По-прежнему выпрямленный ток считаем идеально сглаженным (Lн = ). На рис 16 представлена эквивалентная схема трехфазного нулевого выпрямителя и диаграммы напряжений и токов, поясняющие процесс коммутации токов.
Индуктивные сопротивления обмоток учтены введением в схему индуктивностей Ls . Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль VS1 . В момент 1 поступает включающий импульс на вентиль VS2 . Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается.
Начиная с момента 1 оба тиристора включены и две фазы (“а” и “b”) вторичной обмотки трансформатора оказываются замкнутыми через них накоротко. Под воздействием ЭДС обмоток этих фаз (eа и eb) в короткозамкнутой цепи (контура коммутации) появляется ток короткого замыкания ik , который является коммутирующим током.
Этот ток можно в любой момент интервала коммутации (2 - 1 ) определить по формуле:
ik = (U2m/2Xs)*{cos - cos ( + )} (3-7)
где U2m -амплитудное значение линейного напряжения между фазами “a” и “b”.
Xs= LS (3-8)
- угол управления.
Нужно отметить, что через вентиль VS1 фазы “а” ток ik протекает в непроводящем направлении. Такое возможно, т.к. вентиль VS1 смещен прямым током Id , протекавшем через него до начала коммутации. Ток ik направлен от фазы “b” с большим потенциалом к фазе “а” с меньшим потенциалом. Учитывая, что выпрямленный ток Id при Lн = в интервале коммутации остается неизменным, можно, согласно первому закону Кирхгофа для точки 0 записать:
ia + ib + Id = 0 ;
или с учетом направления токов:
ia + ib = Id = const.
Последнее уравнение справедливо для любого момента интервала коммутации. Пока ток проводит только вентиль VS1 , получаем ia = Id и ib = 0. На интервале одновременной проводимости вентилей VS1 и VS2 (интервал коммутации тока с фазы “а” на фазу “b”):
ia = Id - ik и ib = ik. Когда коммутация закончится и ток будет проводить только вентиль VS2 , получим:
ib = Id ; ia = 0.
Из рис 16 видно, что в интервале от 1 до 2 ток ib плавно увеличивается, а ia уменьшается. Когда ток ib станет равным Id , а ток ia снизится до нуля, вентиль VS1 выключится и ток нагрузки будет продолжать протекать только через вентиль VS2 .
Длительность интервала коммутации характеризуется углом коммутации , который может быть определен из следующего уравнения (для трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схем):
обозначив угол коммутации при угле управления = 0 через 0, можно записать:
Подставляя в исходное уравнение значение 0, получаем:
= arccos {cos + cos 0 - 1} - .
Согласно последней формуле с ростом угла (в пределах 0< <90) уменьшается угол коммутации . Физическая сущность этого явления состоит в том, что с увеличением угла (в указанных пределах) растет напряжение, под действием которого возрастает ток ik в контуре коммутации и, следовательно, до значения Id он нарастает быстрее.
При дальнейшем росте угла (90180) угол коммутации увеличивается.
Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение Ud . Это связано с тем, что при изменении фазных токов в зоне коммутации в индуктивностях Ls обмоток трансформатора появляются ЭДС самоиндукции. В выходящей из работы фазе ЭДС самоиндукции складывается с ЭДС “ea”. Во вступающей в работу фазе ЭДС самоиндукции вычитается из “eb”. Таким образом, с учетом действия ЭДС самоиндукции мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока равно полусумме ЭДС коммутируемых фаз.
Ud = (Ua + Ub)/2 . (3-12)
где Ua и Ub - мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.
Так как, в зоне коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения снижается, по сравнению с мгновенной коммутацией, до величины Ud , происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения. Его величина определяется выражением:
 (3-14)
Из (3-7), (3-8), и (3-14) можно получить:  (3-15)
Анализируя последнюю формулу, мы видим, что от двух первых множителей, стоящих в числителе, зависит ширина заштрихованной на диаграмме площадки. От значения третьего множителя (mn) зависит количество этих площадок, приходящихся на период переменного напряжения - (2).
