Исследование тиристорного преобразователя

1. Цель работы

Исследование регулировочных и внешних характеристик тиристорного преобразователя при различных типах нагрузки.

2. Теоретические пояснения

Тиристорный преобразователь (ТП) или тиристорный выпрямитель осуществляет преобразование энергии переменного напряжения на входе в энергию постоянного напряжения на выходе и наоборот. В электроприводе ТП используется для управления двигателем постоянного тока (ДПТ) за счет регулирования напряжения якоря или напряжения якоря или напряжения возбуждения.

Принцип действия ТП можно пояснить на примере однополупериодной схемы выпрямления со средней точкой – рис. 1. Схема содержит согласующий трансформатор TV1, два тиристора VS1, VS2 и схему импульсно-фазового управления СИФУ. Выходные выводы ТП обозначены D, E. В качестве обобщенной нагрузки ТП изображены якорь ДПТ с последовательно включенным сглаживающим дросселем СД.

На рис. 1 применены следующие обозначения: i_y1, i_y2 – токи управления тиристорами; e₁, e₂ – мгновенные значения ЭДС обмоток трансформатора; u_d – мгновенное значение выходного напряжения ТП (выпрямленное напряжение); i_d – мгновенное значение тока нагрузки; i₁, i₂ – токи тиристоров; U_упр – напряжение на входе СИФУ.

Диаграммы, поясняющие работу ТП при различных видах нагрузки, приведены на рис. 2. Мгновенные значения выпрямленной ЭДС обозначены как e_d.

Рис. 1

Для ЭДС трансформатора e₁, e₂ (рис. 2, а) можно записать

e₁ = – e₂ = E_m sin t, (1)

где E_m,  – амплитуда и частота.

Период изменения ЭДС обозначен как Т.

Угол управления  отсчитывается от точки естественной коммутации до переднего фронта управляющих импульсов – рис. 2, б.

Диаграммы напряжений и токов ТП зависят от вида нагрузки. На рис. 2, в изображены графики напряжений и токов при активной нагрузке и условии, что индуктивность рассеяния трансформатора L_T=0.

В интервалах 0t₁, T/2t₂ тиристоры VS1, VS2 заперты и токи i₁, i₂ равны нулю. В момент t₁ отпирается VS1, на нагрузку действует ЭДС e₁, соответственно через VS1 и нагрузку протекает ток.

Рис. 2

Тиристор закрывается, когда его ток спадает до значений, меньших тока удержания. Практически можно принять, что тиристор запирается при токе, равном нулю. Исходя из принятого допущения, при активной нагрузке тиристор VS1 закрывается в момент T/2.

В интервале  (t₁T/2) мгновенное значение выпрямленной ЭДС e_d совпадает с e₁. Напряжение u_d меньше e_d на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и сопротивлении тиристора.

В интервале (+) напряжение u_d = 0. В момент t₂ отпирается тиристор VS2, на нагрузку действует напряжение e₂, ток протекает через тиристор VS2.

Регулировочной характеристикой ТП называется зависимость среднего значения выпрямленной ЭДС E_d от угла управления . В соответствии с рис. 2, в

(2)

Графики на рис. 2, г иллюстрируют работу ТП при активно-индуктивной нагрузке (L_T=0). Среднее значение ЭДС при этом

(3)

Угол  определяется моментом спада тока i_d до нуля и зависит от параметров нагрузки.

На рис. 2, д представлены графики напряжений и токов ТП при условии, что индуктивность сглаживающего дросселя Ld=, а индуктивность L_T=0.

Среднее значение выпрямленной ЭДС в этом случае

, (4)

где E_d0 – значение ЭДС при =0.

Уравнение регулировочной характеристики (4) справедливо для режима непрерывных токов.

Из (4) следует, что выпрямительный режим ТП, когда E_d>0, имеет место для режима непрерывных токов, если <90.

При работе на якорь ДПТ режим непрерывных токов возможен и при >90, если направление ЭДС якоря совпадает с направлением тока i_d. В этом случае E_d<0, т.е. ТП работает в инверторном режиме, когда энергия ДПТ, работающего в режиме рекуперативного торможения, отдается в питающую сеть.

Графики на рис. 3 иллюстрируют работу ТП при условии, что L_d=, L_T0.

Из-за наличия индуктивности L_Т токи i₁, i₂ не могут изменяться скачком, что приводит к появлению угла коммутации . Во время коммутации открыты оба тиристора VS1, VS2 и напряжение нагрузки равно нулю.

Рис. 3

Графики на рис. 3 приведены для случая, когда >90, т.е. ТП работает в инверторном режиме. Инверторы обычно характеризуются не углами управления , а углами опережения =–. Устойчивость работы инвертора определяется величиной угла , в течении которого после спада тока тиристора до нуля между его анодом и катодом сохраняется отрицательное напряжение и восстанавливаются запирающие свойства тиристора. Необходимо, чтобы выполнялось условие _min<t_восст, где t_восст – время восстановления запирающих свойств тиристора.

При <t_восст наступает аварийный режим – опрокидывание инвертора, когда тиристоры не закрываются и инвертор переходит в режим короткого замыкания.

С увеличением среднего тока нагрузки I_d при =const угол  возрастает, а угол  уменьшается и может достигать минимально допустимого значения. Этим и определяется допустимый ток, превышение которого приводит к опрокидыванию инвертора.

Внешней характеристикой ТП называют зависимость выпрямленного напряжения U_d от среднего тока загрузки I_d при постоянном значении угла управления. Для практических расчетов обычно принимают

(5)

где R_п – внутреннее сопротивление преобразователя.

Величину R_п определяют как

, (6)

где m – число фаз выпрямления ТП.

Семейство внешних характеристик ТП (m=2), работающего на якорь ДПТ, приведено на рис.4.

Пунктирной линией показана граница зоны непрерывных токов, штрихпунктирной – ограни­чительная характеристика инвертора.

Как следует из (5), при постоянстве E_d внешняя характеристика линейна. Однако E_d=const при =const, если ток нагрузки непрерывен.

В режиме прерывистых токов появляется некоторый угол =– (рис. 2, г). Как следует из сравнения графиков на рис. 2, г, д, среднее значение ЭДС Ed при =const растет с ростом угла . В свою очередь угол  при работе на якорь ДПТ увеличивается с уменьшением тока нагрузки. Описанный эффект объясняет нелинейность внешних характеристик в зоне прерывистых токов.

Рис. 4