Мартынов_силаI. А. А. Мартынов силовая электроника
 Скачать 4.22 Mb.
|
|
6. РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Регуляторы переменного напряжения предназначены для регулирования величины напряжения переменного тока. Силовая схема одной фазы такого преобразователя содержит ПК, который может быть выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров (риса) или транзисторов. В таких преобразователях применяют фазовый, фазоступенчатый, широтно-импульсный на пониженной частоте и другие методы регулирования переменного напряжения Рассмотрим фазовый метод регулирования переменного напряжения. Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния ключа ПК в течение каждого полупериода частоты сети. Отметим, что фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления α, с опережающим углом управления α или стем и другим (двустороннее фазовое регулирование. Фазовое регулирование преобразователей переменного напряжения аналогично принципу фазового регулирования управляемых выпрямителей. Отличие заключается в схемах соединения тиристоров их силовых схем, вследствие чего участки синусоид переменного напряжения, составляющие кривую выходного напряжения в управляемых выпрямителях, являются однополярными, а в регуляторах переменного напряжения − двуполярными и симметричными относительно оси абсцисс. Системы импульсно-фазового управления регуляторов переменного напряжения и управляемых выпрямителей абсолютно идентичны. Устройство, принцип работы, основные расчетные соотношения и характеристики регуляторов напряжения, выполненных на тиристорах Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) имеет по два встречно- параллельно включенных тиристора вцепи с питающим напряжением и нагрузкой. Однако вместо двух встречно-параллельно включенных тиристоров возможно применение симметричных тиристоров, симмисторов, обладающих способностью проводить ток как при положительном, таки отрицательном значении напряжения питающей сети переменного тока 139 á) â) ã) à) à) VS1 VS4 u íã ωt R íã i íã ∼u ∼u i íã L íã R íã u u u íã π 2 π 0 ψ α α u â 0 π 2 π i íã π 2 π π 2 π π 2 π i íã u â u Рис. 37. Схема (аи временные диаграммы ТРН при активной нагрузке (б–г): u – напряжение питающей сети u нг – напряжение нагрузки в – напряжение на тиристоре силовой схемы; i нг – ток нагрузки угол управления ψ– длительность открытого состояния тиристора δ– длительность проводящего состояния тиристора после смены знака напряжения питающей сети Рис. 38. Схема (аи временные диаграммы ТРН при активно- индуктивной нагрузке (б–г) á) â) ã) à) à) VS1 VS4 u íã ωt R íã i íã ∼u ∼u i íã L íã R íã u u u íã π 2 π 0 ψ α α u â 0 π 2 π i íã π 2 π π 2 π π 2 π i íã u â u u u íã α δ ψ 2 π π u á) â) ã) ωt ωt ωt ωt ωt VS1 VS4 u íã u нг В ТРН нашло применение фазовое регулирование переменного напряжения с отстающим углом управления (регулирования) На рис. 37, а–г и 38, а–г приведены схемы и временные диаграммы однофазного ТРН при активной и активно-индуктивной нагрузке соответственно. При активном характере нагрузки запирание тиристоров, проводивших до этого ток, осуществляется за счет изменения полярности переменного напряжения питающей сети по окончании каждого полупериода, те. после достижения точек на временной оси ωt = π, 2π, 3π, естественная коммутация. При активной нагрузке угол δ = 0, а угол ψ = π – α. Вид кривой тока i нг (ωt) совпадает с кривой u нг (ωt) (см. рис. При активно-индуктивном характере нагрузки индуктивность L нг замедляет нарастание тока i нг при отпирании тиристоров и препятствует его уменьшению при снижении напряжения (см. рис. 38, г. Ток i нг продолжает протекать через нагрузку и соответствующий тиристор и после перехода напряжения питания через нуль, достигая нулевого значения спустя интервал δ в пределах очередной полуволны напряжения u. Интервал проводимости тиристоров увеличивается на угол δ, те. За счет увеличения интервала проводимости тиристоров в кривой u нг , также как ив управляемых выпрямителях, появляются дополнительные участки напряжения u (см. рис. 38, б, отсутствующие при чисто активном характере нагрузки. Интервал паузы в кривой выходного напряжения сокращается до значения (α–δ). Указанное приводит к изменению и формы кривой напряжения на тиристоре (см. рис. 38, в. Регулировочная характеристика ТРН Регулировочная