СЭ_ВСП_УП
.pdf
в виде семейства параллельных прямых, соответствующих различным
углам управления.
Более точно, внешняя характеристика записывается выражением:
,
внем присутствуют слагаемые, характеризующие потери на
полупроводниковых элементах ( |
) при учете реальных характеристик |
||||
используемых вентилей и потери |
на всех активных сопротивлениях |
||||
(трансформатора и цепи). |
|
|
|
||
Внешние характеристики ОМУВ в относительных единицах |
|
; |
|||
|
|||||
|
|
представлены на рис.27. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.27. Внешние характеристики ОМУВ
Уменьшение угла коммутации с ростом угла управления физически обуславливается тем, что растет напряжение, под действием которого формируется вынужденная составляющая коммутационного тока, при этом скорость нарастания тока в вентиле увеличивается, а процесс коммутации
ускоряется. |
|
|
|||
|
Первая гармоника первичного тока |
, потребляемая управляемым |
|||
выпрямителем, сдвинута по фазе по отношению к напряжению сети |
на |
||||
угол |
|
|
(рис.26.). |
|
|
|
|
|
|
||
61
2.5.2.Анализ коммутационных процессов в трехфазном мостовом управляемом выпрямителе
В многофазных схемах ( ) возникают частичные контуры
короткого замыкания между отдельными фазами. В реальных условиях,
когда каждая обмотка трансформатора характеризуется омическим индуктивным сопротивлением, отличным от нуля, при этом в качестве допущения считают, что .
Во всех многопульсных схемах образуются КЗ-контура,
вовлекающие в работу одновременно не 2, а 3 и более тиристора. В
простейшем случае (например, при ) в момент коммутации
одновременно работают три тиристора. Рассмотрим схему замещения
ТМУВ, соответствующую моменту времени, равному |
|
, т.е. |
момент переключения одного из тиристоров катодной группы |
и |
. |
Рис.28. Эквивалентная схема замещения ТМУВ при коммутации
В схеме появляется КЗ цепь, для рассматриваемой коммутации
включающая в себя два источника |
и две индуктивных обмотки |
|||||
(сопротивление |
и |
). |
Потенциал |
точки 2 |
соответствует |
и |
формируется напряжением |
. |
В момент |
времени |
, |
это |
|
самый отрицательный потенциал. Потенциал точки 1 формируется из
комбинаций фазных напряжений |
и |
, при этом для |
рассматриваемого момента времени можно записать: |
|
|
62
,
то есть в интервал времени коммутационного периода напряжения на нагрузке определяется полусуммой напряжений двух фаз. То есть мгновенное значение выпрямленного напряжения нагрузки ТМУВ не падает до нуля, а становится равным среднему арифметическому значению напряжений фаз, в вентилях которых коммутируются токи (в
рассматриваемом интервале времени коммутируемыми являются фазы 2A
и 2B:
|
|
|
|
, |
|
|
|
||
где |
и |
– мгновенные значения фазных напряжений вторичной |
||
обмотки трансформатора.
Временные диаграммы, характеризующие работу схемы представлены на рис.29. Можно оценить величину коммутационного снижения напряжения.
За период осуществляется шесть коммутаций ( и |
; |
и |
; и |
||||||||
; |
и |
; |
и |
; |
и |
), |
следовательно, |
за период оно |
|||
состоит из шести одинаковых слагаемых, |
таких как при коммутации в |
||||||||||
интервале времени от |
|
до |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Порождающим напряжением, или напряжением, определяющим подынтегральное выражение, является половина линейного напряжения, то есть:
.
63
u |
|
u2 A |
u2 B |
u2C |
|
2ф |
|
|
|
t |
uн |
|
|
|
|
|
t |
iн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
iV |
|
|
|
|
|
1 |
|
3 |
5 |
|
1 |
6 |
2 |
4 |
|
6 |
t |
|
2 |
||||
|
|
|
|
|
i1 А i2 А
t
UV 1
t
Рис.29. Временные диаграммы, характеризующие изменение напряжений и токов в схеме ОМУВ при коммутации
Среднее значение выпрямленного напряжения в ТМУВ при учете реальных коммутационных процессов определяется по формуле:
64
.
