6.2. Методические указания к выполнению контрольной работы

В методических указаниях даны рекомендации по решению задач и ссылки на учебную литературу, которой целесообразно пользоваться в дополнение к предлагаемому пособию.

Указания к задаче 1

При любых расчётах питающая сеть предполагается бесконеч­ной мощности, система питающих напряжений - симметричной и сину­соидальной, фазы выпрямителя и трансформатора симметричными. Вентили считаются идеальными ключами с сопротивлениями, равными нулю в прямом направлении тока (от анода к катоду) и равными бесконечности в обратном направлении (от катода к аноду). Активные сопротивления обмоток трансформатора и реакторов предполагаются равными нулю.

Различные типы силовых схем выпрямителей приведены в / 1, 5, 7-10/, принципы построения реверсивных схем управля­емых выпрямителей и способы управления их вентильными комплектами - в /1, 7, 9, 10/. Согласование углов отпирания вентильны­ми комплектами следует принять линейным.

При расчёте токов и напряжений элементов схемы и типовой мощности трансформатора выпрямленный ток считать идеально сглаженным (условный расчетный режим, соответствующий индуктив­ности в цепи выпрямленного тока, стремящейся к бесконечности). Методика расчёта этих параметров приведена в /1, 5, 8/.

Принципы постро­ения систем управления тиристорами выпрямителей изложены в /1, 5, 8, 9/.

Диаграммы токов и напряжений элементов схем управляемых выпрямителей рассмотрены в /5, 8, 9, 10/.

Принципы фазировки в схемах управляемых выпрямителей, то есть распределение импульсов управления по тиристорам выпрями­теля и фазы опорных напряжений каналов системы импульсно-фазо­вого управления тиристорами по отношению к сетевым напряжениям, изложены в /1, 9/.

При построении кривых мгновенных значений токов и напря­жений по оси абсцисс откладываются значения текущего угла, а коммутация вентилей считается мгновенной, то есть угол коммутации  = 0.

Внешние характеристики управляемых выпрямителей и их расчет рассмотрены в /1, 5, 8 - 10/. Для трёхфазной мосто­вой схемы внешние характеристики строить только в зоне двух­анодной коммутации (угол коммутации  в этой зоне может изменяться с ростом тока нагрузки от нуля до  /3) .

Характеристики управления и регулировочные характеристи­ки рассмотрены в /1, 7, 9/. При построении характеристик уп­равления можно пользоваться графическими методами. Все характеристики выпрямителя строить для режима бесконечно большой индуктивности в цепи выпрям­ленного тока (расчетный режим с источником тока в цепи нагрузки).

Принципы раздельного управления вентильными комплектами рассмотрены в /1, 9/. Алгоритм работы логического переключающего устройства в уравнениях алгебры логики приведён в /1/. На основании этих уравнений необходимо разработать схему логического переключаю­щего устройства (до уровня стандартных логических элементов и связей между ними).

Ниже приведен пример выполнения основных пунктов задачи 1 для следующего варианта задания: силовая схема управляемого тиристорного выпрямителя однофазная мостовая, реверсивная, встречно-параллельная; управление вентильными комплектами совместное; согласование углов отпирания линейное; опорное напряжение системы управления пилообразное; амплитуда опорного напряжения U_оm = 14 В; действующее напряжение питающей сети E₁ = 660 В; частота напряжения питающей сети f = 50 Гц; номинальное среднее значение выпрямленной ЭДС Е_dн = 440 В; активное сопротивление нагрузки R_d = 3 Ом; приведенная к цепи выпрямленного тока индуктивность рассеяния фазы силового трансформатора L_ф = 0,001 Гн; угол управления тиристорами одной из вентильных групп, для которого строятся диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы выпрямителя,  ₁ = /6. Необходимо выполнить основные пункты задания, предусмотренные в задаче 1.

Силовая схема и основные функциональные узлы системы управления рассматриваемого выпрямителя приведены на рис. 6.1. Для условного направления тока нагрузки "Вперед" используется вентильный комплект на тиристорах VS1 и VS2, а для условного направления тока нагрузки "Назад" - комплект на тиристорах VS3 и VS4. Тиристоры VS1 и VS2 включаются с углом отпирания ₁, тиристоры VS3 и VS4 включаются с углом отпирания ₂. Системы импульсно-фазового управления СИФУ 1 и СИФУ 2 предназначены для формирования отпирающих тиристоры импульсов и имеют фазо- смещающие устройства вертикального типа. Значения углов отпирания ₁, ₂ соответственно определяются значениями напряжений управления U_у1 и U_у2 на входах СИФУ 1 и СИФУ 2. Напряжения управления снимаются с выхода блока согласования характеристик БСХ, который формирует их в функции напряжения управления преобразователем U_у таким образом, что при регулировании выпрямленного напряжения во всем диапазоне между углами отпирания поддерживается соотношение ₁ + ₂ = . В рассматриваемом примере угол ₁ = /6, а угол ₂ =  - /6 = 5/6.

