книги из ГПНТБ / Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках

дит к искажению формы кривой напряжения сети. Это следует учитывать при выборе схем преобразования.

Превышение типовой мощности трансформатора по сравнению с номинальной, равной забираемой из сети мощности при номи­ нальной нагрузке преобразователя, а также степень использования вентилей по току и напряжению существенно зависят от схемы вы­ прямления [53, 58].

Однофазные схемы выпрямления имеют низкие технико-эконо­ мические показатели и поэтому на судах находят ограниченное применение (только в установках мощностью до 5 кВт). Одно­ фазные нулевые схемы (рис. 1.2, а) используются в низковольт­ ных установках при достаточно большом выпрямленном токе, на­ пример, в системах катодной защиты корпуса судна, однофазные мостовые (рис. 1.2,6)—для питания обмоток возбуждения дви­ гателей (в частности, в приводах судовых грузоподъемных меха­ низмов) .

Наиболее широкое применение в судовых установках различ­ ных типов находят трехфазные схемы. Однако самая простая из них — нулевая (рис. 1.2, в) обладает рядом существенных недостат­ ков и поэтому используется редко (только в маломощных установ­ ках до 3,5 кВт с напряжением до НОВ) .

В большинстве судовых преобразовательных устройств приме­ няется трехфазная мостовая схема (рис. 1.2,г), что объясняется относительно малой величиной пульсации, высокой степенью ис­ пользования трансформатора и вентилей в этой схеме. Схема мо­ жет быть выполнена как симметричной, когда применены только тиристоры, так и несимметричной, когда одна из групп, например катодная (В1, ВЗ, В5), собрана из тиристоров, а другая (В2, В4, В6) —из неуправляемых вентилей. Несимметричная схема проще, так как содержит вдвое меньшее количество тиристоров, потреб­ ляет меньшую реактивную мощность, но она имеет ряд недостат­ ков, основные из которых — большая пульсация выпрямленного напряжения и невозможность осуществления инверторного ре­ жима. На судах она достаточно широко применяется в установках мощностью до 20 кВт, однако в настоящее время заменяется сим­ метричной.

Недостатком трехфазной мостовой схемы, как и однофазной мостовой, является двойное падение напряжения на вентилях, так как в любой промежуток времени ток протекает последовательно через два вентиля. В силу этого в установках с малым выпрямлен­ ным напряжением и большим током используются шестифазная нулевая схема и схема с уравнительным реактором, у которых такой недостаток отсутствует.

Схема с уравнительным реактором (рис. 1.2, д) дает шестифазный режим выпрямления. Она применяется в системах катодной защиты корпуса судна. Однако ее использование ограничено боль­ шей сложностью и более высокой типовой мощностью трансфор­ матора по сравнению с трансформатором трехфазной мостовой схемы. Типовая мощность дополнительного элемента — уравни-

11

тельного дросселя УД — при глубоком регулировании может со­ ставлять около 30% мощности нагрузки.

Шестифазная нулевая схема характеризуется возникновением в трансформаторе вынужденного переменного потока намагничива­ ния. Появление этого потока можно устранить соединением вто­ ричных обмоток в двойной зигзаг (рис. 1.2, е). Шестифазный режим выпрямления в такой схеме обеспечивается тем, что результирую­ щие вторичные напряжения, каждое из которых состоит из на­ пряжений двух последовательно соединенных секций, сдвинуты относительно друг друга на 60° (рис. 1.3). Однако основной недо-

зигзаг.

-таток данной схемы — плохое использование вентилей по току (амплитудное значение тока вентиля в 6 раз превышает среднее значение) — остается. Поэтому и указанная схема применяется редко (на судах для управления приводами, работающими в по­ вторно-кратковременном режиме с большими статическими момен­

нием высших гармоник в потребляемом токе, что, как указывалось выше, отрицательно сказывается на работе электроэнергетической системы в целом, особенно в тех случаях, когда мощность преобра­ зователя приближается к мощности электростанции. Снизить'со­ держание высших гармоник позволяет применение многофазных и, в частности, 12-фазных схем. Двенадцатифазный режим выпрям­ ления может быть получен в схеме с трансформатором, снабжен­ ным двумя вторичными обмотками (рис. 1.2,ж). Каждая система обмоток питает отдельный выпрямительный мост, причем необ­