характеристика ТРН представляет собой зависимость действующего напряжения нагрузки U нг от угла α, те. U нг = f(α) при постоянном напряжении питающей сети (U = U N = = const) и постоянном токе нагрузки (I нг = При чисто активном характере нагрузки зависимость U нг = f(α) находят из соотношения 2 íã 1 2 d ( ) sin U U t t π α ω ω π = ò В относительных единицах ), U U π α α π = - +где U – действующее значение переменного напряжения на входе ТРН. Вид регулировочной характеристики приведен на рис. Отметим, что выражение регулировочной характеристики (176) справедливо для фазового регулирования как с отстающим, таки с опережающим углом регулирования α. Угол регулирования, при котором действующее значение выходного напряжения равно нулю, называется по аналогии с управляемыми выпрямителями углом запирания α зап Из выражения (176) нетрудно установить, что для фазового регулирования как с отстающим, таки с опережающим углом регулирования угол запирания зап = Регулировочную характеристику для двустороннего фазового регулирования можно получить из выражения 2 íã 1 2 d ( ) sin U U t t π α α ω Окончательно +sin2 ). U U π α α π = - (177) U íã / U 0,8 0,2 0,4 0,6 0 20 140 100 60 180 α, Рис. 39. Регулировочная характеристика однофазного ТРН при активной нагрузке 0,2 0,4 0,6 U íã / U 1,0 0 α= 0 90 ° I íã / I íã Рис. 40. Внешние характеристики однофазного ТРН при активной нагрузке Из выражения (177) следует, что при двустороннем фазовом регулировании зап = Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения U нг оттока I нг , те. U нг = f(I нг ) при постоянном напряжении питающей сети (U 1 = U N = const) и постоянном угле регулирования) (рис. 40): U нг = U нг 0 – ∆U, где U нг 0 – действующее значение напряжения на выходе ТРН при холостом ходе нагрузке, те. при I нг = 0: íã 0 1 ( +0,5sin2 ) U U π α α π = - ; ∆U – падение напряжения на элементах ТРН притоке I нг ≠0: ∆U = ∆U в.пр + I нг R э , э – эквивалентное активное сопротивление схемы, равное сопротивлению соединительных проводов э = R с.п 6.3. Коэффициент мощности ТРН Коэффициент мощности ТРН χ дает оценку эффективности потребления мощности от питающей сети и представляет собой отношение активной мощности, потребляемой ТРН от питающей сети по первой (основной) гармонике, P (1) , к полной мощности S, потребляемой ТРН от питающей сети, те (где иск – коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого от питающей сети; k сдв – коэффициент сдвига k сдв = Параметр ϕ характеризует угол сдвига первой гармоники потребляемого тока от кривой напряжения питающей сети 2 +0,5sin2 = ( ) +( )sin2 +sin cos ; π α α ϕ π α π α α α - - - (181) 2 2 èñê ( ) +( )sin2 +sin ( 0,5sin2 ) k π α π α α α π π α α - - = - + (182) Перемножив cosϕ и k иск , по- лучим ). χ π α α π - + (Отметим, что и для двустороннего фазового регулирования коэффициент мощности также определяется по формуле (183). При этом коэффициент сдвига равен единице, а коэффициент искажения соответствует выражению (Нетрудно видеть, что води- ночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент мощности равен относительному значению напряжения нагрузки, те U нг /U, и связан с ним линейной зависимостью рис. Для увеличения коэффициента мощности можно рекомендовать, когда это возможно, питание одной нагрузки от группы преобразователей, питающихся от одной и той же сети переменного тока. Примером такого случая может служить работа группы преобразователей переменного напряжения на нагревательные сопротивления электропечей. Повышение коэффициента мощности объясняется тем, что токи основных и высших гармоник, создаваемых в питающей сети отдельными преобразователями, суммируются геометрически. Благодаря этому фазовый сдвиг суммарной основной гармоники по отношению к напряжению питающей сети, атак- же суммарные амплитуды высших гармонических получаются меньшими, чем при одном преобразователе, работающем на полную мощность. Коэффициент мощности будет существенно улучшен, если для управления отдельных преобразователей, составляющих одну группу, применять комбинацию рассмотренных выше способов фазового регулирования 0,6 0,4 0,2 0 0,8 0,6 0,4 0,2 U нг /U Рис. 41. Зависимость коэффициента мощности ТРН от относительного напряжения на нагрузке для одиночного преобразователя 144 6.4. Регулировочная характеристика ТРН при активно-индуктивном характере нагрузки Наличие индуктивности вцепи нагрузки вносит отличие в характер изменения тока нагрузки и напряжения. Действующее значение напряжения нагрузки определяется по формуле + 2 2 íã 1 2 d ( ) sin U U t t π δ α ω В относительных единицах íã 1 1 1 ( 2 2 2 2 ) sin sin U U π α δ α δ π é ù ê ú = - - +Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора ψ находят из анализа переходного процесса, обусловленного отпиранием тиристора. Его можно определить в виде суммы двух составляющих – принужденной и свободной. Принужденная составляющая тока i нг.