double arrow

РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА НАГРУЗКУ РАЗЛИЧНОГО ХАРАКТЕРА

Выше была рассмотрена работа различных схем выпрямления с неуправляемыми и управляемыми вентилями на нагрузку с чисто активным сопротивлением. Однако в практике наряду с чисто активной нагрузкой для силовых выпрямителей часто встречается смешанная активно-индуктивная нагрузка и нагрузка на встречную ЭДС. Примерами таких нагрузок являются обмотки возбуждения электрических машин и втягивающие катушки электроаппаратов, а также любые другие электроприемники, питаемые от выпрямителя через фильтр, входным элементом которого служит индуктивная катушка. Случаям нагрузки на встречную ЭДС соответствует работа выпрямителя на якорь дви­гателя постоянного тока, а также при зарядке от выпрямителя аккумуляторных батарей или питании электролизных ванн.

В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входят встречная ЭДС и активное сопротивление (якорь двигателя, сопротивление обмоток силового трансформатора и др.), которые сочетаются с последовательным включением индуктивности, присущей самой нагрузке или дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.

Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис. 26,a) отличается от работы на чисто активную нагрузку тем, что ток в цепи выпрямления, возникнув в момент открывания вентиля, нарастает медленнее, чем происходит увеличение напряжения u2. Это связано с наличием индуктивности Ld в цепи нагрузки, которая является в электрической цепи инерционным элементом, препятствующим резкому изменению тока id. Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в нагрузке будет некоторое время продолжать расти и далее постепенно спадать за счет энергии, запасенной в индуктивности (рис. 26, б).

Протекание тока через вентиль будет происходить и в течение некоторой части отрицательного полупериода вторичного напряжения за счет положительной ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld при уменьшении тока нагрузки, которая компенсирует отрицательное напряжение и2 и падение напряжения Δuв в цепи выпрямления.

Общая продолжительность λ протекания тока через вентиль VD зависит от значения индуктивности Ld, с увеличением которой возрастает длительность протекания тока id. Среднее значе­ние выпрямленного напряжения на активно-индуктивной нагрузке Ud R-L однополупериодного выпрямителя будет меньше, чем напряжение UdR при активной нагрузке, так как при ωt > π напряжение ud отрицательно (рис. 26, в).

Пульсации тока id в нагрузке не уменьшаются даже при значительном увеличении индуктивности Ld, так как ток iв всегда меняется от нуля до Iв тах. Вследствие этого в однополупериодных выпрямителях индуктивность не применяется в качестве фильтра (см. § 6).

При двухполупериодном выпрямлении (рис. 27,а) в отличие от чисто активной нагрузки ток id в цепи Ld, Rd становится более сглаженным (рис. 27, б). Действительно, ток iв1 в вентиле VI к концу положительного полупериода под воздействием индуктивности не спадет до нуля, а в момент ωt = π ток нагрузки переходит к вентилю V2, так как потенциал анода V2 становится выше потенциала анода V1 (см. рис. 16, б). Указанный переход тока происходит мгновенно, так как в анодных цепях вентилей V1 и V2 нет индуктивностей. В следующий полупериод, когда и будет опять положительно, ток id снова переходит к вентилю V1 (рис. 27, в).

Ток нагрузки id представляет собой пульсирующий выпрямленный ток, который кроме постоянной составляющей ld имеет и переменную составляющую ld~. Форма выпрямленного тока будет зависеть от индуктивности Ld, угловой частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения ω и сопротивления Rd. При достаточно большом значении Ld (например, ωLd/Rd ≥ 5) пульсации тока id составляют всего несколько процентов среднего значения выпрямленного тока ld, и без большой погрешности можно считать, что ωLd ≈ ∞ или Ld = ∞, т.е. кривая тока id становится идеально сглаженной.

Выпрямленное напряжение ud на выходе выпрямителя, т.е. напряжение на зажимах всей цепи RL нагрузки, и обратное напряжение на вентиле будут иметь такую же форму, как при работе схемы на активную нагрузку. Это объясняется тем, что переход тока с одного вентиля на другой происходит в те же моменты, что и в случае работы схемы без индуктивности Ld.

Влияние индуктивности в цепи нагрузки сказывается на действующих значениях токов, протекающих в вентилях и обмотках (Iв, I2 и I1), а также на типовой мощности трансформатора ST. Количественные соотношения между токами и напряжениями в элементах выпрямителя, а также типовая мощность трансформатора для различных схем выпрямления с неуправляемыми вен­тилями при Ld = ∞ приведены в табл. 1.

