Электронные преобразовательные устройства

В однофазной двухполупериодной мостовой схеме ТП-1 при токе I d1 ∆U k1 = 5B . Другая схема ТП-2 – трехфазная мос-

товая, в ней X тр2 = 2X тр1 I d 2 = 0,5I d1 . Определите ∆U k 2 .

3.4.4. Внешние характеристики тиристорных преобразователей

Внешней характеристикой ТП называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления α.

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки.

Снижение напряжения обусловлено тремя факторами:

1)коммутационным падением напряжения ( ∆U k ),

2)падением напряжения в активных сопротивлениях цепей преобразователя, по которым протекают токи ( ∆U R ),

3)падением напряжения в вентилях ( ∆U в ).

Соответственно внешнюю характеристику ТП (при ωLн = ∞) (рис. 3.19) можно описать ввиде следующего уравнения:

Рис. 3.19. Внешняя характеристика трехфазного нулевого ТП

В зависимости от мощности выпрямителя влияние активных и реактивных элементов схемы в этом процессе различно. Обычно в маломощных выпрямителях преобладает влияние активного сопротивления обмоток трансформатора, а в мощных – индуктивного сопротивления.

Следует отметить, что при значениях тока нагрузки, не превышающих номинальных, внутреннее падение напряжения ТП (при α = 0), как правило, составляет не более 10–20% напряжения Ed0. Однако при перегрузках и режимах, близких к короткому замыканию, становится существенным влияние внутренних сопротивлений схемы.

Но следует учитывать, что внешние характеристики ТП меняют свой вид при малых токах нагрузки.

Рассмотрим физические процессы для режимов непрерывных и прерывистых токов при работе ТП на якорь двигателя постоянного тока. Нагрузка в этом случае представляется как нагрузка с противо-ЭДС, имеющая также активное сопротивление RH и индуктивное сопротивление

X H = wLH . На рис. 3.20 изображена схема трехфазного

нулевого ТП, работающего на якорь двигателя постоянного тока (ДПТ).

62

Рис. 3.20. Схема трехфазного нулевого ТП, работающего на якорь ДПТ

Для увеличения индуктивного сопротивления нагрузки часто последовательно с якорем ДПТ включают сглаживающий реактор LP , назначение которого – сглаживание тока яко-

ря двигателя.

Для мгновенных значений напряжения якорной цепи при отсутствии перекрытия вентилей (γ = 0) справедливо уравнение:

где Rя.ц. = Rя + Rтр + Rр,

L = Lя + Lтр + Lр,

∆U в – падение напряжения в вентилях,

e2 и i – мгновенные значения вторичной ЭДС трансформатора и тока,

Eя – ЭДС якоря двигателя.

В выражении (3.28) ЭДС трансформатора изменяется по синусоидальному закону. ЭДС двигателя в установившемся режиме из-за инерционности вращающихся масс не может заметно измениться за время интервала пульсаций и считается постоянной. При этом разность ЭДС, стоящая в левой части уравнения, в какие-то моменты положительна, а в некоторые

63

моменты оказывается отрицательной. Однако при больших токах в индуктивностях якорной цепи запасается такое количество электромагнитной энергии, которого достаточно для поддержания тока прежнего направления в промежутках времени, когда (e2 – Eя) < 0 и даже на протяжении части отрицательной полуволны напряжения трансформатора, когда e2 < 0. Ток в анодной цепи вентиля поддерживается за счет ЭДС самоин-

дукции ( L dtdi ) при убывании тока (рис. 3.21). Поэтому при

достаточно больших значениях индуктивности и тока последний не прерывается, и выпрямленная ЭДС преобразователя определяется средним значением ЭДС трансформатора за интервал повторяемости выпрямленной ЭДС (Tп = 2π/mn).

Режим работы ТП при малых токах нагрузки встречается достаточно часто. Имеется много электроприводов, обслуживающих механизмы с пульсирующим либо знакопеременным моментом, или требующим частого изменения направления вращения, т.е. реверса механизма. Во всех этих случаях ток снижается до нуля или даже изменяет свое направление. Для выполнения таких функций используются реверсивные ТП, состоящие из двух преобразователей, позволяющих изменять направление тока. При этом ТП часто работает с малыми токами, имеющими иногда нулевое значение. В таком случае внешние характеристики ТП меняют свой вид, так как здесь в действие вступают совсем другие соотношения, которые описывают другие физические процессы.

64

Рис. 3.21. Работа ТП в зоне непрерывных токов

Уравнение (3.27) справедливо лишь тогда, когда ток в нагрузке протекает непрерывно. Непрерывность тока имеет место при любых его значениях, если принято, что индуктивность Lн в цепи выпрямленного тока бесконечно большая.

Но реальная индуктивность нагрузки не только не в состоянии идеально сгладить выпрямленный ток, но она даже не может обеспечить его непрерывность. Если Lн имеет конечную величину, то непрерывное протекание тока возможно лишь при превышении последним некоторого граничного значения Id гр.. Величина последнего может быть подсчитана по приближенному уравнению

индуктивное сопротивление трансформатора, индуктивные сопротивления нагрузки и сглаживающего реактора соответственно.

