3.1. Електромашинні перетворювачі

Схема електромашинного перетворювача змінного струму в постійний показана на рис. 2.11.

Перетворювач містить приводний двигун генератора ПДГ - асинхронний чи синхронний. Головна вимога до ПДГ - жорстка характеристика (для того, щоб швидкість генератора не залежала від навантаження). Генератор — електрична машина постійного струму незалежного збудження з компенсаційною обмоткою. Не­обхідність компенсації полягає в тому, щоб ЕРС генератора не за­лежала від навантаження. Є два входи енергії - механічний (со_г) і джерело збудження (1/_зт). Для керування використовується потен­ціометр.

Рис. 2.11

Схема електромашинного перетворювача з регулюванням вхідної напруги по амплітуді і частоті зображена на рис. 2.12.

и^соѵ&і /;=соші -

ПДГ

Рис, 2.12

Швидкість двигуна Д регулюється зміною напруги на якірній обмотці

0). =

1г

сЛ„

к_аФ_д кФ_а

а а а а

— ^{Г ЗГ} , ЧИ ^шд “

ІГ.

*дФд

де с_г = к_гк_зтю_г— стала генератора; к_й\К — конструктивні

коефіцієнти двигуна і генератора; к_зг— коефіцієнт збудження ге­нератора, визначається з кривої намагнічування генератора; г_я = г г + г_яд- опір якірного кола електромашинного перетворювача. ЕРС генератора:

Е=сІ .

Вал двигуна сполучений з валом синхронного генератора СГ, частота напруги якого пропорційна швидкості двигуна, а амплі­туда регулюється струмом збудження /_зсг.

Недоліки перерахованих систем — низький ККД, наявність великого числа обертових машин, мала швидкодія. Встановлена потужність устаткування перевищує більш, ніж у 4 рази необхідну (при умовному т| = 1). ККД перетворювача:

«л*

де т|_н - номінальний ККД приводного двигуна; к - число сту­пенів перетворення енергії.

Якщо ККД електричних машин середньої потужності скла­дає 0,85-0,9, то при подвійному перетворенні енергії ККД пере­творювача не перевищує 0,7 - 0,8, а при чотириразовому 0,5 - 0,65. Тобто якщо приводний двигун генератора має потужність 1000 кВт, то 350 - 500 кВт витрачається на нагрівання повітря.

3.2. Статичні перетворювачі на напівкерованих електронних приладах (тиристорах)

Розглянемо найбільш застосовувані в електроприводі схеми напівпровідникових перетворювачів, основним елементом яких є тиристор (8СК — Зііісоп Сопігоїіесі КесііГіег). Тиристор — це на- півкерований електронний прилад.

К

КЕ

Рис. 2.13

Відкривається тиристор при подачі на керуючий електрод (КЕ) імпульсу струму і наявності на аноді позитивного потенціалу (рис. 2,13). Якщо на анод подати напругу вище припустимої прямої напруги, то відбудеться некероване самовідкривання — пробій тиристора. Тому робоча анодна напруга вибирається в кілька разів нижчою.

Відкриванням тиристора можна керувати, змінюючи струм управління /_уза величиною — горизонтальне керування. Наприк­лад, при І тиристор відкривається при малій анодній напрузі. Але таке керування можливе тільки до половини напруги, тобто керування неповне.

В основному застосовується вертикальний спосіб керування (фазове керування). Вибирається / = шах , і його величина зали­шається постійною, а змінюється фаза подачі імпульсу струму.

Змінюючи імпульс по фазі, можна змінювати кут керування а в межах 0<а< 180°.

Вольт-амперна характеристика тиристора зображена на рис. 2.14.

Тиристор закривається двома способами:

• зміною полярності анодної напруги на зворотну (природна комутація);

• обривом кола протікання струму (примусова комутація). Схема трифазного мостового перетворювача змінного струму

в постійний зображена на рис. 2.15.

Кут керування тиристорів а - кут між точкою природного відкривання і реальним моментом відкриття тиристора (рис. 2.16). Точка природного відкривання — рівність фазних напруг одна одній, або лінійна напруга дорівнює нулю.

Діаграми напруг і струмів, що пояснюють принцип роботи ше- стипульсного мостового випрямляча при а=0, зображені на рис. 2.17.

Кут комутації у - час переведення струму з одного вентиля на інший (у = 15 - 20⁰ частоти мережі живлення).

Середнє значення ЕРС на виході перетворювача:

^еа ^{= е}*,^С08а’

де е_м = £_сх£_2т (е_й0 = £_х£/_с) - максимальна величина середнього значення випрямленої ЕРС; к_сх — коефіцієнт схеми (&_сх = 1,35 для лінійної напруги чи 2,34 для фазної); Е_2т (1/_с) — ЕРС вторинної об­мотки трансформатора чи напруга мережі.

Кутова характеристика перетворювача зображена на рис. 2.18.

Рис. 2.18

При 0 < а < 90°, е_гі > 0 — випрямний режим;

90° < а < 180°, е_а < 0 — інверторний режим.

Діаграма напруг на вході і виході шестипульсного мостового випрямляча при різних кутах керування зображена на рис. 2.19.

7 О. М. Закладний

97

Схема перетворювача постійного струму з нульовою точкою зображена на рис. 2.20.