Полученное выражение определяет внешние характеристики ТМУВ при различных углах .
Физический смысл коммутационного снижения напряжения
становится понятным из анализа коммутационных токов (как и в случае ОМУВ). Во время коммутации выполняется условие
,
где –среднее значение тока нагрузки, постоянное для каждого
конкретного режима, для каждого угла управления. В процессе
коммутации ток тиристора |
( ) спадает от величины |
до нуля, тогда |
как ток тиристора |
увеличивается от нуля до |
величины . |
Анализируя начальные и конечные условия коммутационного процесса,
можно получить:
,
то есть коммутационное снижение напряжения равно:
Внешняя характеристика трехфазного мостового управляемого статического преобразователя в упрощенном виде принимает следующее значение:
Ud |
Ud 0 cos |
3Id xa |
|
|
|||
|
|
Для построения статической внешней характеристики целесообразно перейти к относительным единицам, для которых в качестве базовых выбрано среднее значение выпрямленного напряжения для ТМУВ при
и среднее значение тока нагрузки для номинального режима:
U * |
|
Ud |
|
; I * |
I |
d |
|
|
|
|
|||
d |
|
|
|
d |
Id ном |
|
|
|
Ud 0 |
||||
65
Учитывая, что ранее индуктивное сопротивление фазной обмотки,
определенное экспериментально на стенде при испытании трансформатора,
равно
xa |
U К ТР % U1ф |
||
100 I |
1ф |
n2 |
|
|
|
|
|
Уравнение внешней характеристики ТМУВ в относительных единицах можно представить выражением:
U * |
|
cos |
3 |
|
1 |
|
U1 |
|
Id ном |
|
UК ТР % |
|
|
Id |
||||||
|
|
n2 |
U |
|
|
|
|
I |
|
|||||||||||
d |
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
100 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d 0 |
|
|
1ном |
|
|
|
|
|
d ном |
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U * |
cos A |
UК ТР % |
I * |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
d |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Внешняя характеристика трехфазного статического преобразователя может быть представлена семейством кривых, каждая из которых зависит от угла управления. Однако, эта зависимость справедлива только для токов нагрузки, не превышающих номинальное значение.
Угол коммутации может быть определен выражениями: если угол
управления |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, если угол управления не равен |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
нулю |
, |
|
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|||||||||
|
|||||||||||
Длительность проводящего состояния вентиля увеличивается на угол |
|||||||||||
и становится равной |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
Графически семейство внешних характеристик представлено на рис.30.
66
|
Рис.30. Внешние характеристики ТМУВ |
Так как |
зависит от тока нагрузки и увеличивается, с его |
увеличением, внешняя характеристика ТМУВ существенно меняется.
Полученное выражение и кривые характеризуют первый интервал
внешней характеристики, для которой ток нагрузки не больше
номинального, |
при этом не более |
и, следовательно, |
интервал |
|
проводимости |
|
. В этой области (I) в момент коммутации работают |
||
три тиристора. |
При возрастании тока |
нагрузки величина |
достигает |
|
величины |
, |
и устойчиво одновременно постоянно начинают работать |
||
три тиристора. Угол не растет до тех пор, пока не закончится коммутация вентилей в одной группе. В этот момент не может начаться коммутация вентилей в другой группе из-за изменения потенциалов на коммутирующих вентилях, для которых коммутация заканчивается. Это приводит к вынужденной задержке начала коммутационных процессов второй группы вентилей на угол , который называется углом саморегулирования. Этот угол возрастает и становится большим по величине, чем угол управления
, задаваемый системой управления тиристора. В эти моменты времени в работу вовлекается четвертый тиристор. Для четвертого тиристора потенциал на аноде станет положительным по отношению к его же катоду.