Процессы в схеме управляемого выпрямителя при работе его на активно-индуктивную нагрузку отличаются от процессов при работе схемы на активную нагрузку. Пусть однофазная мостовая схема (рис. 28,а) работает с идеально сглаженным током id(Ld = ∞), тогда тиристоры VC1 и VC3, вступив в работу в момент времени t1 (рис. 28, б), не закроются в момент прохождения фазного напряжения и2 через нуль (момент t2), как это было при чисто активной нагрузке, а будут проводить ток при отрицательном напряжении вторичной обмотки до тех пор, пока не будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VC2, VC4 (момент t3). Тогда эта пара тиристоров вступит в работу, а тиристоры VC1, VC3 выключаются. Вентили VC3, VC4 будут проводить ток, пока снова не будут поданы управляющие импульсы на вентили VC1, VC3 (момент t5),и т.д.

Длительность протекания тока через каждую пару тиристоров остается равной 180°. При ωLd = ∞ ток id в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равной Id

В кривой выпрямленного напряжения ud в интервалах времени 0 — t1, t2 — t3 и т.д. появляются участки отрицательного напряжения, когда ток через тиристор и нагрузку проходит под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld.

Это вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения иd. Очевидно, что с ростом угла α площадь отрицательных участков увеличивается, а значение Ud будет уменьшаться. Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае может быть определено для всего диапазона изменения угла а по следующей формуле:

Выражение (42) справедливо для всех управляемых схем при работе выпрямителя со сглаженным (непрерывным) током. Предельным углом регулирования, при котором в выпрямленном напряжении ud положительные и отрицательные участки равны между собой и постоянная составляющая отсутствует, т.е. Ud = 0, является угол α = π/2.

Регулировочные характеристики однофазных выпрямителей для активно-индуктивной нагрузки зависит от соотношения ωLd/Rd и показаны на рис. 25.

Если отношение ωLd/Rd < 5, то энергии, запасенной в индуктивности Ld на интервале, когда ud > 0, оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока id в течение половины периода, и вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на следующий по порядку работы вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом α. Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис. 28, г).

Среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током при одинаковых значениях угла α, благодаря уменьшению отрицательных участков в кривой ud, но меньше, чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, когда отрицательных участков нет. Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики двухполупериодного выпрямителя будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис. 22.

Очевидно, что чем больше угол α, тем больше должна быть индуктивность Ld, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током id. При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока, определяемом нагрузкой, действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла α, индуктивность Ld обычно выбирается из условия обеспечения непрерывности выпрям­ленного тока при угле регулирования α = αтах.

Работа выпрямителя на нагрузку с противо-ЭДС. Такой вид нагрузки встречается при питании от выпрямителей аккумуляторов, электродвигателей, мощных конденсаторов и др. Особенность работы выпрямителя в этом случае состоит в том, что такого рода потребители имеют собственную ЭДС Еа, которая направлена навстречу напряжению Ud выпрямителя.

На рис. 29,а представлена схема однофазного двух полупериодного выпрямителя, который нагружен на якорь двигателя постоянного тока с противо-ЭДС Еа. Рассмотрим работу схемы без индуктивности Ld (ключ К замкнут). Ток через вентили схемы может проходить лишь в те положительные части периодов, когда выпрямленное напряжение ud будет больше Еа. Например, вентиль V1 откроется в момент t1 и закроется в момент t2 (рис. 29, б), вентиль V2 вступит в работу в следующий полупериод и будет проводить ток в интервале времени t3—t4. Кривая выпрямленного тока id имеет прерывистый (импульсный) характер, а значение его можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:

где сопротивление Rd в данном случае равно сумме сопротивлений rдв и /Rт.

Очевидно, что интервал проводимости вентилей λ будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора U2m = U2 и значения Еа.

С ростом Еа пульсации тока iв вырастают, так как уменьшается длительность λ работы вентилей в течение каждого полупериода (рис. 29, г). Это приводит к тому, что при равных средних значениях токов Iв,cр, протекающих через вентиль, отношения Iв max/Id и I,ср возрастают, что свидетельствует об ухудшении использования вентилей по току и увеличении тепловых потерь в обмотках трансформатора с ростом Еа.