В завершение рассмотрения процесса коммутации фазных токов обратим внимание на то, что коммутационное снижение средней величины выпрямленного напряжения не зависит от действующего значения переменного напряжения на вторичных обмотках питающего трансформатора, а, также, от величины угла управления “”. Оно зависит только от трех величин, входящих в формулу (3-15).
13 вопрос
Величина мгновенного напряжения на нагрузке в зоне коммутации токов. Средняя величина падения напряжения в ТП, связанная с коммутацией ( ).
Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение Ud . Это связано с тем, что при изменении фазных токов в зоне коммутации, в индуктивностях Ls обмоток тр-ра(Т) появляются ЭДС самоиндукции(s). В выходящей из работы фазе ЭДС(s) складывается с ЭДС “ea”. Во вступающей ЭДС(s) вычитается из “eb”. Таким образом, с учетом действия ЭДС(s) мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока равно полусумме ЭДС коммутируемых фаз : Ud = (Ua + Ub)/2 , где Ua и Ub - мгновенные знач-я фазных U-ий вторичной обмотки Т.
Т.к., в зоне коммутации мгнов. знач-е выпрямленного напряжения снижается, по сравнению с мгновенной коммутацией, до величины Ud , происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения. Его величина определяется выражением: из ik = (U2m/2Xs)*{cos - cos ( + )} и Xs= LS
получаем: (1) (Рис.16) Из анализа (1) видим, что от Id и Xs, зависит ширина заштрихованной на диаграмме площадки. От значения mn зависит количество этих площадок, приходящихся на период переменного напряжения - (2).
В завершение рассмотрения процесса коммутации фазных токов обратим внимание на то, что коммутационное снижение средней величины выпрямленного напряжения не
зависит от действующего значения переменного напряжения на вторичных обмотках питающего трансформатора, а, также, от величины угла управления “”. Оно зависит только от трех величин, входящих в формулу (1).
при =0,напряжения в фазах складываются
=90 U-я :в фазе в «+»,а в фазе с «-»,они суммируются
процесс заканчивается быстро,угол гамма меньше,чем
при 1)
>90 величина ΔUk меняет знак.
14 вопрос
Внешние характеристики ТП при непрерывном и прерывистом токе в нагрузке
Внешние характеристики тиристорных преобразователей.
Внешней характеристикой ТП называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления .
Ud = (Id)
Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки.
Снижение напряжения обусловлено тремя факторами:
Коммутационным падением напряжения (Uk).
Падением напряжения в активных сопротивлениях цепей преобразователя, по которым протекают токи (UR).
Падением напряжения в вентилях (UB).
Соответственно внешнюю характеристику ТП (при Lн = ) можно записать в виде следующего уравнения:
Ud = Ed0 cos - Uk - UR - UВ. (3-16)
В зависимости от мощности выпрямителя влияние активных и реактивных элементов схемы в этом процессе различно. Обычно в маломощных выпрямителях преобладает влияние активного сопротивления обмоток трансформатора, а в мощных - индуктивного сопротивления.
Следует отметить, что при значениях тока нагрузки, не превышающих номинальных, внутреннее падение напряжения ТП (при = 0), как правило, составляет не более 10 - 15% напряжения Ed0. Однако, при перегрузках и режимах, близких к короткому замыканию, становится существенным влияние внутренних сопротивлений схемы.
Представляет также интерес вид внешних характеристик при малых токах нагрузки. Это связано с тем, что имеется много электроприводов, обслуживающих механизмы с пульсирующим, либо знакопеременным моментом, или требующим частого изменения направления скорости вращения, т.е. реверса механизма. Во всех этих случаях ток снижается до нуля, или, даже, изменяет свое направление. Для выполнения таких функций используются реверсивные ТП, состоящие из двух преобразователей, позволяющих изменять направление тока. При этом, ТП часто работает с малыми токами, имеющими, иногда, нулевое значение.
