амплитудами опорного и модулирующих сигналов. Назовем ее для определенности разностным напряжением. В каналах 6-8 сравнения формирователем 9 формируется модуль соответствующего модулирующего сигнала, к которому в сумматоре 10 добавляется упомянутое разностное напряжение. В результате получается сигнал модуляции опорного напряжения, амплитуда которого всегда равна 1, а огибающая равна абсолютной величине соответствующего фазного модулирующего сигнала. Таким образом, мгновенное значение сигнала модуляции амплитуды опорного сигнала для j-го канала сравнения можно выразить следующим образом:

где ц_j - фазовый сдвиг модулирующего сигнала j-го канала относительно начала координат;

j - индекс фазы (=A, B, C).

Такая форма опорного треугольного напряжения и ее изменение в зависимости от глубины модуляции, а также число опорных напряжений, равное числу фаз модулирующих напряжений, обеспечивают следующее. Во-первых, при малых значениях глубины модуляции (а значит и на малых выходных частотах автономного инвертора) опорное напряжение мало деформируется, и предложенный способ управления обеспечивает характеристики автономного инвертора, близкие к способу СШИМ, т.е. обеспечивает хорошее качество выходного напряжения.

Во-вторых, при больших значениях глубины модуляции (а, значит, и на высоких выходных частотах автономного инвертора) опорное напряжение деформируется уже существенным образом. Уменьшение амплитуды соответствующего треугольного опорного напряжение по краям соответствующего полупериода модулирующего напряжения приводит, согласно выражению для глубины модуляции (см. выше), к локальному ее увеличению, а значит, и к увеличению амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения. тиристорный преобразователь ток инвертор

При глубине модуляции М, стремящейся к единице, разностное напряжение стремится к нулю, и сигнал модуляции амплитуды опорного напряжения практически становится равным абсолютному значению соответствующего модулирующего напряжения. При этом импульсы на выходе компаратора перестают модулироваться по синусоидальному закону. Они практически становятся постоянными по длительности, что характерно для способа широтно-импульсного регулирования (ШИР).

Таким образом, с использованием предлагаемого способа управления автономным инвертором при увеличении глубины модуляции происходит плавный переход от СШИМ к ШИР. Последнее в свою очередь обеспечивает плавный переход к режиму 180-градусного управления при M=1. Причем выход на максимально возможный уровень 1-й гармоники обеспечивают без режима перемодуляции, т.к. при регулировании амплитуда модулирующего напряжения никогда не превышает амплитуды опорного напряжения.

Список использованной литературы

1. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. - Новосибирск.: Изд-во НГТУ, 2003

2. Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. - М.: Энергия, 1987.

3. Березин О. К., Костиков В. Г. и др. Источники электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 2000.

4. Костиков В. Г., Парфенов В. И. Источники питания электрических средств, схемотехника и конструирование. - М.: Радио и связь, 1988.

5. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е. И. Беркович, Г. В. И венский, Ю. С. Иоффе и др. - JI.: Энергоатомиздат, 1983.

Размещено на Allbest.ru