Чтобы выпрямленный ток был непрерывным, необходимо включать в цепь нагрузки индуктивность Ld (ключ К на рис. 29,a разомкнут), которая соответствует неравенству ωLd ≥ 5Rd, и среднее значение выпрямленного напряжения Ud должно быть больше противо-ЭДС Еa.

При выполнении первого условия мгновенное и среднее значения выпрямленного тока совпадают (id = ld), а переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется в виде падения напряжения на дросселе Ld. Если не выполнить второго условия, то ток id станет прерывистым даже при большой индуктивности дросселя Ld, так как тиристоры будут проводить ток только при условии и2 > Еa.

Таким образом, при включении в цепь нагрузки индуктивности Ld пульсация выпрямленного тока уменьшается и при ωLd ≥ 5Rd становится равной нулю (вся пульсация напряжения Ud оказывается приложенной к индуктивности Ld). В этом случае среднее значение выпрямленного тока определяется соотношением

При известных средних значениях выпрямленного тока ld и напряжения Ud параметры вентилей Iв,ср, Iв,д и Uобр rnax трансформатора I2, U2, I1 и SТ для различных схем выпрямителей, работающих на нагрузку с противо-ЭДС при непрерывном токе, определяются такими же соотношениями, как и в ранее разобранных случаях работы выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку (см. табл. 1).

Коммутация тока в силовых схемах выпрямления. При рассмотрении работы маломощных выпрямителей обычно учитывают только активные сопротивления обмоток трансформатора, а индуктивными сопротивлениями, создаваемыми потоками рассеяния в магнитной системе, обычно пренебрегают. Такое допущение давало возможность считать, что выпрямленный ток переходит с одного вентиля на другой мгновенно. Этот процесс перек­лючения вентилей многофазного выпрямителя называется коммутацией тока.

В мощных выпрямителях индуктивности рассеяния обмоток трансформатора оказывают значительное влияние на работу схемы, изменяя значение и форму кривой выпрямленного напряжения, токов вентиля и обмоток трансформатора. Процесс нарастания тока во вступающем в работу и спад тока в выходящем из работы вентилях в этом случае происходит за конечный интервал времени. В то же время влиянием активных сопротивлений обмоток трансформатора и падением напряжения в вентилях нередко можно пренебречь, так как обмотки и их соединения выполняются проводом большого сечения.

В расчетах обычно пользуются суммарной для каждой фазы индуктивностью рассеяния La, приведенной ко вторичной обмотке трансформатора, значение которой определяется по индуктивному сопротивлению обмоток, рассчитываемому по формуле

где ик — напряжение КЗ трансформатора, %; U1ном, I1hom -Номинальные значения напряжения. В, и тока фазы, А, первичной обмотки; n ≈ U1Н0М/U2ном - коэффициент трансформации трансформатора.

Рассмотрим процесс коммутации и его влияние на работу выпрямителя на примере трехфазной схемы с нулевым выводом. Нагрузка принимается активно-индуктивная (рис. 30,а). Приведенные индуктивности La1, Lb2 иLc3 обмоток трансформатора включены в анодные цепи тиристоров VC1 — VC3, а в цепи нагрузки имеется значительная индуктивность Ld и выпрямленный ток id можно считать идеально сглаженным.

Наличие в фазах вторичной обмотки трансформатора индуктивности La приводит к тому, что переход тока ld от одного вентиля к другому происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, который называется углом коммутации и обозначается буквой γ.

Пусть в интервале t1-t2 (рис. 30, б) работает вентиль VC1. В момент t2, т.е. с задержкой на угол α, открывается вентиль VC2 и начинается процесс коммутации тока с тиристора VC1 на VC2 (рис. 30,в), в течение которого оба вентиля будут открыты и проводят ток в нагрузку одновременно, а две вторичные обмотки трансформатора (a и Ь) оказываются замкнутыми через них накоротко. При этом к напряжению фазы а будет добавляться наводимая в индуктивности La1 ЭДС самоиндукции eL2, задерживая спад тока iT1, а из напряжения фазы b будет вычитаться ЭДС eL2, препятствуя росту тока iT2. Поскольку при Ld = ∞ значение тока Id все время постоянно, то выпрямленный ток id в момент коммутации остается неизменным и будет равен сумме токов двух соседних вентилей: id = ld = iT1 + iT2.