При малых нагрузках (рис. 3.22) ток под действием проти- во-ЭДС двигателя снижается до нуля (момент Θ2) раньше момента включения последующего вентиля. В результате ток

65

через якорь при малых нагрузках на валу двигателя проходит не непрерывно, а отдельными импульсами.

В режиме прерывистых токов выражение (3.28) справедливо только для интервалов времени, в течение которых ток проходит по цепи якоря. В промежутках между импульсами

тока вращение якоря поддерживается за счет механической энергии вращающихся масс, а напряжение на выходных клеммах преобразователя равно ЭДС якоря двигателя (Eя).

Рис. 3.22. Работа ТП в зоне прерывистых токов

Этим объясняется тот факт, что в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения, измеряемого на нагрузке и определяемое площадью между кривой abcde и осью абсцисс, деленной на интервал повторяемости, по мере снижения нагрузки резко возрастает. Чем меньше ток, тем раньше наступит его прерывание, и тем выше оказывается среднее выпрямленное напряжение. В результате этого крутизна внешних характеристик ТП при малых нагрузках резко возрастает.

В соответствии с рис. 3.22 в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения на зажимах двигателя определится выражением:

66

где e2фmax – амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора; Θ1 и Θ2 – соответственно углы включения и выключения вентилей, отсчитываемые от начала синусоиды линейной ЭДС трансформатора.

Выражение Ed = Ed0 cosα получается из (3.30) как частный случай, если положить λ = 2π/mn , где λ – интервал проводимости вентиля.

В режиме непрерывных токов, когда λ = 2π/mn имеет место однозначное соответствие между Ed и α . В режиме прерывистого тока среднее выпрямленное напряжение на двигателе зависит не только от величины ЭДС трансформатора e2 и угла управления преобразователя α, но также от величины тока, т.е. от величины момента нагрузки на валу двигателя и индуктивности цепи якоря двигателя. Аналитического выражения для внешних характеристик в области прерывистого тока в явном виде получить нельзя, так как напряжение и ток связаны трансцендентными уравнениями. Тем не менее существуют приближенные методы расчета внешних характеристик в области прерывистого тока.

На рис. 3.23 изображены внешние характеристики трехфазного нулевого ТП, работающего на якорь ДТП.

Линейная часть внешних характеристик – это зона непрерывных токов ТП. Нелинейная часть – зона прерывистых токов. Они отделены друг от друга величиной граничных токов – точкой пересечения внешних характеристик с эллипсом, определяющим значения граничных токов.

67

Рис. 3.23. Внешние характеристики ТП с учетом режима прерывистых токов

Причины нелинейного роста напряжения при снижении тока следующие:

1)влияние ЭДС нагрузки в интервале выключенного состояния вентилей ТП;

2)быстрый рост ЭДС двигателя, когда момент сопротивления его вращению становится очень малым.

68

4. ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ ИНВЕРТОРЫ

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Термин «инвертирование» происходит от латинского inversio – переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, при котором поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь, осуществляющий процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока, – инвертором. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока (частота переменного тока, действующее значение напряжения) в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым или ведомым сетью.

Исторически термин «инвертор» в преобразовательной технике распространился на все виды статических преобразователей электрической энергии постоянного тока впеременный.

4.1. Источник и приемник энергии постоянного тока

Для рассмотрения и выяснения признаков источника и приемника электрической энергии рассмотрим работу электромашинной системы, используемой на подъемных установках, например шахтных подъемников (рис. 4.1).

Иногда на шахтах возникает необходимость выполнить так называемую операцию «перегон порожних подъемных сосудов». В исходном состоянии правый подъемный сосуд находится в верхнем положении, левый – в нижнем.

69

Рис. 4.1. Схема Г–Д

Цель «перегона» – поменять подъемные сосуды местами: правый – переместить вниз, левый – поднять вверх. Вес пустых подъемных сосудов одинаков, и они уравновешивают друг друга, если не учитывать веса подъемного каната. Но не учитывать этого веса нельзя, так как на глубоких шахтах он может иметь большие значения (до нескольких тонн). В начале «перегона» электрическая машина М должна развивать двигательный момент для движения вверх «левого» сосуда вместе с тяжелым подъемным канатом. Когда подъемные сосуды окажутся в середине шахтного ствола, напротив друг друга, левая и правая ветви уравновесятся, а при дальнейшем движении правая, более длинная ветвь каната, спускаясь, будет раскручивать шкив Ш, а значит, и якорь машины М, под действием спускаемого подъемного сосуда и более длинной ветви каната. Машина М должна оказывать тормозное воздействие на раскручиваемый грузом шкив.

Рассмотрим виды преобразования энергии и направление этой энергии при выполнении операции «перегона».

В начале этой операции электрическая машина ~М, потребляя из сети переменного тока электрическую энергию, т.е. работая в режиме электрического двигателя, преобразует ее в механическую энергию вращающегося вала, который вращает якорь электрической машины постоянного тока G. Эта машина,

70