Управляемые выпрямители

К недостаткам системы Г—Д относятся:

1) необходимость в двукратном преобразовании энергии (из электрической энергии переменного тока в механическую и из механической вновь в электрическую постоянного тока регулируемого напряжения), что приводит к значительному снижению КПД;

2) наличие двух машин в преобразовательном агрегате, установленная мощность каждой, если пренебречь потерями в машинах, равна установленной мощности регулируемого двигателя;

3) значительные габариты и масса установки, необходимость в фундаменте для преобразовательного агрегата;

4) высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

Развитие в последние годы силовой полупроводниковой техники позволило создать статические преобразователи (выпрямители), преобразующие переменное напряжение в регулируемое постоянное напряжение.

Регулирование постоянного напряжения осуществляется регулированием угла включения вентилей в проводящей части периода переменного напряжения и имеет свои особенности.

Рассмотрим принцип регулирования напряжения на примере включения тиристоров по однофазной нулевой двухполупериодной схеме выпрямления, приведенной на рис. 17.1, а. Допустим, что на управляющий электрод тиристора VI подается от системы управления СУ отрицательный импульс в момент времени t₁ (рис. 17.1 б). Угол α, отсчитываемый от момента естественного включения вентиля VI, вызовет на нагрузке скачок напряжения, которое будет изменяться по кривой u_2а. В момент t₂ напряжение u_2a становится равным нулю и тиристор VI закрывается. На интервале t₂ — t₃ оба тиристора закрыты и ток равен нулю, а в момент t₃ вступает в действие тиристор V2 и остается открытым до момента t₄ и т. д.

При активной нагрузке кривая выпрямленного тока (рис. 17.1, в) повторяет кривую выпрямленного напряжения.

Если изменяется угол α относительно начала синусоиды напряжения на анодах тиристоров, то соответственно меняется среднее значение выпрямленного напряжения.

Рис 17.1. Регулирование напряжения при включении тиристоров по однофазной нулевой (двухполупериодной) схеме выпрямления. а- схема выпрямления; б- диаграмма напряжения; с- диаграмма токов.

Процессы в схеме с управляемым выпрямителем при учете индуктивности рассеяния обмоток трансформатора индуктивности обмотки якоря двигателя и противо-ЭДС двигателя имеют свою особенность. В этом случае гра­фики изменения во времени напряжения и тока преобра­зователя имеют довольно сложный характер. Кривая вы­прямленного напряжения состоит из положительных и отрицательных участков синусоид. Ток может быть как непрерывным, так и прерывистым.

Выпрямленное напряжение (и выпрямленный ток) содержит постоянную U_d и переменную составляющие (последняя содержит ряд гармоник). Наличие пульсаций (переменной составляющей) выпрямленных напряжения и тока ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока и увеличивает потери в них, поэтому на выходе выпрямителя часто устанавливается индуктивный фильтр, представляющий собой реактор, включаемый последовательно с якорем двигателя и обладающий большим реак­тивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока, которая значительно уменьшается, а падение напряжения от этой составляющей на активном сопротивлении реактора незначительно. Другим средством уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения явля­ется использование многофазных схем выпрямления.

Рассмотрим форму напряжения и тока для трехфазной нулевой схемы включения тиристоров, показанной на рис. 17.1, а, с учетом индуктивности рассеяния, приведенной к вторичной обмотке трансформатора, и значительной ин­дуктивности сглаживающего реактора L_d, при которой ток можно считать идеально сглаженным.

