Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
1.10.3 Выпрямители с принудительным формированием кривой тока, потребляемого из питающей сети Во всех ранее рассмотренных схемах выпрямления коммутация тока в вентилях сопровождалась коммутацией токов в фазах входного трансформа- тора и в сети, что приводит к снижению качества тока по сравнению с токами линейных потребителей электрической энергии. Выпрямитель с принуди- тельным формированием кривой потребляемого тока позволяет исправить нелинейность вентильного преобразователя по входу. Рис. 1.10.4. Схема содержит однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, накопительный реактор с индуктивностью L d , транзистор VT, накопительный конденсатор C с разделительным диодом VD. При подаче на транзистор на- пряжения управления он переходит в проводящее состояние. При этом все выпрямленное напряжение диодного моста прикладывается к накопительно- му реактору, ток в нем нарастает. При выключении транзистора ток накопи- тельного реактора через разделительный диод VD заряжает накопительный конденсатор C и питает цепь нагрузки. 72 Рис. 1.10.5. Моделируя соответствующим образом длительность проводящего со- стояния транзистора с частотой, во много превосходящей частоту сети, мож- но сформировать практически синусоидальные полуволны тока в накопи- тельном реакторе L d , синфазные с входным напряжением, рисунок 1.10.5. То- гда на входе выпрямителя получается практически синусоидальный ток, на- ходящийся в фазе с напряжением сети. Данная схема получила широкое рас- пространение для питания стабилизированным напряжением маломощных нагрузок. На Западе эта схема получила название корректора коэффициента мощности за свойство обеспечить входной коэффициент мощности практи- чески равным единице. 1.11 Инверторы, ведомые сетью Инвертированием называется процесс преобразования энергии посто- янного тока в энергию переменного тока. Инверторы, ведомые сетью, осуще- ствляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока, то есть решают задачу обратную выпрямителю. Ведомые сетью инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. На рисунке 1.11.1 приведена схема однофазного двухполупериодного ведомого сетью инвертора со средней точкой. В качестве источника инверти- руемой энергии принята машина постоянного тока, работающая в режиме ге- нератора. Индуктивность L d сглаживает выходной ток инвертора, а реактив- ные сопротивления X a1 , X a2 учитывают индуктивности рассеяния обмоток трансформатора и индуктивности питающей сети. 73 L d VS 2 VS 1 U 1 X a1 X a2 U 21 U 22 E d + (-) - (+) Рис. 1.11.1. Основные положения, отличающие режим инвертирования от режима выпрямления: При выпрямлении, рисунок 1.11.2, источником энергии является сеть переменного тока, поэтому при 0 = α кривая тока i 1 потребляемого из сети, совпадает по фазе с напряжением питания. При ∞ → d L X а1 =Х а2 =0 форма то- ка i 1 близка к прямоугольной, тиристор VS 1 отрывается при положительной полярности напряжения U 21 , а VS 2 при положительной полярности напряже- ния U 22 . Машина постоянного тока работает в режиме двигателя с потребле- нием энергии от сети. К машине приложено напряжение U d с полярностью показанной на схеме в скобках. Рис. 1.11.2. 74 При работе схемы в режиме инвертирования, рисунок 1.11.3, машина постоянного тока является генератором электрической энергии, а сеть пере- менного тока её потребителем. При тех же направлениях токов генераторно- му режиму работы машины будет соответствовать полярность U d без скобок. Изменение полярности подключения машины к цепи постоянного тока явля- ется одним из условий перевода схемы в режим инвертирования. Показате- лем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на 180 эл. гр. тока i 1 относительно напряжения U 1 . Это означает, что тиристоры схемы в режиме инвертирования должны находится в открытом состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичных обмоток трансформатора: тиристор VS 2 при отрицательной полярности напряжения U 22 , а VS 1 при отрицательной по- лярности напряжения U 21 . При таком режиме осуществляется поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора через дроссель L d к источ- нику постоянного тока. В этом случае достигается: 1) преобразование посто- янного тока I d в переменный ток I 1 ; 2) передача энергии в сеть. Такому режи- му отпирания тиристоров при инвертировании соответствует значение угла управления π α = Рис. 1.11.3 75 Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании очередного в ведомом сетью инверторе осуществляется под действием обратного напря- жения создаваемого напряжением сети со стороны вторичных обмоток трансформатора. К ранее проводившему тиристору прикладывается обратное напряжение равное сумме напряжений двух вторичных обмоток, но это будет только в том случае если в момент отпирания очередного тиристора на под- ключенной к нему обмотке будет действовать напряжение положительной полярности, то есть реальное значение угла управления α , при работе инвер- тора исходя из условия закрытия тиристора должно быть меньше π на некий угол β , рисунок 1.11.4. Если же очередной тиристор отпирать при π α = , то условия запирания ранее проводившего тиристора не будет выполняться, и он останется откры- тым создав короткое замыкание цепи с последовательно включенными вто- ричной обмоткой трансформатора и источником постоянного тока. Такое яв- ление называется срывом инвертирования или прорывом инвертора. Рис. 1.11.4. 76 Угол β , отсчитываемый влево от точек естественного отпирания π , π 2 и т.д. называется углом опережения открывания вентилей. С углом управления α он связан соотношением α π β − = 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 вторич- ных напряжений, отпирая их с углом опережения β . Рассмотренный способ перевода в режим инвертирования неединст- венный. При этом способе направление постоянного тока остается неизмен- ным, изменяется только полярность постоянного напряжения. Если к зажи- мам источника постоянного тока подключить второй преобразователь, ана- логичный первому, но с обратным направлением включения тиристоров. То в такой системе можно перейти к режиму инвертирования при изменении на- правления постоянного тока в машине постоянного тока при прежней поляр- ности постоянного напряжения. При этом в то время когда первый преобра- зователь работает в режиме выпрямления, а машина постоянного тока в ре- жиме двигателя второй преобразователь не работает. При переводе машины постоянного тока в режим генератора второй преобразователь начинает ра- ботать как инвертор, а первый выключается. Оба этих способа применяют в реверсивных преобразователях электропривода постоянного тока. 1.12 Реверсивные преобразователи постоянного тока Реверсивным называют преобразователь, обеспечивающий протекание тока нагрузки в обоих направлениях. На базе реверсивных преобразователей строят электроприводы постоянного тока, позволяющие управлять двигате- лем во всех четырех квадрантах. Возможно три способа управления скоро- стью двигателя постоянного тока: 1) изменением напряжения на статоре дви- гателя при постоянном напряжении возбуждения; 2) изменением напряжения возбуждения при постоянном напряжении на статоре; 3) изменением напря- жения возбуждения и напряжения на статоре. При управлении по обмотке возбуждения требуется преобразователь меньшей мощности, однако, в этом случае электропривод обладает худшими динамическими свойствами. 77 H B H B A B C Рис. 1.12.1 Реверсивные преобразователи выполняют либо однокомплектными, либо двухкомплектными. Однокомплектные преобразователи содержат пере- ключатель направления тока нагрузки при неизменном направлении выпрям- ленного тока преобразователя, рисунок 1.12.1. Рис. 1.12.2. Переключатель может быть как контактным, так и бесконтактным. Пе- реключение производится при отсутствии тока. Основным достоинствами 78 однокомплектных преобразователей являются: простата, малые габариты и стоимость. Недостатки: большая длительность безтоковой паузы, быстрый износ контактов, трудности управления в некоторых режимах, ограниченное число переключений (до 600 в час), меньший КПД и надежность. Применя- ются в электроприводах малой и средней мощности (до 250кВт). В электроприводах средней и большой мощности применяют двух- комплектные преобразователи, в