пр отстает на угол ϕ = arctg(ωL нг /R нг ) от напряжения питания питающей сети u. Принужденная составляющая тока определяется по формуле íã.ïð 2 Свободная составляющая тока нагрузки спадает по экспоненциальному закону íã.ñâ t i Ae ω с постоянной времени = L нг /R нг = tgϕ/ω. В момент времени ωt = α сумма принужденной и свободной составляющих, определяющая ток i нг , равна нулю 2 íã íã 2 0 sin( ) , ( ) U A R L α ϕ ω - + откуда определяем коэффициент АС учетом выражений (184) и (185) находим tg íã 2 2 2 íã íã 2 ( ) sin( ) sin( ) t U i t e R L ω α ϕ ω ϕ α ϕ ω - - é ù ê ú ê ú = - - - ê ú + ê ú ë û (189) При чисто активной нагрузке (L нг = 0, ϕ = 0, tgϕ = 0) соотношение (189) приводится к виду те. кривая тока i нг на интервале проводимости тиристоров определяется синусоидой напряжения питания (см. рис. 37, г). После подстановки в (189) значения ωt = π + δ, соответствующего току i нг = 0 (см. рис. 38, б, в, получаем уравнение + tg 0 sin( ) sin( ) , e π δ α ϕ δ ϕ α ϕ - - - +которое может быть использовано для определения угла Рис. 42. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу преобразователя переменного напряжения при критическом значении угла управления, i íã i íã 2 π 3 π u íã = u α êð = α α êð = α u y.â1 При активно-индуктивной нагрузке преобразователя представляет интерес определение так называемого критического значения угла управления α = кр, при котором интервалы проводимости тока δ полностью занимают интервалы α. В этом случае (рис. 42) ток i нг спадает до нуля в момент времени ωt = π + δ (те. момент запирания одного тиристора совпадает во времени с моментом отпирания другого тиристора, паузы в кривой тока i нг и напряжения U нг отсутствуют, и длительность проводящего состояния каждого тиристора ψ становится равной 180°. Из уравнения (190) следует, что такой режим имеет место при α ϕ δ = = = Действующее значение напряжения на нагрузке максимально, и относительная его величина, согласно соотношению (184), равна единице. Кривая тока i нг становится непрерывной и синусоидальной. В соответствии с выражением (190) при α = кр имеем Очевидно, аналогичный режим работы будет и при углах кр > α > 0. Диапазон углов α от нуля до кр характеризует неуправляемую зону преобразователя, где изменение угла α не вызывает изменения действующего значения напряжения на нагрузке и ее тока. Для осуществления нормальной работы схемы в этой зоне (создания непрерывного тока нагрузки) необходимо подавать на тиристоры управляющие импульсы достаточной длительности (см. рис. 42), чтобы при малых углах α < кр они перекрывали по длительности момент перехода тока нагрузки через нуль. В противном случае отпирающий импульс для очередного тиристора закончится раньше, чем прекратится ток в параллельном ему тиристоре, и тиристор не сможет открыться произойдет пропуск его отпирания. Исходя из наименьшего угла α = длительность отпирающих импульсов должна быть не меньше Вопросы для самоконтроля. Приведите выражение регулировочной характеристики тиристорного регулятора переменного напряжения при чисто активной нагрузке 147 2. Приведите выражение внешней характеристики тиристорного регулятора переменного напряжения. Укажите, в чем отличия в работе тиристорного регулятора переменного напряжения при чисто активной и активно-индуктивной нагрузке. Трехфазные регуляторы переменного тока Схемы трехфазных регуляторов переменного напряжения с фазовым регулированием выполняют по аналогии с однофазными. Наиболее распространенные варианты схем трехфазных регуляторов приведены на рис. 43, а–г. В схеме риса питание осуществляется от трехфазного напряжения с нулевым проводом. Элементы трехфазной нагрузки с включенными встречно-параллельно тиристорами соединены звездой. В схеме на рис. 43, б три фазы