§ 6.3. Преобразовательные устройства на тиристорах

1. Основные сведения

Преобразовательным называется устройство, предназначенное для преобразования

одной системы переменного тока, имеющую определенные параметры ( напряжение, ча-

стоту и др. ) в другую с иными параметрами.

Различают три вида преобразовательных устройств:

1. преобразователи постоянного тока;

2. инверторы;

3. преобразователи частоты.

Преобразователи постоянного тока предназначены для преобразования переменно-

го напряжения в постоянное регулируемой величины. На судах они применяются, если в качестве исполнительного двигателя, выполняющего определенную работу, используется электродвигатель постоянного тока, скорость которого надо изменять.

Инверторы предназначены для преобразования постоянного тока в переменный. Иначе говоря, инвертор выполняет функцию, обратную выпрямителю. На судах они при

меняются в качестве составной части инверторных преобразователей частоты ( см. ниже ).

Различают два вида инверторов:

1. инверторы, ведомые сетью, или, иначе ведомые инверторы;

2. автономные инверторы.

Ведомым называют инвертор, в котором коммутация полупроводниковых прибо-

ров ( тринисторов ) происходит под действием питающей напряжения сети.

Автономным называют инвертор, в котором коммутация полупроводниковых при-

боров ( тринисторов ) происходит под действием схемы управления этого инвертора.

Преобразователи частоты предназначены для преобразования переменного напря-

жения стандартной частоты ( 50 или 60 Гц ) в переменное напряжение регулирумой часто-

ты.

Различают два вида преобразователей частоты:

1. преобразователи, у которых на выходе изменяется только частота;

2. преобразователи, у которых на выходе изменяется как частота, так и напряже-

ние.

На судах, в основном, применяются преобразователи частоты второго вида ( в гру-

зоподъемных механизмах ).

Более подробно преобразовательные устройства рассматриваются в предмете

«Силовая преобразовательная техника» и поэтому в данном конспекте опущены.

2. Тиристорные преобразователи постоянного тока

В тиристорных электроприводах постоянного тока для получения постоянного тока регулируемой величины применяют преобразователи постоянного тока.

Такие преобразователи представляют собой управляемые выпрямители ( УВ ), у которых все вентили или часть из них – это рассмотренные выше тринисторы..

Для управление вентилями служит система импульсно-фазового управления ( СИФУ ). Эта система вырабатывает и подает на управляющие электроды тринисторов

импульсы напряжения управления U с частотой, кратной частоте питающей сети.

Величина выпрямленного напряжения зависит от угла отпирания тринистора α, ко

торый пр помощи СИФУ может изменяться в пределах от α = 0º до α = 180º. В первом случае выпрямленное напряжение максимально, во втором равно нулю ( см. рис. *** )

Таким образом, чтобы плавно разогнать двигатель постоянного тока, СИФУ долж-

на изменить угол α от значения α = 180º при пуске до α = 0º при номинальной скорости.

Тринисторы могут быть собраны в следующие схемы:

1. однополупериодная однофазная;

2. двухполупериодная однофазная ( мостик Гретца и схема Миткевича);

3. однополупериодная трехфазная;

4. двухполупериодная трехфазная ( схема Ларионова ).

На судах в основном применяется трехфазные схемы выпрямления.

Регулирование скорости двигателей постоянного тока в тиристорных электроприводах

В общем случае тиристорный электропривод постоянного тока состоит из следую

щих основных элементов ( рис. 226 ):

.

Рис. 226. Структурная схема тиристорного электропривода постоянного тока

1. силовой трансформатор Тр;

2. вентильный преобразователь Вп;

3. сглаживающий фильтр СФ;

4. электродвигатель М;

5. система управления СУ.

Силовой трансформатор Тр служит для согласования номинального напряжения двигателя с выходным напряжением преобразователя.

Поясним это на примере.

Пусть обмотка якоря двигателя постоянного тока номинальным напряжением U =

= U = 220 В питается с выхода однополупериодной трехфазной схемы ( рис.227, а ).