Такой процесс будет продолжаться до момента t3, когда ток iT уменьшится до нуля и тиристор VC1 закроется, а ток в тиристоре VC2 возрастет до iT1 = ld.

Результирующие напряжения фаз а и b за период коммутации будут одинаковы, так как обе обмотки имеют общие потенциалы в нулевой точке и у катодов вентилей К (рис. 30,а), а значение их определяется полусуммой мгновенных значений фазных напряжений, так как оно действует в короткозамкнутом контуре, состоящем из тиристоров VC1 и VC2, двух последовательно соединенных вторичных обмоток трансформатора с суммарным напряжением ик =2и2 и сопротивлений xa1 + хЬ2. Если считать, что хa1 = xb2, то к каждому из этих сопротивлений прикладывается напряжение (1/2)uK = и2. Это напряжение прикладывается и к нагрузке RdLd, так как эта цепочка подключена параллельно контуру коммутации. Следовательно, напряжение ud в период коммутации вентилей VC1 и VC2 равно полусумме фазных напряжений и и и, т.е.

и изменяется по кривой, показанной на рис. 30,б пунктирной черной линией. Когда коммутация закончится, напряжение ud скачком изменится до фазного напряжения той обмотки трансформатора, к которой присоединен работающий вентиль, и далее будет оставаться равным ему до начала очередной коммутации на следующий вентиль. В результате кривая выпрямленного напряжения, показанная жирной черной линией, будет отличаться от ранее полученной кривой ud для идеализированного выпрямителя с мгновенной коммутацией (см. рис. 24,д) наличием в интервалах коммутации участков с меньшим напряжением.

Очевидно, это приведет к некоторому снижению среднего значения выпрямленного напряжения на величину, которая называется индуктивным падением напряжения (на рис. 30,б оно соответствует заштрихованным вольт-секундным площадкам) и определяется следующим образом:

Из (47) следует, что индуктивное падение напряжения прямо пропорционально току нагрузки ld, индуктивному сопротивлению Хт обмоток трансформатора, числу фаз т схемы выпрямления (числу коммутационных процессов за период) и не зависит от угла регулирования α.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке управляемого выпрямителя при токе ld определяется выражением

Выражение для Ud неуправляемых выпрямителей с учетом коммутации могут быть получены из формулы (48), если положить в ней α = 0.

Угол коммутации γ0 неуправляемого выпрямителя при Ld = ∞ и угле α = 0 может быть определен из выражения

где тТ — число фаз вторичной обмотки трансформатора.

В управляемых выпрямителях с ростом угла а угол коммутации γ уменьшается, так как с увеличением угла α растет напряжение uк, что ускоряет процесс коммутации тока с одного тиристора на другой.

Следует отметить, что длительность протекания тока γ в вентилях по сравнению с γ в идеализированной схеме (La = 0) увеличивается на угол γ и становится равной γ = 2 (π/m) + γ. Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении ud приводит к изменению его гармонического состава (на 5—8% при углах α ≥ π/6), а также влияет на гармонический состав и форму кривой первичного тока i1, потребляемого выпрямителем. Основная гармоника тока i1 имеет фазовый сдвиг, отстающий относительно напряжения u1 на угол β = α + у/2, что несколько ухудшает коэффициент мощности установки.

Таким образом, коммутация тока вентилей уменьшает выпрямленное напряжение, увеличивает его пульсацию и время работы вентиля (фазы). Увеличение длительности работы фазы несколько уменьшает действующее значение тока фазы и вентиля, поэтому при расчете токов в элементах выпрямителя (например, Iв, I2, l1) перекрытие фаз можно не учитывать и пользоваться соотношениями табл. 1.

Инвертирование тока. Инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. процесс, обратный выпрямлению. При выпрямлении тока электрическая энергия передается из сети переменного тока к потребителю постоянного тока, а при инвертировании поток энергии направлен от источника постоянного тока в сеть пе­ременного тока.

Инвертирование тока применяется для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока в линиях электропередачи постоянного тока, рекуперативного торможения двигателей постоянного тока, питаемых от управляемых выпрямителей, преобразования промышленной частоты и в других случаях.

Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор, параметры которого (число витков и количество обмоток) определяют значение и число фаз получаемого переменного напряжения (тока).