трехфазной системы соединены треугольником. Трехфазные регуляторы, выполненные по этим Рис. 43. Схемы трехфазных регуляторов переменного напряжения с независимой работой регуляторов в каждой фазе, соединенных звездой (аи треугольником (б с взаимозависимой работой отдельных регуляторов трехфазной системы при включении звездой (в) и треугольником (г A u íã À u íã B i íã B u íã C i íã C à) á) ã) â) VS3 VS1 схемам, состоят из трех рассмотренных ранее однофазных схем при питании от напряжений, имеющих фазовый сдвиг 120°. Питание отдельных регуляторов в схеме риса осуществляется фазным напряжением, а в схеме рис. 43, б – линейным. Работа регуляторов каждой фазы при фазовом регулировании не зависит от процессов, протекающих в двух других фазах. Регулятор на рис. 43, в выполнен по схеме, аналогичной схеме риса, но без нулевого провода. Схема регулятора на рис. 43, г содержит три тиристорные группы, соединенные треугольником, и является модификацией схемы рис. 43, в. В обеих схемах в контур тока нагрузки каждой фазы входит также сопротивление нагрузки другой фазы, а на отдельных интервалах – и сопротивления двух других фаз. Иными словами, работа всех трех фаз при фазовом регулировании, например с отстающим углом α (в данных схемах при отпирании тиристоров в каждой фазе со сдвигом на угол относительно перехода фазного напряжения через нуль, взаимосвязана. Вследствие этого форма кривой напряжения на нагрузке (u нг A , u нг B , u нг C ) в этих схемах будет отличаться от кривой напряжения на нагрузке в однофазных и трехфазных (риса, б)схемах. В схемах, приведенных на рис. 43, в, гона будет составляться подвоз- действием напряжений всех трех фаза в токах нагрузки (i нг A , i нг B , i нг C ) будут отсутствовать гармонические, кратные трем (как ив любой трехфазной системе, соединенной звездой. Однако повышение коэффициента мощности при регулировании здесь не происходит по сравнению с однофазными преобразователями, поскольку повышение коэффициента иск за счет исключения указанных гармонических компенсируется соответствующим снижением cosϕ (те. сохраняется общая для фазового регулирования закономерность, согласно которой χ = U нг /U). К недостаткам схемы рис. 43, в по сравнению со схемой рис. 43, г следует отнести необходимость подачи отпирающих импульсов одновременно на два, а в отдельные моменты времени и натри тиристора, а также большую загрузку тиристоров по току. Максимальные значения прямого и обратного напряжений на тиристорах в схеме риса определяются амплитудой фазного напряжения фа в схемах рис. 43, б–г – амплитудой линейного напряжения л Рассмотрим подробнее применение ТРН при построении управляемых выпрямителей на повышенные напряжения, где получил распространение фазовый метод регулирования преобразователей. При этом схему выпрямителя (однофазного или трехфазного) выполняют на неуправляемых вентилях (диодах, а управление его выходным напряжением осуществляют со стороны первичной обмотки питающего трансформатора (те. при более низком напряжении) за счет встречно-параллельного включения тиристоров рис. 44). Поскольку диоды выпускаются на более высокие напряжения, чем тиристоры, такой принцип построения высоковольтных управляемых выпрямителей часто позволяет уменьшить количество вентилей, включаемых последовательно на вторичной стороне, а следовательно, и их общее количество в схеме. Главное же, благодаря чему отдается предпочтение последовательному соединению диодов, а не тиристоров на вторичной стороне трансформатора, заключается в том, что это позволяет исключить повышенные требования к изоляции выходных цепей низковольтной системы управления выпрямителем, так как они теперь будут подключаться к тиристорам, расположенным на первичной стороне относительно низкого напряжения, а не на вторичной (высоковольтной). Рассмотренный принцип построения выпрямителей дает также определенные преимущества при больших токах нагрузки и малых напряжениях, когда возникает необходимость в параллельном соединении большого числа вентилей. Применение тиристоров на первичной стороне трансформатора позволяет существенно сократить их общее количество в выпрямителе (а в отдельных случаях и общее количество используемых полупроводниковых приборов, что сказывается на упрощении устройства управления ими. VS1 VS4 + – Z íã U d VD4 VD2 VD3 VD1 Ò ∼u 1 |