На рис. 6.1 обозначены: e₁ - мгновенная ЭДС питающей сети; i₁ - мгновенный ток первичной обмотки трансформатора; e_2a, e_2b - мгновенные ЭДС вторичных обмоток трансформатора относительно точки 0 ; i_2a, i_2b - мгновенные значения токов вторичных обмоток трансформатора и токов вентилей; e_d - мгновенное значение выпрямленной ЭДС; i_d - мгновенное значение выпрямленного тока; Z_d - активно-индуктивная нагрузка; УР - уравнительные реакторы.

С учетом указанного в условии ограничения минимального угла отпирания в любой из вентильных групп значением _min = /18 находим требуемое максимальное среднее значение выпрямленной ЭДС

В.

Среднее значение выпрямленной ЭДС при угле  = /6

В.

Полагая, что вентили - идеальные ключи и активное сопротивление фаз, с учетом табл. 2.1 определим внутреннее сопротивление преобразователя

Ом.

Среднее значение тока нагрузки в направлении "Вперед" при угле отпирания ₁ = /6 равно

А.

С учетом соотношений из табл. 2.1 имеем:

среднее значение тока вентиля

А;

действующее значение фазного тока вторичной обмотки трансформатора, равное действующему значению тока вентиля,

А;

действующее значение фазной ЭДС вторичных обмоток трансформатора

В;

максимальное напряжение на вентиле

В;

типовая мощность силового трансформатора

ВА.

Требуемое значение коэффициента трансформации силового трансформатора

.

С учетом табл. 2.1 действующее значение фазного тока первичной обмотки трансформатора

А.

Амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора

В.

На рис. 6.2 показаны диаграммы токов и напряжений в схеме выпрямителя, построенные с учетом выполненных расчетов и при-нятых на рис. 6.1 обозначений. На рис. 6.2, а приведены мгновенные значения фазных ЭДС вторичных обмоток трансформатора; на рис. 6.2, б - выпрямленная ЭДС между точками 1 и 0 силовой схемы; на рис. 6.2, в - выпрямленная ЭДС между точками 2 и 0; на рис. 6.2, г - выпрямленная ЭДС на выходе выпрямителя (между точками 3 и 0); на рис. 6.2, д - ток нагрузки; на рис. 6.2, е - фазный ток одной из вторичных обмоток; на рис. 6.2, ж - фазный ток первичной обмотки; на рис. 6.2, з - опорное напряжение и напряжение управления; на рис. 6.2, и - напряжение импульса отпирания для тиристора VS1. Мгновенные значения выпрямленной ЭДС на выходе выпрямителя определяются как

.

Уравнение характеристик управления силовой частью (вентильной группой из тиристоров VS1, VS2, VS3), то есть зависимостей среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления при фиксированных токах нагрузки,

. (6.1)

Н а рис. 6.3 приведены построенные по (6.1) характеристики управления силовой части, где в качестве аргумента используется угол ₁, а в качестве параметра - выпрямленный ток I_d. Характеристика для I_d = 0 называется регулировочной характеристикой выпрямителя.

Характеристика управления СИФУ 1 при пилообразном опорном напряжении с учетом выражения (2.57), где _л = ; U_пm = 14 В;  =₁, имеет вид

. (6.2)

Для выполнения указанного в условии ограничения максимального угла отпирания ₁ значением 17/18 минимальное значение напряжения управления с учетом (6.2) равно

Так как управление вентильными комплектами совместное при линейном согласовании углов отпирания, то минимальное значение угла отпирания ₁ так же будет не менее  - 17/18 = /18 . Соответственно максимальное значение напряжения управления с учетом (6.2) не более

В.

Уравнение характеристики управления реверсивного выпрямителя при токе нагрузке I_d = 0, с учетом выражения (2.58) и подстановок в него соответствующих расчетных величин, имеет вид

. (6.3)

На рис. 6.4 приведены характеристики реверсивного выпрямителя, построенные по (6.3) и с учетом изменения напряжения управления в пределах

. (6.4)

Внешние характеристики реверсивного выпрямителя, с учетом (2.61) и соответствующих подстановок расчетных величин в это выражение,

. (6.5)

На рис. 6.5 приведены внешние характеристики построенные по (6.5) полагая, что выпрямленный ток изменяется от -150 А до +150 А, а напряжение управления меняется в пределах (6.4).

Приближенное значение коэффициента передачи выпрямителя можно определить следующим образом. Номинальное значение выпрямленной ЭДС E_dн = 440 В. Этой ЭДС соответствует по условию задачи угол управления ₁ = /18 и как следует из (6.2), напряжение управления U_ун = 12,44 В.

Коэффициент усиления выпрямителя будет

.

П ередаточная функция выпрямителя по управляющему воздействию в соответствии с (2.63)

. (6.6)

Постоянная времени чистого запаздывания, как показано в /7/, равна

с,

где p = 2 - пульсность выпрямления однофазной нулевой схемы.

После подстановки в (6.6) найденных значений коэффициента усиления и постоянной времени имеем

.

Если вариант задачи предусматривает анализ процессов в реверсивных схемах выпрямителей с раздельным управлением вентильными комплектами, то необходимо помнить, что в процессе работы выпрямителя импульсы управления подаются только на один из вентильных комплектов и в работе участвует только этот комплект. Поэтому кривая мгновенных значений выпрямленной ЭДС на выходе выпрямителя полностью будет соответствовать кривой мгновенных значений выпрямленной ЭДС работающего комплекта.