В этом случае действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформа

тора

U = 0,855 U = 0,855*220 = 188,1 ≈ 190 В.

Таким образом, для этой схемы нужен трансформатор напряжением 380 / 190 В.

Поскольку напряжение U = 190 В не является стандартным ( ближайшее значение стандартного напряжения равно 220 В ), для схем выпрямления производят специальные трансформаторы ( в данном примере напряжением 380 / 190 В ).

Кроме того, первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют большую ин-

дуктивность. Это позволяет при помощи трансформатора уменьшить скорость нарастания прямого тока тринисторов и повысить их срок службы, а также ограничить токи коротко-

го замыкания ( например, в обмотке якоря двигателя ).

При отсутствии необходимости согласования силовой трансформатор заменяют реактором.

Вентильный преобразователь выпрямляет напряжение и регулирует его в нуж-

ных пределах.

Для питания цепей якоря двигателя применяют однополупериодные схемы с нуле

вым выводом ( рис. 227, а ) или двухполупериодные мостовые схемы ( рис. 227, б ).

Рис. 227. Схемы включения якоря двигателей постоянного тока на вентильный преобразователь: с нулевым выводом ( а ); мостовая ( б )

В таких схемах обмотки возбуждения двигателей обычно получают питание от об-

щей сети переменного тока через маломощные однофазные выпрямители.

Сглаживающий фильтр ( дроссель Др на рис.227) предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. При этом улучшаются условия коммутации и уменьшается нагрев обмотки якоря двигателя.

В общем случае среднее значение выпрямленной ЭДС

Е = E cosα,

где E - максимальное значение выпрямленной ЭДС ( при α = 0º );

α – угол отпирания тринисторов.

В свою очередь максимальное значение выпрямленной ЭДС

E = E ( m / π ) sin ( π / m ),

где E - действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора ( для схем с нулевым выводом, рис. 226, а, берется фазное значение E , для мостовых схем ,

рис. 227, б – линейная ЭДС E );

m – число фаз преобразователя, равное числу пульсаций выпрямленного напряже-

ния.

Пример.

Рассчитать трансформатор для мостовой схемы выпрямления, питающей двигатель постоянного тока напряжением 220 В ( рис. 227, б ). Найти значение ЭДС Eпри углах α = 0º, 90º и 180º. Напряжение питающей сети U = 380 В.

Решение

1. для мостовой схемы m = 6 ( из курса предмета «Преобразовательная техника» );

2. по условию ЭДС E = U = E ( m / π ) sin ( π / m ), откуда

E = U / [ ( m / π ) sin ( π / m )] = 220 / [ ( 6 / 3,14 ) sin ( 180º / 6 )] =

= 162,9 ≈ 163 В

3. напряжение трансформатора U / U = 380 / 163 В

4. значение ЭДС E при углах α = 0º, 90º и 180º соответственно:

E = E cosα = 163 cos0º = 163*1 = 163 В;

Е = E cosα = 163 cos 90º = 163*0 = 0;

Е = E cosα = 163 cos180º = 163*( -1 ) = - 163 В.

Механические характеристики двигателя при разных значениях угла отпирания тринисторов α приведены на рис. 228.

Рис. 228. Электромеханические характеристики двигателя при разных значениях угла α

На рис. 228 штриховой линией показана граница между режимами непрерывного

( справа от пунктирной линии ) и прерывистого ( слева от этой линии ) токов якоря двига-

теля.

Электромеханические характеристики имеют такие особенности:

1. при уменьшении угла отпирания тринисторов от α = π / 2 = 90º до α = 0º ( все

характеристики выше второй снизу ) скорость двигателя увеличивается, двигатель работа-

ет в двигательном режиме;

2. при увеличении угла α свыше 90º ( нижняя характеристика ) ток якоря меняет

направление, двигатель переходит в режим рекуперативного торможения с возвратом энер

гии в сеть ( например, при спуске тяжелого груза ).

При этом выпрямитель переходит работать в инверторный режим.

