Вентильные преобразователи напряжения постоянного тока

В настоящее время вентильные преобразователи напряжения находят весьма широкое применение в системах АЭП постоянного тока. Широкое использование вентильных преобразователей обусловлено успешным развитием полупроводниковой техники, а именно освоением промышленностью надежных, малогабаритных управляемых силовых вентилей — тиристоров и транзисторов.

В большинстве современных преобразователей для привода в качестве силовых вентилей используются тиристоры. На их основе для электропривода постоянного тока построены два типа преобразователей: тиристорные преобразователи ь(ТП) напряжения переменного тока в постоянный (управляемые выпрямители) и широтно-импульсные преобразователи (ШИП) неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока.

Тиристорные преобразователи обладают рядом достоинств:

1) высокий КПД, обусловленный незначительным падением напряжения на тиристоре (менее 1 В);

2) незначительная инерционность, обусловленная фильтрами в цепях управления и неуправляемостью тиристоров в течение интервала проводимости (10—20 мс);

3) высокая надежность при использовании быстродействующей защиты и модульно-блочном исполнении ТП.

К недостаткам ТП следует отнести:

1) низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения;

2) искажения питающего напряжения, вносимые работой ТП;

3) повышенный уровень излучаемых радиопомех.*!

Функциональная схема ТП представлена на рис. 3.1.

Входной координатой ТП является напряжение управления Uy, выходной координатой — выпрямленная ЭДС, определяемая как средняя на интервале проводимости величина в установившемся режиме Е& и в переходных процессах e&. Входной блок Б1 преобразует величину Uy

в угол открывания тиристоров а, а выходной блок Б2 преобразует величину а в ЭДС ТП. Технически блок Б1 представляет собой систему импульсно-фазового управления (СИФУ), а блок Б2 — вентильную группу ВГ.

Конструктивно вентильная группа представляет собой комплект тиристоров, предназначенных для определенного направления тока нагрузки, например комплекты «Вперед» и «Назад» в реверсивных ТП.

На выходную координату ТП оказывает влияние возмущающее воздействие — ток нагрузки Id, который через функциональный блок нагрузки БН поступает на вход Б2. Влияние Id на Ed проявляется только в режиме прерывистых токов.

Рис. 3.1. Блочная структурная схема ТП

Рис. 3.2. Трехфазная (а), шестифазная (б) и трехфазная с уравнительным реактором, (в) нулевые схемы управляемых выпрямителей

Из приведенных на рис. 3.2 схем наиболее простой является трехфазная нулевая схема, имеющая меньшее число вентилей и обычный двухобмоточный трансформатор. Однако эта схема имеет наибольший уровень пульсаций в выпрямленной ЭДС (частота пульсаций составляет 3f_c =150 Гц). В этой схеме выпрямленный ток нагрузки, протекая через трансформатор, вызывает его дополнительное подмагничивание. В связи с этим трансформатор должен выбираться с некоторым запасом по сечению магнитопровода. Завышенные габариты трансформатора относительно полезной нагрузки обусловливают целесообразность применения этой схемы для электропривода относительно небольшой мощности (1—10 кВт).

В схеме с уравнительным реактором (рис. 3. 2, а) вентильные группы VS1, VS3, VS5 и VS4, VS6, VS2 работают параллельно.

Уравнительный реактор L исключает коммутацию вентилей с одной группы (VS1, VS3, VS5) на вентили другой группы (VS2, VS4,'VS6), тем самым делает работу группы независимой. Схема исключает подмагничивание трансформатора током нагрузки, так как направления МДС двух обмоток на одном стержне трансформатора противоположны. По пульсациям в выпрямленной ЭДС данную схему можно рассматривать как условно-шестифазную (частота пульсаций составляет 6f_c = 300 Гц). Наименьшая типовая мощность трансформатора и наибольший ток нагрузки относительно токов вентиля и трансформатора делают эту схему целесообразной для ТП большой мощности с большими токами нагрузки. Недостатком схемы является наличие дополнительного элемента — уравнительного реактора.

Для шестифазной схемы (рис. 3.2,6) с частотой ЭДС 6f_c =300 Гц не требуется уравнительного реактора, однако в этой схеме необходима наибольшая типовая мощность трансформатора. Схема практически работоспособна только при соединении первичной обмотки трансформатора в треугольник. При соединении звезда — шестифазная звезда возникает сильное однофазное подмагничивание всех трех стержней трансформатора, что делает данную схему практически непригодной для работы ТП.

Широкое применение в электроприводе находит трехфазная мостовая схема ТП (рис. 3.3). Эта схема представляет собой сдвоенную нулевую схему, работающую последовательно в оба полупериода переменного тока.

Рис. 3.3. Трехфазная мостовая схема выпрямителя

По сравнению с трехфазной нулевой схемой мостовая схема имеет преимущества:

1) выпрямленная ЭДС при одном и том же вторичном напряжении трансформатора в 2 раза больше;

2) пульсации выпрямленной ЭДС (частота пульсаций равна бf_c=300 Гц) в 2 раза больше по частоте и меньшепо амплитуде;

3) вентильные группы могут подключаться к сети без трансформатора;

4) типовая мощность трансформатора меньше:

Перечисленные достоинства обусловливают преимущественное применение трехфазной мостовой схемы в системах электропривода мощностью в десятки — сотни киловатт. Эта схема, выполненная в виде единичного блока — модуля, позволяет унифицировать ТП. Для нагрузок с большим током ТП комплектуется из нескольких мостов, соединенных параллельно по целям переменного и постоянного тока. Представленные на рис. 3,2 и 3,3 схемы относятся к нереверсивным ТП. Реверсивные ТП комплектуются из двух нереверсивных вентильных комплектов, объединенных электрически по цепи нагрузки и по цепям СИФУ.

Для удобства анализа работы СИФУ многофазных ТП нумерацию тиристоров в вентильных группах выполняют в соответствии с очередностью их открывания, на чиная отсчет от фазы а (рис. 3.2, 3.3).

Соответствующие диаграммы очередности открывания тиристоров изображены для шестифазной схемы на рис. 3.4, а для трехфазной нулевой с уравнительным реактором и трехфазной мостовой на рис. 3.4,6. Векторная диаграмма вторичных ЭДС трансформатора показана на рис. 3.4, в. Основу СИФУ составляет блок управления, предназначенный обычно для управления одним тиристором. В состав блока управления входят генератор опорных напряжений ГОН, синхронизированных с напряжением питания тиристоров, фазосмещающее

устройство ФСУ, регулирующее фазу открывающего импульса, и генератор импульсов ГИ, вырабатывающий необходимый для открывания тиристоров импульс (рис. 3.5, а).

Рис. 3.4. Диаграммы очередности открывания тиристоров в шестифазной (а), трехфазной нулевой с уравнительным реактором и трехфазной мостовой (б) схемах выпрямителя и векторная диаграмма вторичных ЭДС трансформатора (с)

,

Рис. 3.5. Функциональная схема блока управления СИФУ (а) и диаграмма регулирования фазы открывающего импульса по вертикальному принципу (6)