В таком случае, внешние характеристики ТП меняют свой вид, т.к. здесь в действие вступают совсем другие соотношения, которые описывают другие физические процессы.
При значительном снижении тока допущение его идеальной сглаженности, что имеет место при Lн = , принято быть не может. Реальная индуктивность нагрузки не только не в состоянии идеально сгладить выпрямленный ток, но она даже не может обеспечить его непрерывность. Ток становится прерывистым и, в этом режиме работы, внешние характеристики теряют свою линейность, внося нежелательные проблемы и трудности в способы управления преобразователями.
С уменьшением тока имеет место резкий рост напряжения ТП из-за явлений, связанных с прерывистым характером тока якоря, когда вентиль предыдущей фазы прекращает проводить ток до момента включения вентиля последующей фазы. При этом, угловая длительность прохождения тока в вентиле () становится меньше, чем 2/mn.
Эти явления особенно сильно сказываются при больших углах управления ( ) ТП. Уравнение (3-16) справедливо лишь тогда, когда ток в нагрузке протекает непрерывно. Если принято, что индуктивность Lн в цепи выпрямленного тока бесконечно большая, то непрерывность будет иметь место при любых значениях тока. Если же Lн имеет конечную величину, то непрерывное протекание тока возможно лишь при превышении последним некоторого граничного значения Id гр.. Величина последнего согласно (л 1) может быть подсчитана по приближенному уравнению:
 (3-17)
Здесь Xтр , Xн и Xр - приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление трансформатора, индуктивные сопротивления нагрузки и сглаживающего реактора.
В трехфазной нулевой схеме Ed0 определяется через фазные напряжения трансформатора, в трехфазной мостовой - через линейные. При этом mn = 6.
Для мгновенных значений напряжения якорной цепи при отсутствии перекрытия вентилей ( = 0) справедливо уравнение:
e2 - Eя = i*Rя.ц. + L (di/dt) + Uв (3-18)
где Rя.ц. = Rя + Rтр + Rр
L = Lя + Lтр + Lр
Uв - падение напряжения в вентилях;
e2 и i - мгновенные значения вторичной ЭДС трансформатора и тока.
Eя - ЭДС якоря двигателя.
В выражении (3-18) ЭДС трансформатора изменяется по синусоидальному закону. ЭДС двигателя в установившемся режиме из-за инерционности вращающихся масс не может заметно измениться за время интервала пульсаций и считается постоянной. При этом, разность ЭДС, стоящая в левой части уравнения, в какие- то моменты положительна, а в некоторые моменты оказывается отрицательной. Однако при больших токах в индуктивностях якорной цепи запасается такое количество электромагнитной энергии, которого достаточно для поддержания тока прежнего направления в промежутках времени, когда e2 - Eя < 0 и, даже, на протяжении части отрицательной полуволны напряжения трансформатора, когда e2 < 0. Ток в анодной цепи вентиля поддерживается за счет ЭДС самоиндукции ( ) при убывании тока. Поэтому при достаточно больших значениях индуктивности и тока последний не прерывается, и выпрямленная ЭДС преобразователя определяется средним значением ЭДС трансформатора за интервал повторяемости выпрямленной ЭДС (Tп = 2/mn).
При малых нагрузках (рис 18) ток под действием противо-ЭДС двигателя снижается до нуля (момент 2) раньше момента включения последующего вентиля. В результате ток через якорь при малых нагрузках на валу двигателя проходит не непрерывно, а отдельными импульсами.
Кривые выпрямленного напряжения и тока, при этом, имеют вид, показанный на рисунке:
Выражение (3-18) справедливо только для интервалов времени, в течение которых ток проходит по цепи якоря. В промежутках между импульсами тока вращение якоря поддерживается за счет механической энергии вращающихся масс, а напряжение на выходных клеммах преобразователя равно ЭДС якоря двигателя (Eя ).