£/=сопз4 і /=сопзї

ѵаг

Рис. 2.20

Схема перетворювача постійного струму з імпульсним ре­гулюванням напруги зображена на рис. 2.21.

С/=С0П5І /=СОП8І

ключ

ЇН-

и.

■ +

03

СІ — СОПЗІ

Рис. 2.21

Існують два способи керування електронним ключем — ши- ротноімпульсниий і частотноімпульсний. При широтноімпульс- ному період комутації ключа Тк, що складається з часу замкнено­го Із і розімкненого Ір стану ключа, залишається постійним Тк - із+ ір = соті, а змінюється час Із. Відношення часу замкнутого стану ключа до періоду комутації називається скважністю:

/) = Ь_₌₌_Л_

71

При замкненому ключі струм у навантаженні (наприклад, у двигуні постійного струму) протікає під дією напруги випрямля­

ча, а при розімкненому — під дією ЕРС самоіндукції, замикаючись через діод ѴВ (електродинамічний режим гальмування). Струм у якорі має пульсуючий характер (рис. 2.22, а). Струм у навантаженні при і = і₃ дорівнює струму, що протікає з випрямляча /_я = І_й, при і = /струм /_я = /_ѵ.

					(і) 1 1 ЫІ ц>		"'""^£=0,6
		V			1
л.					—Г-	■ 0>1 і—►
						(і) і
				Ґ
						0	" м

а

Рис. 2.22

Регулюючи скважність В роботи ключа, можна одержати різні характеристики (рис. 2.22, б). При В — 1 на якір постійно подаєть­ся повна напруга мережі, і двигун постійного струму (ДПС) має природну характеристику. При розімкненому ключі О = 0 напру­га не подається, і двигун переходить у режим електродинамічного гальмування.

Електронні ключі виконуються на транзисторах, тиристорах і тиристорах, що запираються. Схема електронного ключа на тири­сторі зі штучною комутацією зображена на рис. 2.23.

П її Її

і

_ЯГ\ГГ\

Ѵ8\

Яг

Ѵ52

*

Ю\

_-Ю2

7.\

Рис. 2.23

Для ввімкнення привода в роботу спочатку сигнал подається на допоміжний тиристор Ѵ52, при відкриванні якого по якірному Колу двигуна протікає струм заряду конденсатора С. Потенціал на верхній обкладці конденсатора стає позитивним після закінчення заряду, а струм зменшується до нуля.

Потім по черзі подаються сигнали на відкривання тиристорів Ѵ8Х і Ѵ32. При відкриванні основного тиристора Ѵ51 двигун підключається до мережі. Через тиристор Ѵ5Х проходить струм якоря і струм перезаряду конденсатора Сщо замикається по кон­турі С—Ѵ8\—Ѵ0\—Ь. У результаті перезаряду конденсатор одер­жує негативний потенціал на верхній обкладці.

Наступне відкривання Ѵ52 призводить до шунтування основ­ного тиристора конденсатором. При цьому потенціал анода Ѵ8\ стає негативним стосовно катода, що викликає його запирання в результаті перезаряду ємності. Верхня обкладка конденсатора після закінчення процесу стає позитивною.

Перевага імпульсного способу — простота, сокср = 1. Недолік — пульсації струму.

Схема перетворювача змінного струму з регулюванням напруги при постійній частоті зображена на рис. 2.24.

?Уі=СОП5І /і= СОП5І /

*

т

1

^2 ^

~Г

У2⁼ѵаг_?^=соп8^

Рис. 2.24

Схема перетворювача частоти з безпосереднім зв’язком зоб­ражена на рис. 2.25.

£/і=СОП8і, /г СОП8І

-ш-

~т~

1/₂=ѵаг, ^=ѵаг Рис. 2.25

Такий перетворювач впливає на мережу внаслідок більшого числа випрямних мостів (6 штук) — вища частота пульсації, але

менша амплітуда. Керування здійснюється за частотним законом^

= СОП8І. Однак вихідна частота перетворювача не перевищує ЗО % вхідної, тобто 15 Гц. Крім того, перетворювач має складну систе­му керування.

Схема перетворювача частоти з ланкою постійного струму з автономним інвертором зображена на рис. 2.26.

Перетворювач складається з керованого випрямляча КВ, за допомогою якого здійснюється регулювання напруги, і автоном­ного інвертора АІ зі штучною комутацією, за допомогою якого регулюється частота. Комутація тиристорів інвертора здійснюється за рахунок енергії, накопиченої в реактивних елементах Ь і С. Діо­ди ѴИ1- Ѵ06 служать для відділення комутуючого струму від стру­му навантаження.

Для віддачі реактивної енергії в мережу служить випрямляч В, увімкнений зустрічно основному. Дросель Др і ємність СІ служать для згладжування струму і напруги на вході інвертора. Ємність СІ вказує на те, що інвертор виконаний за схемою джерела напруги (вихідний струм синусоїдальної форми, а напруга — ступінчатої). індуктивності Ы, 12 призначені для обмеження струму розряду через діоди випрямляча В.

Др ВИ- АІ

Такий перетворювач відрізняється високими ККД (близько 0,96) і швидкодією. Недоліки - значна встановлена потужність пе­ретворювача (Р = 2,5 Рн), наявність реактивних елементів і складність системи керування.