Реверсирование двигателей постоянного тока в тиристорных приводах

Формула электромагнитного момента двигателя постоянного тока имеет вид

М = с I Ф,

где: с – конструктивный коэффициент (для каждого типа двигателя - постоянная

величина ); I - ток якоря двигателя; Ф – магнитный поток обмотки ( обмоток ) возбуж-

дения,

Для реверса двигателя надо изменить знак электромагнитного момента двигателя.

Из формулы следует, что это можно сделать двумя способами:

1. изменить знак тока в обмотке якоря I , не изменяя знака магнитного потока Ф,

при этом М' = с ( - I )Ф = - М;

2. наоборот, изменить знак магнитного потока Ф, не изменяя знака тока в обмотке якоря I , при этом М' = с ( - I )Ф = - М.

В тиристорных приводах для реверсирования двигателей постоянного тока приме-

няют, в основном, первый способ, что более быстрым изменением направления тока в об-

мотке якоря, чем в обмотке возбуждения.

Последнее объясняется тем, что обмотка якоря имеет гораздо меньшую индуктив-

ность по сравнению с обмоткой возбуждения.

При этом различают два вида схем:

1. перекрестные или «восьмерочные» ( рис. 229, а );

2. встречно-параллельные ( рис. 229, б ).

Рис. 229. Перекрестная ( а ) и встречно-параллельная ( б ) схемы включения групп тринисторов реверсивных преобразователей в системе ТП – ДПТ; Вп – выпрямительная группа тринисторов , И – инверторная группа; ДУ – уравнительные дроссели; ДС – сгла

живающие дроссели.

В перекрестной схеме ( рис. 229, а ) используется трехобмоточный трансформатор,

первичная обмотка которого включена в сеть, а от двух вторичных обмоток питаются две группы тринисторов Вп. В этой схеме при включенной левой группе тринисторов ток в

обмотке якоря протекает в направлении снизу вверх, правой – сверху вниз.

Такое направление тока объясняется полярностью выпрямленного напряжения на выходе Вп – «плюс» слева, «минус» справа.

Во встречно-параллельной схеме ( рис. 229, б ) используется двухобмоточный тран

сформатор, от вторичной обмотки которого питаются обе группы тринисторов. В этой схе

ме при включении верхней группы тринисторов ток ток в обмотке якоря протекает в на-

правлении слева направо, нижней – справа налево.

Вне зависимости от выбранной схемы, при работе двигателя в двигательном режи-

ме одна группа тринисторов работает в режиме выпрямителя, другая – заперта или подго-

товлена к работе в режиме инвертирования ( возврат энергии двигателя в сеть ).

При работе двигателя в режиме рекуперативного торможения, например, при спу-

ске тяжелого груза, одна группа тринисторов работает в режиме инвертирования, другая – закрыта или подготовлена к работе в режиме выпрямления.

Для управления тринисторными группами применяют два способа:

1. раздельный;

2. совместный.

При раздельном управлении управляющие импульсы подаются только на рабочую

группа тринисторов. При этом между снятием и подачей импульсов обеспечивается пауза,

которая вызывает разрыв регулировочных характеристик и, следовательно, ухудшает дина

мические свойства привода.

При совместном управлении отпирающие импульсы на обе группы тринисторов подаются таким образом, чтобы ЭДС группы тринисторов в режиме инвертирования Е равнялась или была больше ЭДС группы тринисторов в режиме выпрямления Е инвер-

тирования Е ( Е ≥ Е ). В этом случае напряжение на выходе инверторной группы тринисторов не позволяет выпрямленному току протекать через нее, этот ток протекает через обмотку якоря.

Однако мгновенные значения ЭДС обеих групп в каждый момент времени не рав-

ны друг другу, вследствие чего в замкнутых контурах, образуемых последовательно соеди

ненными группами тринисторов Вп и И, возникает уравнительный ток значительной вели

чины.

В приведенных схемах применяют дроссели:

1. уравнительные ДУ - для ограничения уравнительного тока до 10% от номиналь-

ного;

2. сглаживающие ДС – для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.