Для получения переменного тока в обмотках трансформатора, подключенного к источнику постоянного тока, необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = UdId, развиваемой выпрямителем, что может быть достигнуто путем изменения направления тока Id или напряжения Ud. Но выпрямленный ток не может изменить своего направления относительно зажимов выпрямителя вследствие односторонней проводимости тиристоров, поэтому изменение знака мощности можно осуществить только за счет изменения знака среднего значения выпрямленного напряжения, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления α > 90°.

Переход от выпрямительного режима к инверторному рассмотрим на примере управляемого выпрямителя, собранного по двух полу периодной схеме на тиристорах VC1, VC2 (рис. 31,а), система управления которыми позволяет изменять угол от 0 до 180°. В качестве нагрузки к выпрямителю подключены: аккумуляторная батарея, являющаяся источником инвертируемой энергии и имеющая ЭДС Еa; резистор Rd и дроссель Ld, осуществляющий сглаживание входного тока инвертора. Такой управляемый выпрямитель, способный осуществлять инвертирование тока, называют инвертором. Допустим, что элементы схемы идеальные, а внутреннее сопротивление батареи равно нулю.

Пусть α1 = 60°, вывод "плюс" батареи соединен с точкой связи катодов тиристоров VC1, VC2 и среднее значение выпрямленного напряжения Udв = Ud0 cosα1 > Еa. Схема работает выпрямителем на батарею, ЭДС Еа которой играет роль противодействующего напряжения, так как направлена против проводимости тиристоров, т.е. имеет отрицательный знак (— Еа) и для удобства графического сравнения с выпрямленным напряжением Udв на рис. 31,б отложена над осью абсцисс. В этом случае имеет место процесс выпрямления, т.е. передачи мощности от сети переменного тока в аккумуляторную батарею, так как когда

и2 > 0 и угол α1= 60°, напряжение UdB превышает противо-ЭДС Еа.

Если индуктивность Ld = ∞, то ток id = Id продолжает протекать по цепи и в последующем интервале времени, когда и2 < 0 за счет ЭДС самоиндукции eL, возникающей в индуктивности Ld (момент π — t2 для VC1 и т.д.).

Аккумуляторная батарея будет подзаряжаться выпрямленным током id, среднее значение которого определяется как

Если постепенно увеличивать угол α > a1, то будут уменьшаться напряжение UdB и ток ld. При α2 = 90° среднее значение выпрямленного напряжения UdB = 0 (рис. 31,в) и преобразователь потребляет из сети только реактивную мощность, так как постоянная составляющая выпрямленного тока будет равна нулю.

Для перехода к инверторному режиму необходимо переключить батарею так, чтобы катоды тиристоров были соединены с выводом "минус", а нулевая точка трансформатора через дроссель Ld — с выводом "плюс", и одновременно увеличить угол управления α до значений, превышающих 90°. При этом тиристоры VC1 и VC2 открываются и проводят ток в основном при отрицательных напряжениях и и и (рис. 31,г) под воздействием положительной ЭДС Еа, подаваемой от батареи через нагрузку Rd и вторичные обмотки трансформатора на ано­ды тиристоров.

При угле α3 > 90° используются участки синусоид и и и, соответствующие преимущественно отрицательным полу­волнам напряжения u2, поэтому среднее напряжение преобразователя становится отрицательным, Udи = Ud0 cosα3 < 0. Если оно будет меньше ЭДС Еа, то через нагрузку Rd, будет протекать ток id прежнего направления, среднее значение которого будет определяться теперь выражением

Батарея работает генератором на сеть переменного тока, а напряжение преобразователя Ud играет роль встречной ЭДС по отношению к Еа. При таком режиме работы тиристоры осуществляют поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора Т через дроссель Ld к источнику постоянного то­ка, благодаря чему достигаются преобразование постоянного тока id в переменный i1 и передача энергии от аккумуляторной батареи в сеть.

Среднее значение отрицательного напряжения Udи будет тем больше, чем больше угол а приближается к 180°. При анализе

инверторного режима обычно угол управления принято отсчитывать влево от моментов естественного закрывания тиристоров (π, 2π и т.д.). Угол управления, отсчитываемый по такому принципу, называют углом опережения отпирания и обозначают буквой β (рис. 31,г). С углом задержки отпирания α он связан соотношением β = π – α или α + β = π. Среднее значение напряжения инвертора при угле опережения β определяется следующим выражением:

где Ud0 — напряжение инвертора при β = 0, равное напряжению выпрямителя при α = 0.

