2.3. Коммутация тока и внешние характеристики однофазных управляемых выпрямителей

В выпрямителях средней и большой мощности возрастает влияние э.д.с., создаваемых в первичной и вторичной обмотках трансформато­ра их магнитными потоками рассеяния.

Рис. 2.4. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель

Повышение роли индуктивностей рассеяния сказывается на про­цессе перехода тока нагрузки с одного тиристора на другой (процесс коммутации). В маломощных выпрямителях, ввиду относительной малости индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, указан­ный переход тока протекает за короткий интервал времени. Коммута­цию тока в этих выпрямителях считают мгновенной и не учитывают. В выпрямителях же средней и большой мощности интервал комму­тации, характеризуемый углом γ, может занимать довольно значи­тельную часть длительности рабочих процессов. Коммутационные процессы здесь оказывают существенное влияние на работу, показа­тели и характеристики выпрямителя. Влияние индуктивностей рассе­яния обмоток трансформатора L_S1, L_S2 , а при более точных расче­тах— и индуктивности питающей сети L_C , учитывается суммарной индуктивностью:

(или суммарным индуктивным сопротивлением ), приведен­ной к вторичной обмотке трансформатора.

Процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характе­ристики выпрямителя рассмотрим вначале для однофазной схемы с нулевым выводом. Поскольку неуправляемый выпрямитель является частным случаем управляемого при α = 0, анализ проводится для уп­равляемого выпрямителя. При α = 0 все полученные соотношения действительны для неуправляемого выпрямителя. Нагрузка принима­ется активно-индуктивной с

Временные диаграммы, поясняющие влияние коммутационных процессов в схеме выпрямителя, приведены на (рис. 2.5 б - е).

Влияние проявляется в том, что при подаче отпирающего им­пульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления х_a1 и х_a2 затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводившего тирис­тора и нарастания до значения I_Н тока тиристора, вступающего в работу (рис. 2.5 д). В результате, нa интервале коммутации γ в про­водящем состоянии одновременно находятся оба тиристора выпря­мителя (тиристоры Т1 и Т2 на рис. 2.5 а). Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для последовательно соединенных вторич­ных обмоток трансформатора с суммарным напряжением 2u₂ и со­противлением x_a1+ х_а2. Если считать х_a1 = х_a2, то к каждому из этих сопротивлений прикладывается напряжение u₂. Напряжение на на­грузке u_H при учете угла коммутации γ определяется выражением:

(2.3)

Рис. 2.5. Электромагнитные процессы в схеме УВ

Уравнение (2.3) описывает внешние характеристики управляемого выпрямителя. Для различных значений угла управления они представ­ляются семейством параллельных прямых (рис. 2.6). Наклон характе­ристик зависит от величины приведенного к вторичной обмотке трансформатора суммарного реактивного сопротивления ха. Выпрями­телю, выполненному на диодах (неуправляемый выпрямитель), соот­ветствует внешняя характеристика со значением α = 0. Здесь же пун­ктиром показаны внешние характеристики управляемого выпрямителя без учета коммутации. Эти характеристики построены по уравнению 2.2, они представляют собой прямые параллельные оси тока.

Коммутационные явления в схеме управляемого выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относи­тельно напряжения питания. Фазовый сдвиг первой гармоники по­требляемого тока i1(l) растет пропорционально углу коммутации и составляет .

Кривая напряжения на тиристоре (см. рис. 2.5 в) отличается от аналогичной кривой (рис. 2.1 в) увеличением интервала его проводи­мости на время коммутации. С учетом угла γ к тиристору при запи­рании прикладывается скачок обратного напряжения равный .

Рис. 2.6. Внешние характеристики однофазного УВ

Коммутационные процессы в однофазном мостовом управляе­мом выпрямителе подобны процессам в однофазной схеме с нуле­вой точкой. Особенность заключается в том, что на этапе коммута­ции в проводящем состоянии находятся одновременно все четыре тиристора.

Уравнение внешних характеристик мостовой схемы записывается в виде:

(2.4)

Первая гармоника потребляемого из сети тока i1(l) в мостовой схеме также сдвинута в сторону отставания относительно напряжения питания на угол .

Виртуальные модели. Реализация силовых блоков УВ осуществ­ляется с использованием виртуальных блоков из библиотеки Power System Blockset. Схему с нулевым выводом необходимо строить из отдельных тиристоров. Для мостовой схемы можно ис­пользовать блок Universal Bridge. Окно настройки блока при этом использовании показано на рис. 2.7. В первом поле Number of bridge arms из выпадающего меню выбирается цифра 2, т. к. мост имеет два плеча. В поле Port configuration из выпадающего меню выбирает­ся конфигурация портов такая, при которой входными являются за­жимы переменного тока. В двух последующих полях устанавливают­ся параметры снабберов. В поле Power Electronic device из выпадаю­щего меню выбирается тип силового полупроводникового элемента (в данном случае тиристора). В последующих трех полях устанавли­ваются значения параметров тиристора во включенном состоянии. В последнем поле Measurement из выпадающего меню выбираются величины, которые измеряются блоком Multimeter.

Схема управления мостовым управляемым выпрямителем показана на рис. 2.8, она реализована на блоках основной библиотеки Simulink в соот­ветствии с функциональной схемой, рассмотренной выше (рис. 2.2). Блоки Constant, Hit Crossing, Integrator реализуют генератор пилообразного напря­жения (ГПН, рис. 2.2). Этот генератор управляется от сети и подсоединяет­ся к ней при помощи входного порта Inl. Блоки Sum, Relay, реализуют схему сравнения (СС, рис. 2.2). Блоки. Swich, Swichl реализуют распреде­литель импульсов (РИ, рис. 2.2). Выходные сигналы с этих блоков управ­ляют тиристорами через выходные порты Out1, Out2, Out3, Out4.

Входной сигнал управления подается на схему через порт In2.

Рис. 2.7. Окно настройки параметров универсального полупроводникового преобразователя

Рис. 2.8. Модель блока управления однофазным мостовым УВ