Из-за индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора переход тока от одного тиристора к другому происходит не мгновенно, а в течение времени, кото­рое соответствует так называемому углу коммутации. В интервале t₁ — t₂ работает тиристор VI; в момент t₂ начинается процесс коммутации тока с тиристора VI на V2, в течение которого работают оба тиристора. За счет ЭДС самоиндукции, наводимой в фазе u_2а, ток i_al спадает не сразу, а из u_2Ь вычитается часть напряжения, соответствующая ЭДС самоиндукции, которая препятствует росту тока i_a2 так, что сумма токов i_al и i_a2 в момент коммутации остается равной выпрямленному току I_d. К концу коммутации (момент t₃), обозначенной углом у, ток в тиристоре VI ста­новится равным нулю, а в тиристоре V2 возрастает до зна­чения I_d. В период коммутации выпрямленное напряжение становится меньшим и равным u_d = 1/2 (u_2a + u_2b); оно изменяется так, как показано на рис. 17.2., б. К концу коммутации напряжение скачком возрастает до фазного напряжения u_2Ь. Следовательно, выпрямленное напряжение снижается из-за индуктивного падения напряжения, которое показано заштрихованной площадкой на рис. 17.2.,6.

Рис 17.2. Регулирование напряжения при трехфазной нулевой схеме включения тиристоров а – схема выпрямления; б – диаграмма напряжения; в – диаграмма токов.

Среднее значение выпрямленного напряжения определя­ется соотношением (без учета падения напряжения на тиристоре):

, (17.1)

где — среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя и полностью открытых тиристорах; U — действующее значение переменного фазного напряжения; m — число фаз выпрямителя; x_т, R_т — соответственно приведенные к вто­ричной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния обмоток фазы трансформатора и их активное сопротивление; R_L — активное сопротивление сглаживающего реактора.

Форма кривой тока приведена на рис. 17.2, в.

Уравнение электромеханической характеристики двигателя независимого возбуждения

(17.2)

А уравнение механической характеристики

(17.3)

где

Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, управляемого тиристорным выпрямителем, напоминают характеристики в системе Г—Д (рис.17.3), однако они отличаются рядом особенностей.

Характеристики имеют меньшую жесткость за счет большего падения напряжения в якорной цепи; при различных углах включения наклон их остается постоянным. При конечных значениях индуктивности сглаживающего реактора и малых нагрузках наступает режим прерывистых токов, при котором имеет место резкий подъем характеристик. Чем больше угол включения тиристоров, тем больше зона прерывистых токов.

Рис. 17.3. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения, питающегося от тиристорного

управляемого выпрямителя

Явление прерывистых токов обусловлено тем, что с уменьшением нагрузки снижается количество энергии, запасенной в индуктивности L_d, и наступает момент, когда создаваемая ею ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока при отрицательных напряжениях на анодах тиристоров, что приводит к увеличению выпрямленного напряжения U_d, а следовательно, к возрастанию угловой скорости двигателя при холостом ходе.

В схеме, приведенной на рис. 17.2., двигатель может работать в двигательном режиме и режиме торможения противовключением (за счет активного момента, например, груза) при неизменном направлении тока в якорной цепи. Когда возникает необходимость реверсирования двигателя, можно изменять полярность на выводах якоря при неизменном направлении тока возбуждения.

Коэффициент полезного действия тиристорного выпрямителя определяется произведением КПД трансформатора и вентилей. Коэффициент полезного действия трансформатора средней и большой мощности при номинальной нагрузке примерно равен 0,95—0,98. Коэффициент полез­ного действия тиристорного выпрямителя определяется прямым падением напряжения на нем, которое для одного тиристора составляет всего 1—1,2 В, поэтому общий КПД выпрямителя при номинальной нагрузке для мощности 50—100 кВт составляет 0,9—0,92. С увеличением мощности КПД выпрямителя оказывается еще выше. Коэффициент мощности тиристорного выпрямителя определя­ется по формуле

откуда видно, что с увеличением угла включения тиристо­ров резко падает коэффициент мощности, что является существенным недостатком схем с тиристорным выпрямителем.

В системе УВ—Д так же, как и в системе Г—Д, возможно регулирование угловой скорости двигателя вверх от основной (при полностью открытых тиристорах) воздействием на поток двигателя и регулирование вниз — изменением угла включения тиристоров при неизменном магнитном потоке двигателя. В разомкнутой системе УВ—Д диапазон регулирования невелик, примерно такой же, как в системе Г—Д.