Этим объясняется тот факт, что в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения, измеряемого на нагрузке и определяемое площадью между кривой abcde и осью абсцисс, деленной на интервал повторяемости, по мере снижения нагрузки резко возрастает. Чем меньше ток, тем раньше наступит его прерывание, и тем выше оказывается среднее выпрямленное напряжение. В результате этого крутизна внешних характеристик ТП при малых нагрузках резко возрастает.
В соответствии с рис 19 в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения на зажимах двигателя определится выражением:
где e2ф.max - амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора;
1 и 2 - соответственно углы включения и выключения вентилей, отсчитываемые от начала синусоиды линейной ЭДС трансформатора.
 Рис 18
Рис 19
Выражение: Ed = Ed0 cos (3-20) получается из (3-19), как частный случай, если положить = 2/mn , где - интервал проводимости вентиля.
В режиме непрерывных токов, когда = 2/mn имеет место однозначное соответствие между Ed и . В режиме прерывистого тока среднее выпрямленное напряжение на двигателе зависит не только от величины ЭДС трансформатора “e2” и угла управления преобразователя , но также от величины тока, т.е. от величины момента нагрузки на валу двигателя и индуктивности цепи якоря двигателя. Аналитического выражения для внешних характеристик в области прерывистого тока в явном виде получить нельзя, т.к. напряжение и ток связаны трансцендентными уравнениями.
Тем не менее, существуют приближенные методы расчета внешних характеристик и в области прерывистого тока.
15 вопрос
Обращение потока мощности в электромашинной системе электропривода(система Г-Д) и в тиристорном нереверсивном электроприводе (система ТП-Д)
Инвертирование - процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Преобразователь, осуществляющ. процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока(инвертор). Т.к.его электрические параметры на стороне переменного тока (частота переменного тока, действующее значение напряжения) в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым, или ведомым сетью.
Система ТП-Д(Рис.2)
Сложность потому, что не удается изменить направление тока в якорной цепи, вследствие односторонней проводимости вентилей. В работу схемы необходимо вмешательство. Рассмотрим описанный ранее “перегон порожних сосудов”, заменив машины
М и G на один тиристорный преобразователь (ТП).
При движении Л сосуда вверх до середины, машина “М” работает в Д режиме, а преобразователь- в выпрямительном. Их ЭДС направлены встречно, но т.к. Ed превышает величину EМ , ток Id совпадает по направлению с ЭДС Ed .
В соответствии с признаками ,ТП является источником, а машина “М”- приемником эн. После перехода положения равновесия сосудов, Л ветвь окажется короче П и машина “М”, раскручиваемая более тяжелой П ветвью, увеличит свои обороты. При этом, ↑ значение ЭДС EМ>Ed , однако Id изменить свое направление на противоположное не сможет- этому помешает односторонняя проводимость вентилей. Это означает, что машина “М” не становится источником, а ТП- приемником эн. Для этого, не изменяя направление тока в якорной цепи на обратное, необходимо поменять полярность ЭДС ТП и машины “М”. В ТП это достигается изменением величины угла управления . Его нужно сделать большим, чем 90. Выполняется это воздействуя на систему ТП. Т.е. в силовой цепи преобразователя никаких переключений делать не требуется. Изменить полярность ЭДС машины “М”, можно 3 сп-ми:
Изменить направление вращения машины на обратное, что для нас не подходит;
Переключить силовые провода (точки 1 и 2) на противопол. щетки якоря машины “М”;
Поменяв направление тока обмотки возбуждения на противоположное, изменив, например, полярность напряжения возбуждения Uв.
Выберем 3: при этом, будет обеспечен перевод машины “М” в режим работы источником эн , а ТП- в режим работы приемником эн. На схеме видно, что направление тока Id не меняется, а направление ЭДС машины “М” и ТП соответствуют пунктирным стрелкам. Среднее значение ЭДС EМ должно превышать Ed . ЭДС EМ “приталкивает” ток Id в фазы питающего трансформатора, в основном, когда ЭДС этих фаз направлены встречно протекающему току. Диаграммы напряжения и тока при работе ТП в режиме приемника энергии, т.е. в инверторном режиме приведены на рис 3.