кото- рых для каждого направления тока на- грузки используется отдельный ком- плект вентилей. Комплекты соединяют либо по перекрестной, рисунок 1.12.2, либо по встречно-параллельной схеме, рисунок 1.12.3. Вследствие более про- стой конструкции трансформатора, ча- ще применяется встречно-параллельная схема. Различают два вида управления тиристорными группами – совместное и раздельное. При раздельном управле- нии импульсы управления одновремен- но подаются только на один комплект преобразователя. При совместном управлении отпирающие импульсы по- даются на тиристоры как одной, так и другой групп во всех режимах работы привода, задавая одной группе режим выпрямления, а другой – режим инвер- тирования. В зависимости от способа формирования углов управления тири- сторными комплектами совместное управление разделяют на согласованное и не согласованное. При совместном согласованном управлении углы отпирания тиристор- ных групп преобразователя связаны между собой условием: α I + α II = 180. Если тиристорная группа I работает в режиме выпрямления с углом управле- Рис. 1.12.3 79 ния α I , то для задания группе II режима инвертирования на нее необходимо подать угол опережения β II = 180 - α II , а так как α II = 180 - α I , то при совмест- ном согласованном управлении получаем, что β II = α I . Допустим, пуску дви- гателя с прямым направлением вращения будет соответствовать работа груп- пы I в выпрямительном режиме. Пусковой режим будет осуществляться пу- тем уменьшения угла α I , проходя значения α 1 , α 2 , … , рисунок 1.12.4. По- требление энергии от сети через группу I будет продолжаться и при частоте вращения n ном . При этом группа II будет находиться в готовности к осущест- влению инверторного режима. Режим инвертирования через группу II насту- пает при торможении двигателя либо для перехода на более низкую частоту, либо для реверса. Торможение осуществляется увеличением угла α I , что вы- зывает перемещение рабочей точки привода в область характеристик квад- ранта II, так как частота вращения мгновенно измениться не может. В случае перехода на более низкую частоту вращения после торможения рабочая точ- ка вновь возвращается в область характеристик квадранта I. При реверсе угол α I продолжают увеличивать до значения α I = β II = 2 π , после чего тиристор- ная группу I переходят в режим инвертирования, а группу II в режим вы- прямления и осуществляют разгон с обратным направлением вращения дви- гателя в третьем квадранте. Рис. 1.12.4. 80 Реверсивный преобразователь с совместным управлением позволяет создать электропривод с высокими динамическими свойствами. Недостатком совместного управления является необходимость принятия мер по уменьше- нию так называемого уравнительного тока. Уравнительный ток возникает под действием уравнительного напряжения, создаваемого разностью мгно- венных значений напряжений U dI , U dII двух тиристорных групп. Для умень- шения уравнительного тока в схему вводят насыщающиеся или ненасыщаю- щиеся ограничительные реакторы. Если используются насыщающиеся реак- торы рисунок 1.12.2, то два, относящиеся к группе участвующей в преобра- зовании энергии, под действием протекающего через них тока находятся в состоянии насыщения, например L 1 , L 3 . Два других L 2 , L 4 при этом не насы- щены и участвуют в ограничении уравнительного тока. При использовании ненасыщающихся реакторов в схеме оставляют только два из них L 1 , L 4 или L 2 , L 3 Для борьбы с уравнительным током также используют совместное не- согласованное управление. При таком управлении α I ≠ β II и α I + α II > 180. В этом случае непрерывный уравнительный ток не может появиться т.