Необходимо отметить, если в выпрямительном режиме возможна работа с углами amin = 0°, то в инверторном режиме угол βmin всегда должен быть больше 0°. Это связано с тем, что тиристору после отключения необходимо определенное время для восстановления запирающих свойств. В течение этого отрезка времени, измеряемого углом δ, который составляет примерно 4—8°, или 1/100—1/50 длительности периода при частоте 50 Гц, анодное напряжение тиристора должно быть отри­цательным (обратным).

Обратное напряжение на закрытом тиристоре, как было показано при рассмотрении схем выпрямления в § 3, равно разности напряжений двух соседних фаз. По кривым напряжений и и и на рис. 31,в— д можно установить, что с увеличением угла α> 90° напряжение на выключающемся из работы тиристоре уменьшается. Так, для тиристора VC1 напряжение Uак, равное разности ординат напряжений и — и, после закрытия вентиля в момент ωt2 при работе преобразователя с углом α2 = 90° равно отрицательной ординате — иба, с углом α3 = 120° равно ординате — игв (эти ординаты показаны на рис. 31,в и г пунктирной зеленой линией).

При угле управления α = 180° или β = 0 это напряжение становится равным нулю и далее положительным, что является недопустимым. Если очередной тиристор открывать при α = = 180°, а закрывающийся тиристор за угол βmin не восстановит свои управляющие свойства, то в момент ωf = π он останется в открытом состоянии и будет пропускать ток под воздействием суммы напряжений и и Еа. Это явление приводит к КЗ цепей переменного и постоянного напряжений (аварийный режим) или, как говорят, к опрокидыванию (прорыву) инвертора, так как одновременно будут работать оба тиристора (VC1 и VC2).

Если в анодных цепях тиристоров имеются индуктивности,

то необходимо учитывать процесс коммутации тока (рис. 31.д)'. В этом случае угол опережения β должен превосходить угол коммутации γ на угол δ не меньше, чем это необходимо для полного восстановления закрытого состояния тиристора. Следовательно, для надежной работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме требуется соблюдать условие βтin ≥γ + δ.

Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений и2, проводя их открывание с углом опережения — β

Переход от режима выпрямления к режиму инвертирования можно обеспечить также изменением направления тока при сохранении неизменными полярности напряжения Ud ЭДС Еа. Для этого вентильный преобразователь должен иметь вторую группу тиристоров VC4—VC5— VC6 (рис. 32,а), включенных таким образом, чтобы направление тока в них было противоположно направлению тока в тиристорах VC1 — VC2— VC3 первой группы.

Вентили каждой группы включены по трехфазной нулевой схеме, а между собой группы соединены встречно-параллельно (встречно по отношению друг к другу, параллельно к нагрузке). Нагрузка в виде якоря двигателя постоянного тока М подключается через дроссель Ld, обеспечивающий режим непрерывного тока, между общей точкой уравнительных дросселей L1 и L2 и нулевой точкой 0 трансформатора Т. Управляющие импульсы подаются на тиристоры обеих групп от блоков управления AU1 н AU2 одновременно, т.е. применяется совместное управление группами вентильных преобразователей.

Тиристоры VC1—VC2—VC3, составляющие катодную группу U1, работают выпрямителем в области положительных напряжений на анодах (или вторичных обмоток трансформатора), а тиристоры VC4—VC5—VC6, образующие анодную группу U2 — при отрицательных напряжениях на катодах.

Для получения определенной полярности и значения напряжения на нагрузке одна из групп вентилей переводится в выпрямительный режим (работает при αв < 90°), одновременно с этим вторая группа должна быть подготовлена для работы в инверторном режиме (устанавливается угол αи > 90°). В любом режиме работы двигателя, за исключением состояния покоя, углы управления αв и αи обеих групп необходимо изменять таким образом, чтобы среднее напряжение инвертора Udв было больше, чем среднее напряжение выпрямителя Udв, на значение двойного падения напряжения в вентилях, т.е.

Если это равенство будет нарушено, то в замкнутом контуре, образованном двумя группами тиристоров U1 и U2 и вторичными обмотками трансформатора Т, минуя цепь нагрузки, будет протекать ток, называемый обычно уравнительным током, среднее значение которого определяется уравнением

где Rэ — сумма сопротивлений обмоток трансформатора, уравнительных дросселей, соединительных шин и вентилей.