12

матора звездой, а другой — треугольником. Трехфазные мосты мо­ гут быть соединены параллельно или последовательно. При парал­ лельном соединении (см. рис. 1.2, ж) ток в нагрузке представляет собой сумму выпрямленных токов мостов. Мосты в силу того, что кривые напряжения на их выходе сдвинуты относительно друг друга также на 30°, включаются через уравнительный дроссель, который имеет две секции, расположенные на общем сердечнике. Секции включаются так, что постоянные составляющие магнитных потоков взаимно компенсируются. При последовательном соедине­ нии выходное напряжение суммируется из выпрямленных напря­ жений мостов; отпадает необхо­ димость во включении уравни­ тельного реактора.

Следует отметить, что вы­ прямленное напряжение в 12-фаз- ных схемах имеет малое значение пульсаций. Применение таких схем целесообразно в мощных су­ довых установках, например гребных.

В судовых полупроводнико­ вых выпрямителях при высоких значениях выпрямленного тока возникает необходимость парал­

лельного включения вентилей. Ток между вентилями в этом случае распределяется неравномерно, что обусловлено разбросом прямых ветвей вольт-амперных характеристик. Для выравнивания токораспределения используется ряд методов [33]. В судовых установках токовыравнивание производят с помощью индуктивных делителей или подбором вентилей по значениям прямого падения напряже­ ния. Первый способ характерен для тиристоров, второй — для не­ управляемых вентилей.

В рассмотренных схемах регулирование выпрямленного напря­ жения осуществляется на вторичной стороне трансформатора. С помощью тиристоров возможно регулирование и на первичной стороне трансформатора [54]. Подобный метод иллюстрируется схемой однофазного выпрямителя, приведенной на рис. 1.5. В та­

Выпрямители, регулируемые на первичной стороне трансформа­ тора, выгодно применять или в низковольтных (порядка десятков вольт), или в высоковольтных (порядка тысяч вольт) агрегатах, в которых требуется соответственно параллельное или последо­ вательное соединение вентилей. Этим добиваются значительного сокращения числа используемых тиристоров вследствие замены их диодами. На судах схемы, подобные приведенной на рис. 1.5, при­ меняют для питания систем катодной защиты корпуса судна, где

13

номинальное выпрямленное напряжение составляет 24 В. Эффект использования рассматриваемых схем увеличивается с заменой ти­ ристоров симисторами. Следует отметить, что в выпрямителях, ре­ гулируемых тиристорами на первичной стороне, в силу разброса параметров тиристоров и несимметрии управляющих импульсов возможно сильное вынужденное намагничивание трансформатора, что необходимо учитывать при проектировании.

§ 1.3. Режимы работы и внешняя характеристика выпрямителя

Режим работы выпрямителя определяется параметрами схемы преобразования, источника питания, а также видом и значением нагрузки. Среди параметров схемы преобразования наиболее су­ щественное влияние на режим работы оказывает индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора. Активным со­ противлением элементов схемы преобразования, падением напря­ жения на вентилях в прямом направлении, обратным током венти­ лей, а также намагничивающим током трансформатора обычно пренебрегают. В случае, когда мощность преобразователя соизме­ рима с мощностью источника питания, приходится учитывать и ин­ дуктивное сопротивление генераторов переменного тока.

Существенное влияние на режим работы схемы выпрямления

дуктивность и активное сопротивление цепи выпрямленного тока) работа схемы почти не отличается от работы с бесконечно боль­ шой La. Подобное значение La на практике обеспечивается как наличием индуктивности нагрузки, так и индуктивности фильтра.

Важную роль в работе выпрямителя играет процесс коммута­ ции токов вентилей. Данное явление рассмотрим на примере наи­

на рис. 1.6. Обозначение вентилей соответствует последователь­ ности вступления их в работу. Рассмотрение начнем с момента, когда ток проводят вентили В6, В1 и при некотором угле включе­ ния а отпирается очередной вентиль В2 (на рис. 1.6, а эти вентили не зачернены). Если бы выпрямитель был неуправляемым и об­ мотки фаз трансформатора Тр и генератора станции Г не имели индуктивности рассеяния, то в момент, соответствующий углу Ѳі, ток с вентиля В6 (фаза В) мгновенно перешел бы на вентиль В2 (фаза С) и работавшая до сих пор пара вентилей В6, В1 смени­

14

Среднее значение выпрямленного напряжения в обоих случаях без учета явления коммутации выражается формулой

где ya, ук — углы коммутации токов вентилей соответственно анод­

ричной— при L d = oo от нуля

Если LdT^O, то в симметричной схеме кривая ud имеет отри­ цательные участки, в несимметричной мгновенное значение вы­ прямленного напряжения не может быть отрицательным. Для обеспечения нормального выключения вентилей при индуктивном характере нагрузки в несимметричной схеме параллельно нагрузке следует включать нулевой диод [62].

Я. Ф. Аііисимов Г О С . РУК/ІИЧНл„І 1 7 Н А У Ч Н О - Т Е Х ! іИЧЕСКАЯ

Б И Б Л И О Т Е КА C C G P

Наличие индуктивных сопротивлений трансформатора и сети существенным образом сказывается на работе 12-фазной схемы, обусловливая взаимовлияние выпрямительных мостов. При изме­ нении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания схема может работать в семи режимах, отличающихся друг от друга чис­ лом вентилей, одновременно проводящих ток. При углах коммута­ ции 0 < ѵ < 6 0 ° наблюдаются режимы работы вентилей группами по четыре и пять, по пять, по пять и шесть.

Зависимость выпрямленного напряжения от тока определяется внешней характеристикой преобразователя. Приведенное выше вы­ ражение (1.2) учитывает только снижение напряжения, обуслов­ ленное наличием углов коммутации. Поэтому данное выражение приводит к существенной погрешности при расчете. Более точно для m-фазной нулевой схемы внешняя характеристика может быть представлена в виде [27]:

где zA — сопротивление трансформатора и питающей сети, при­ веденное к вторичной обмотке; AUK — падение напряжения, обус­ ловленное углами коммутации; AUB—падение напряжения на вентиле.

Значение падения напряжения, обусловленное явлением комму­ тации, может быть определено с помощью следующих выражений:

при активно-индуктивной нагрузке

при активной нагрузке

дение напряжения в анодном сопротивлении. Он зависит от угла

18

Падение напряжения на вентилях обычно принимается не за­ висящим от тока. При выпрямленном номинальном напряжении свыше 150—200 В это падение ввиду малой величины можно не учитывать.

§1.4. Широтно-импульсные преобразователи

Сразработкой тиристоров импульсные методы регулирования напряжения в нагрузке получили достаточно широкое распростра­ нение [20]. Применение их перспективно и для ряда судовых установок: для регулирования частоты вращения приводов посто­ янного тока [63], для питания потребителей, требующих стабили­ зированного постоянного напряжения, и т. д. На рис. 1.8, а приве­ дена блок-схема устройства, реализующего принцип импульсного регулирования. Основным элементом является импульсный преоб­ разователь ИП, в данном случае получающий питание от сети переменного тока через неуправляемый выпрямитель В. Для сни­ жения пульсации выпрямленного напряжения в схему включен сглаживающий фильтр СФ.

Сущность импульсного регулирования состоит в том, что с по­ мощью схемы управления СУ производят переключения силовых

с неполным управлением, возникает необходимость в применении звена искусственной коммутации, предназначенного для выклю­

управляемых приборов (транзисторов или двухоперационных тиристоров) необходимость в искусственной коммутации от­ падает.

В импульсных преобразователях возможны два метода регу­ лирования среднего значения напряжения в нагрузке:

а) широтно-импульсный, при котором частота коммутации ти­ ристоров в ИП, а следовательно, и период следования импульсов напряжения Тк остаются неизменными, но регулируется длитель­ ность импульсов tn (рис. 1.8,в);

б) частотно-импульсный, при котором длительность tH остается неизменной, а период Тк изменяется (рис. 1.8,г).