к. не- скомпенсированное постоянная составляющая напряжения подпирает тири- сторы, но в этом случае ухудшается использование трансформатора и ухуд- шается коэффициент мощности преобразователя. Проблема уменьшения уравнительного тока полностью исключается в случае применения раздельного управления тиристорными группами преоб- разователя. Рассмотрим процесс реверса при раздельном управлении, рису- нок 1.12.5. Допустим, группа I работает в выпрямительном режиме и вращает двигатель в прямом направлении. Импульсы управления на группу II не по- даются, уравнительный ток отсутствует. Для реверсирования тока в момент t 1 снимаем импульсы управления с тиристоров группы I, при этом ток нагрузки со скоростью определяемой индуктивностью нагрузки и сглаживающего дросселя спадает до нуля, момент t 2 . Спустя время паузы t 2 - t 3 , достаточной для восстановления запирающих свойств тиристоров комплекта I, подаем от- пирающие импульсы на комплект II с углом α II > 90. В силу инерционности двигателя с нагрузкой частота вращения за время t 1 – t 3 , изменяется несуще- ственно. В течении времени t 3 – t 4 , комплект II работает в инвертоном режи- ме, источником энергии служит машина постоянного тока в генераторном режиме. При этом ток I d2 создает в машине тормозной момент, что приводит к быстрому снижению скорости. 81 Рис. 1.12.5. При t 4 угол управления α II = 90, n = 0, E = 0, то есть двигатель останавливает- ся. При дальнейшем уменьшении α II двигатель разгоняется в обратном на- правлении t 5 , при этом комплект II работает в выпрямительном режиме. Не- обходимость создания пауз в работе тиристорных групп (в аналоговых при- водах примерно 5-10 мс, в цифровых 1-2 мс) приводит к ухудшения быстро- действия приводов, тем не менее, вполне удовлетворяют требованиям про- мышленных электроприводов постоянного тока. Необходимыми элементами систем управления реверсивными преобразователями с раздельным управле- нием являются датчики тока, позволяющие точно зафиксировать спад тока нагрузки до нуля и логическое переключающее устройство (ЛПУ) осуществ- ляющее переключение комплектов. 1.13 Аварийные режимы преобразователей постоянного тока Полупроводниковые диоды и тиристоры могут выйти из строя либо по причине электростатического пробоя, обусловленного высоким напряжени- ем, либо по причине теплового пробоя из-за перегрева током. При этом, как правило, пробой полупроводникового вентиля приводит к возникновению аварии и протеканию больших токов в неповрежденных вентилях. 82 Аварии можно разделить на внеш- ние и внутренние, рисунок 1.13.1. Внут- ренними авариями называют переходные режимы причиной возникновения, кото- рых является неисправность элементов силовой схемы (I) преобразователя или нарушения в работе системы управления. Внешними авариями называют режимы работы, вызванные замыканиями в нагруз- ке или в питающей сети. К ним относятся короткие замыкания на шинах переменно- го (II) и постоянного (III) тока, недопусти- мая перегрузка или короткое замыкание у потребителя (IV), двухфазное (V) или од- нофазное опрокидывание инвертора (VI), которое также называют прорывом инвер- тора. Очень часто внешние аварии вызы- вают выход элементов силовой схемы из строя и развитие внутренней аварии. Цепи преобразовательных устройств содержат, как правило, элементы с магнитопроводом. Нелинейную характеристику также имеют и полупро- водниковые устройства. Обмотки трансформаторов, шинопроводы и сами полупроводниковые приборы имеют определенные распределенные емкости, которые трудно учесть в расчетах. Поэтому при расчетах аварийных режи- мов принимают следующие допущения: - все индуктивные и активные сопротивления схемы замещения линей- ны; - трехфазная системы сети симметрична, а э. д. с. синусоидальны и не- изменны по амплитуде; - все диоды, за исключением поврежденных сохраняют свои вентиль- ные свойства, тиристоры – управляемость; - намагничивающие токи трансформаторов и собственные емкости элементов малы и не учитываются; - влияние защитных цепей вентилей от перенапряжений не учитывают- ся. Рис. 1.13.1. 83 В качестве базисной величины во всех дальнейших расчетах будет ис- пользоваться амплитудное значение установившегося тока трехфазного ко- роткого замыкания: ( ) 2 a 2 a ф m m L R E I ω + = , где ф m E – амплитудное значение фазной ЭДС; 2 a R , a L ω – суммарные активное и реактивное сопротивления одной фазы пол- ной схемы замещения, приведенные к вторичной обмотке трансформатора. 1 2 2 1 2 1 i R R R a + = ω ω , s 2 2 1 2 s 1 a L L L + = ω ω ; s 1 L , s 2 L – индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток; 1 R , 2 R – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток. |