Длительность проводимости может стать больше .
Наступает момент одновременной работы четырех тиристоров (область II).
67
В этот интервал времени нагрузка становится закороченной какими-либо двумя тиристорами. Напряжение на ней становится равным нулю.
Уравнение этого участка внешней характеристики приобретает вид эллипса:
Когда достигает величины |
, снова начинает расти, внешние |
|||||||
характеристики снова приобретает линейный характер (область III), правда, |
||||||||
характеризуется двумя уравнениями, такими как: |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
при |
; |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
при |
. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Вэтой области устойчиво работают три или четыре вентиля. Это режим двойного перекрывания.
Витоге можно сделать вывод, что при изменении тока нагрузки от режима холостого хода до режима короткого замыкания возможны:
при |
- все три области работы; |
при |
– первый и третий области работы; |
при |
– только третья область работы. |
Первые гармоники токов i1а , i2а имеют фазовый сдвиг: / 2
относительно соответствующих фазных напряжений обмоток трансформатора.
Коммутационное снижение напряжения для любой схемы выпрямителей в общем виде определяется по формуле:
,
где Uк - уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения при работе выпрямителей средней и большой мощности;
68
Id - ток, протекающий через нагрузку;
xa - индуктивное сопротивление обмотки трансформатора;
m — число пульсаций или коммутаций в схеме. (Для трехфазной схемы со средней точкой m 3 ; для мостовой трехфазной — m 6 ; для однофазных схем, как мостовой, так и со средней точкой m 2 )
Для более точного расчета величины среднего значения выпрямленного напряжения необходимо учитывать снижение напряжения,
характеризующие потери на полупроводниковых элементах ( ) при
учете реальных характеристик используемых вентилей и потери на всех
активных сопротивлениях (трансформатора и цепи).
2.6.Анализ работы управляемых выпрямителей на противо-ЭДС
Противо-ЭДС- нагрузка, характерная для схем зарядки аккумуляторных батарей, для систем рекуперации электрической энергии источника постоянного тока в энергию сети переменного тока.
В качестве элементов противо-ЭДС могут выступать ДПТ (двигатель постоянного тока) или емкостные фильтры большого номинала, стоящие на выходе выпрямителя. На рис.31 представлена обобщенная схема замещения, в которой в качестве нагрузки выпрямителя выступает именно двигатель постоянного тока (противо-ЭДС). Такие схемы широко используются в электроприводе постоянного тока.
Рис.31. Обобщенная схема замещения УВ, работающего на противо-ЭДС.
69
В качестве УВ могут использоваться как однофазные, так и трехфазные выпрямители.
Рассмотрение работы УВ в работе на противо-ЭДС при идеализации вентилей, без учета индуктивного сопротивления трансформатора и конечного значения величины индуктивности позволяет записать уравнение баланса напряжений:
,
при этом напряжение на выходе УВ содержит как постоянную составляющую, равную среднему значению выпрямленного напряжения,
так и переменные составляющие, включающие высшие гармонические
составляющие: ;
ток, протекающий по цепи также характеризуется и посоянной и
переменными составляющими: |
. |
|
|
|
|
|
При небольших пульсациях выходного тока членом |
|
можно |
||||
пренебречь, поэтому справедливо равенство: |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
Учитывая, что среднее значение выпрямленного напряжения равно: |
||||||
|
; |
|
|
|
|
|
очевидно следующее: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Наличие в схеме активного |
и индуктивного |
сопротивлений, |
||||
при конкретном значении величины ЭДС двигателя |
и угле управления |
|||||
, в схеме возможны два режима работы: режим непрерывного и прерывистого токов. Режим непрерывного тока характеризуется
длительностью проводящего состояния |
, при этом ток |
может |
||
меняться от |
до |
. При этом |
соответствует |
моменту |
70