Работа ТП в инверторном режиме, возможна при условиях:
Нагрузка должна содержать в своем составе источник постоянной ЭДС-EМ ;
Схема долж. обеспеч-ть возмож-ть протекания Id в направлении ЭДС наг-ки, т.е. полярность EМ должна совпадать с проводящем направлением вентилей. Для выполнения этого требования мы изменим полярность ЭДС EМ на EМ;
Тиристорный преобразователь должен вырабатывать ЭДС Ed, направленную встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров;
Среднее значение ЭДС нагрузки должно превышать ср. значение ЭДС ТП.
(Рис 3)
схемами, изображающие выпрямит. и инверт. режимы работы ТП: зависимость, связывающая управляющий фактор () величиной выпрямленного напряжения (Ed ) справедлива и для режима инвертир-я. При этом > 90, Ed < 0;
16 вопрос
16.Особенности инверторного режима работы ТП. Понятие «опрокидывание» инвертора. Ограничение угла  .
Внеш. Характеристика.
О днако, в отличие от выпрямительного режима в инверторном с увеличением тока, напряжение на якоре машины “М” не уменьшается, а увеличивается. С увеличением тока расстояние от характеристики до оси абсцисс увеличивается.
б) Неустойчивость работы ТП в инверторном режиме при малых значениях угла и больших значениях тока - вторая особенность инверторного режима.
Эта неустойчивость проявляется в возможности так называемого “опрокидывания” или “прорыва” инвертора, что может быть чревато выходом преобразователя из строя.
Для исследования этого вопроса обратимся к схеме ТП-Д,. Неприятность заключается в том, что при некоторых обстоятельствах противо- ЭДС Ed может, практически мгновенно, изменить свое направление на противоположное и действовать в цепи якоря согласно с EМ. Тогда, окажется, что в якорной цепи действуют два источника энергии, и в ней нет ни одного приемника энергии. Эту ситуацию можно рассматривать, как двойное короткое замыкание в якорной цепи, что вызывает очень быстрое нарастание тока и требует экстренного размыкания цепи якоря. Дело в том, что отключение ТП от сети не устраняет аварийного режима, так как ток под действием ЭДС EМ будет продолжать протекать через одну из фаз вторичной обмотки трансформатора и вентиль этой фазы, который был включен в момент “опрокидывания” инвертора. Единственным способом прекратить развитие аварии является разрыв якорной цепи, т.е. отсоединение одного источника от другого.
Условием нормальной работы инвертора является завершение коммутации тока, т.е. переход его с фазы “с” на фазу “а” раньше, чем наступит момент равенства ЭДС коммутируемых фаз в точке “1”. Если же вследствие уменьшения угла , либо, вследствие увеличения угла , вызванного возрастанием тока Id , коммутация на закончится до наступления момента “1”, дальше переход тока на фазу “а” прекратится, и, начавшийся процесс коммутации пойдет в обратном направлении, т.е. останется включенной фаза “с”. Как видно из диаграммы, напряжение на фазе “с” очень быстро становится положительным, а это значит, что ЭДС инвертора Ed изменила свою полярность на противоположную и произошло его “опрокидывание”. Недопущение этого явления возможно единственным способом: предотвращение снижения величины угла управления ниже минимально допустимого его значения min. Эта величина определяется выражением:
min max + +
где: max - максимально возможное значение угла коммутации, определяемое максимально возможным током в любом режиме работы инвертора;
- угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей, а точнее, временем их выключения;
- асимметрия управляющих импульсов, т.е. самопроизвольное их отклонение от заданной величины в силу ограниченных возможностей системы управления.
|
Скачать 5.01 Mb.