Так как Rэ мало, то даже незначительное превышение Udв над Udи + 2ΔUnp приведет к большому статическому уравнительному току, который бесполезно загружает трансформатор и вентили, создает дополнительные потери в них и может вызвать аварийное отключение установки аппаратурой токовой защиты.

В переходных режимах (при пуске, торможении или реверсе двигателя) и при соблюдении условия (53) в отдельные моменты времени мгновенное значение напряжения выпрямителя может быть больше, чем напряжение инвертора. Вследствие этого возникает динамический (прерывистый) уравнительным ток, для ограничения которого применяются уравнительные дроссели L 1 и L.2, включаемые последовательно с каждой из групп тиристоров (рис. 32,а). Рассмотрим работу тиристорных групп U1 и U2 при различных значениях углов α1 и α2 Выпрямленное напряжение преобразователя будет равно нулю и двигатель не вращается, если отпирающие импульсы подаются на группы тиристоров со сдвигом на 90° по отношению к моменту естественного открывания (точки а, б, в для VC1-VC2-VC3 и к.л.м для VC4-VC5-VC6 на рис. 32,б).

Пусть, например, группа тиристоров U1 работает в выпрямительном режиме с углом α1 = 45о. Этому соответствует кривая напряжения ud, изображенная на рис. 32,в черным цветом. Будем считать, что при этом преобразователь имеет напряжение Udв1 а двигатель — правое вращение и противо-ЭДС Еа1 В режиме непрерывного тока (при большой индуктивности дросселя Ld в цепи: обмотки трансформатора Т — тиристоры VC1(VC2. VC3) - дроссель L1 - якорь двигатель М - дроссель Ld — нулевая точка 0 трансформатора T будет протекать ток, среднее значение которого определяется выражением

Предположим, что двигатель необходимо затормозить и сообщить ему левое вращение. Для этого следует угол управления 0; первой группы увеличить до 90o, а α2 второй группы установить больше 90o, например равным 105 Тиристоры VC1—VC2—VC3 закроются при а1 =90o, Udв1 = 0 и поступление энергии к двигателю от сети через вентильный преобразователь прекратится, а тиристоры VC4—VC5—VC6 будут открыты и проводят ток преимущественно при положительных значениях переменных напряжений u2 на катодах. Напряжение на зажимах преобразователя будет иметь прежний знак, но значение его Udu2 будет несколько меньше ЭДС Ea1 якоря двигателя М (рис. 32,г).

В цепи М, VC4(WC5, VC6), T будет протекать ток под действием положительной по отношению к анодам тиристоров VC4—VC5—VC6 ЭДС Eа1 якоря двигателя. Значение этого тока, имеющего отрицательный знак, определяется выражением

Преобразователь будет работать инвертором, преобразуя постоянное напряжение, вырабатываемое вращающимся под действием инерционных

масс двигателем, в переменное напряжение в обмотках трансформатора. Двигатель будет тормозиться и начнет возвращать накопленную энергию через преобразователь в сеть переменного тока, так как ток изменил знак. Для поддержания значения тока Idи2 в процессе торможения на достаточном уровне необходимо уменьшать угол α2 управления тиристорами по мере снижения частоты вращения двигателя М, чтобы обеспечить неравенство | Ea1 | > | Udи2 |, так как ЭДС якоря изменяется пропорционально уменьшению частоты вращения двигателя.

При угле α2 = 90° двигатель остановится, а если еще уменьшить угол управления α2, например до 30o, To группа U2 тиристоров перейдет работать в выпрямительный режим (рис. 32,д) и будет проводить ток при отрицательных значениях напряжения и2 на катодах. Напряжение Udв2 преобразователя изменит знак на обратный (по сравнению со знаком Udв1 при α1 = 45о), двигатель будет вращаться в обратную сторону (левое вращение) и ЭДС якоря Еа также изменит свой знак с минуса на плюс, при этом будет соблюдаться неравенство | Udв2 | > |Ea2| Вентильный преобразователь с двумя комплектами тиристоров, обеспечивающий протекание в цепи якоря двигателя тока в двух направлениях, называется реверсивным тиристорным преобразователем. Он создает благоприятные условия для автоматического управления электроприводом постоянного тока при различных режимах его работы.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: