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

В обоих случаях изменяется скважность импульсов s = — >

благодаря чему и достигается регулирование напряжения в на­ грузке.

Иногда используется комбинированное импульсное регулирова­ ние, представляющее сочетание указанных двух методов, однако

в)

В)

СФ

СУ ип

ОР г)

регулирования; г — принцип частотно-импульсного регулирования.

наибольшее применение находит первый, которому в дальнейшем и будет уделяться основное внимание.

Существует большое количество схем широтно-импульсных пре­ образователей (ШИП). В реверсивных ШИП, как правило, сило­ вые тиристоры включаются по однофазной мостовой схеме. Диа­ пазон регулирования выходного напряжения, энергетические пока­ затели, надежность работы в значительной степени определяются типом и схемой коммутирующего устройства. Как и в автономных инверторах, основными элементами коммутирующего устройства являются конденсаторы и дроссели.

2Q

входят коммутирующие конденсаторы Cl и С2, коммутирующие дроссели Ы и L2, дроссели L3, L5 и L4, L6, вспомогательные ти­ ристоры В5 и В6, диоды В11 и В12. По характеру протекания электромагнитных процессов при коммутации силовых тиристоров данная схема относится к числу схем с последовательным запи­

Рис. 1.9. Схема ШИП с независимыми контурами заряда конденсаторов.

грузке можно снизить до нуля, в то время как в схемах с парал­ лельным запиранием этого сделать нельзя. Коммутирующее устрой­ ство в приведенной схеме имеет независимые контуры заряда кон­ денсаторов (конденсаторы заряжаются по независимым цепям Cl, L5, BU и L6, В12, С2), и работа его не связана с процессами в силовой цепи. Подобная структура коммутирующего устройства позволяет преобразователям ШИП устойчиво работать при токе нагрузки, равном нулю. В схемах ШИП с зависимыми контурами заряда конденсаторов работа коммутирующего узла связана с со­ стоянием силовых тиристоров и диапазон изменения среднего зна­ чения напряжения ограничен. В рассматриваемой схеме принят несимметричный закон переключения вентилей.

Схема (см. рис. 1.9) работает следующим образом. На силовые тиристоры, например В1, ВЗ, с определенной частотой подаются управляющие импульсы, открывающие их. Частота управляющих импульсов, подаваемых на вспомогательные тиристоры В5, В6, вдвое меньше частоты импульсов, вводимых в цепь управления силовых тиристоров. Кроме того, импульсы, подаваемые на В5

21

и В6, во времени смещены относительно друг друга на полпериода,

мер, на вспомогательный тиристор В5, то в результате его вклю­ чения в дросселе LI возникает обратный импульс напряжения бла­ годаря заряду конденсатора Cl (полярность напряжения Cl обо­ значена на рис. 1.9). К тиристору В1 прикладывается обратное на­ пряжение и он выключается. Конденсатор Cl перезаряжается по цепи Cl — LI — В5 — L3—Cl; во время спадания тока до нуля тиристор В5 выключается. Новый процесс перезаряда, в результате которого напряжение конденсатора меняет знак на исходный и увеличивается до значения, превышающего питающее напряжение,

При реверсе прекращается подача управляющих импульсов на силовые тиристоры В1, ВЗ, импульсы начинают поступать на ти­ ристоры В2, В4. Порядок включения вспомогательных тиристоров В5, В6 и работа коммутирующих узлов не изменяются. При пере­ ключении силовых тиристоров необходима задержка в подаче управляющих импульсов на вторую пару вентилей, по времени равная не менее чем двум периодам коммутации. Этим обеспечи­ вается надежное выключение работавшей ранее пары.

Регулирование среднего значения напряжения в нагрузке, т. е. изменение интервала t„, достигается изменением угла сдвига между сериями управляющих импульсов, подаваемых на вспомо­ гательные и силовые тиристоры. Коммутационные процессы не позволяют достичь предельного значения скважности, равного еди­ нице, однако в тиристорных схемах оно мало отличается от пре­ дельного.

Для ШИП характерен эффект накопления энергии в элементах коммутирующих цепей, вызывающий увеличение напряжений и установленных мощностей вентилей. Данная проблема приобре­ тает важное значение уже при напряжении источника питания, равном 220 В. Эффект накопления может быть ограничен несколь­ кими способами. Одним из них является включение трансформато­ ров Трі и Тр2 вместо соответствующих индуктивностей LI и L2, чем достигается возврат энергии в источник питания. Индуктив­ ности L3, L4, величина которых мала по сравнению с L5 и L6, слу­ жат для ограничения скорости нарастания обратного тока силовых тиристоров при их запирании.

В реверсивных электроприводах иногда используется симмет­ ричный закон переключения вентилей. При таком законе источник энергии включен в цепь нагрузки в течение всего периода коммута­ ции, но в интервале Тк — іи полярность напряжения на нагрузке

22

изменяется, т. е. в отличие от несимметричного в нагрузку посту­

и симметричном регулировании определяется соответственно вы­ ражениями

Достоинством несимметричного закона переключения по срав­ нению с симметричным является значительно меньший уровень пульсации выходного напряжения и потери энергии в нагрузке и преобразователе.

При несимметричном законе возможны два способа коммута­ ции: односторонняя и поочередная. Приведенная схема работает по принципу второго способа коммутации, получившего наибольшее распространение, при котором тиристоры коммутируют по очереди через период, в результате чего частота их коммутации вдвое меньше частоты коммутации тока в нагрузке. Поочередная комму­ тация обеспечивает равномерную загрузку вентилей обоих плеч моста, четкое запирание их перед реверсом тока в нагрузке, что повышает надежность преобразователя.

Решение вопроса о наиболее целесообразном значении частоты коммутации прежде всего зависит от характера и мощности на­ грузки.

Использование в ШИП высокочастотных тиристоров серии ТЧ позволяет выбрать частоту коммутации в пределах нескольких килогерц. Повышение частоты коммутации приводит к сглажива­ нию тока и уменьшению потерь в нагрузке, но вызывает рост по­ терь в элементах преобразователя. В первую очередь это касается коммутирующих конденсаторов. В отношении дросселей можно отметить, что при частоте коммутации, равной 1000 Гц и выше, целесообразно использовать индуктивности без сердечников, что резко снижает потери в них. С увеличением частоты коммутации повышается уровень радиопомех. С учетом сказанного можно ожи­ дать, что для ряда нагрузок, в том числе и для электродвигателей, наиболее рациональной будет частота коммутации в пределах 2— 2,5 кГц.

При достаточно высокой мощности преобразователя рассмотрен­ ного типа также необходимо принимать во внимание его влияние на судовую сеть. В свою очередь нарушения режима сети, напри­ мер короткие замыкания, вызывают отклонения в работе самого преобразователя. Несимметрия напряжений сети, соответствую­ щим образом преобразованная выпрямителем, передается на вы­ ход ШИП и оказывает определенное влияние на качество выход­ ного напряжения.

23

Отметим, что роль тиристорных широтно-импульсных преобра­ зователей существенно возрастает, когда сеть выполняется на по­ стоянном токе, так как отпадает необходимость в применении вы­ прямителя. Однако и в этом случае необходимо учитывать неко­ торые специфические факторы, в частности, влияние пульсации напряжения сети на качество выходного напряжения ШИП.

§ 1.5. Инверторы и преобразователи частоты

Инвертором называется устройство, преобразующее постоян­ ный ток в переменный; величина и частота инвертированного на­ пряжения могут быть стабилизированными или регулироваться по

для периодических выключений вентилей. Кроме того, сеть обеспе­ чивает требуемый баланс между генерированием и потреблением реактивной мощности, так как инвертор может передавать только активную мощность, являясь одновременно потребителем реак­ тивной. Выполнение инверторов возможно только на основе управ­ ляемых вентилей по тем же схемам, которые служат и для соз­ дания выпрямителей. Инверторы, ведомые сетью, как самостоя­ тельные установки применяются относительно редко. В качестве

инверторы подобного типа могут быть использованы в валогенераторных установках.

Наиболее широко зависимые инверторы применяются в вен­ тильных приводах для обеспечения требуемых режимов работы двигателя. В большинстве случаев в вентильном приводе постоян­ ного тока предусматривается перевод преобразователя в инверторный режим с целью осуществления рекуперации энергии в сеть при генераторном торможении. С той же целью зависимые инвер­ торы как дополнительное звено вводятся и в схемы вентильных приводов переменного тока. Схемы, характеристики, режимы ра­ боты инверторов, ведомых сетью, подробно изложены в [28, 53, 58].

Автономные инверторы предназначены для питания цепей, не содержащих источников э. д. с. Они требуют применения пол­ ностью управляемых вентилей (транзисторов или двухоперацион-

24

Принцип формирования переменных напряжений в трехфазной схеме, собранной на основе полностью управляемых вентилей, иллюстрирует рис. 1.10. Каждый вентиль в данной схеме проводит ток в течение интервала, определяемого углом 2я/3. Последова­ тельность вступления вентилей в работу обозначена цифрами.

В связи с отсутствием в настоящее время достаточно мощных полностью управляемых вентилей инверторы, как правило, выпол­ няются на обычных тиристорах. В отличие от зависимых инверто­ ров, в которых коммутация токов вентилей осуществляется есте-

Рис. 1.10. Автономный трехфазный инвертор на полностью управляе­ мых вентилях: а — схема; о — графики фазных напряжений " а , ив, uc и линейного «аб при работе инвертора на чисто активную на­ грузку.

ственным путем, в автономных инверторах, как упоминалось выше, возникает необходимость в искусственной коммутации. Устройства искусственной коммутации, представляющие собой соединения из конденсаторов, а также дополнительных тиристоров, неуправляе­ мых диодов и индуктивностей, весьма усложняют схемы, снижают их к. п. д. и надежность, существенно увеличивают габариты и массу, ухудшают динамические свойства инверторов. К тиристо­

стики некоторых судовых электромеханизмов и в первую оче­ редь— регулируемого привода переменного тока. Перспективность автономных инверторов возрастает при питании их от источников постоянного тока (аккумуляторные батареи, магнитогидродинамические, термоэлектронные и термоэмиссионные генераторы).

25

Известно большое количество схем автономных инверторов, отличающихся друг от друга в основном принципом искусственной коммутации. Простейшим типом автономного инвертора является параллельный инвертор (рис. 1.11, а) . Коммутация в схеме осуще­ ствляется тремя конденсаторами Cl—• СЗ. Пусть, например, про­ водят ток вентили В6 и В1. К концу интервала их работы конден­ сатор Cl заряжается до определенного напряжения с полярностью, обозначенной на рис. 1.11, а в скобках. Во время работы предыду­ щих вентилей конденсаторы С2 и СЗ получили заряды, полярность

которых также указана в скобках. По истечении времени, опреде­ ляемого углом я/3, от начала совместной работы вентилей В6 и В1 системой управления подается импульс на тиристор В2, который включается. В результате этого В6 оказывается под напряжением

а В1 запирается напряжением конденсатора Cl. Теперь уже пере­ заряжается конденсатор С2. При последующей работе тиристоров

ности запирает два тиристора. Кроме этого, конденсаторы служат для компенсации реактивной мощности нагрузки и создания не­ обходимого угла опережения [53].

Основными достоинствами параллельного инвертора являются простота и практически синусоидальная форма выходного напря-

26

жения. Однако инверторы данного типа имеют и существенные недостатки. Одним из них является снижение коммутационной устойчивости и увеличение опасности опрокидывания со сниже­ нием частоты или возрастанием нагрузки. Это препятствует при­ менению параллельных инверторов для частотного регулирования приводов переменного тока. Наличие конденсаторов в выходных цепях может вызвать самовозбуждение асинхронных двигателей, что также приводит к опрокидыванию инвертора. Параллельные инверторы отличаются низкими динамическими свойствами и не допускают применения селективной защиты потребителей. Инвер­ торы данного вида целесообразно использовать только в установ­ ках с фиксированной (особенно повышенной) частотой и мало изменяющейся нагрузкой.

Коммутирующие конденсаторы в сочетании с индуктивностями могут включаться последовательно с нагрузкой. На этом принципе построены последовательные инверторы, которые отличаются рез­ кой зависимостью величины напряжения на тиристорах от на­ грузки и невозможностью осуществления коммутации в режимах, близких к холостому ходу. В силу указанных недостатков последо­ вательные инверторы используются редко. Находят применение по­ следовательно-параллельные инверторы, имеющие две системы конденсаторов, одна из которых включается параллельно, дру­ гая — последовательно с нагрузкой.

Наиболее часто из достаточно простых схем инверторов при­ меняется инвертор с ограниченными коммутирующими емкостями (рис. 1.11,6), характеризующийся одноступенчатой междуфазовой коммутацией. В данном инверторе конденсаторы отделены от на­

жит для возвращения в питающую сеть реактивной энергии на­ грузки, снимая тем самым с конденсаторов функцию компенсации реактивной мощности потребителя. Работу диодов этого моста можно проследить на примере коммутации тиристоров В1 и ВЗ. До момента коммутации проводили ток тиристоры В1 и В2, во время их работы в индуктивных элементах фаз А и С запасалась электромагнитная энергия. В момент включения тиристора ВЗ к вентилю В1 прикладывается напряжение соответствующего кон­ денсатора в обратном направлении; тиристор В1 закрывается, отключая фазу А. Однако под действием э. д. с. самоиндукции этой фазы открываются диоды В13 и В18, через которые электро­ магнитная энергия фазы А возвращается в источник питания, а также распределяется между другими фазами. Коммутирующие дроссели LI, L2 ограничивают ток разряда конденсаторов в мо­ менты времени, когда открыты вентили обратного выпрямителя.

Наличие обратного моста и отделительных диодов позволяет существенно снизить емкость конденсаторов. Инверторы данного типа при сравнительно малых и неизменных емкостях конденсато­ ров устойчиво работают в большом диапазоне, частот и нагрузок. В силу этого рассмотренная схема принята за основу в ряде раз-

27

работок инверторных устройств для регулирования судового асин­ хронного привода.

Преобразователем частоты называется устройство, преобразую­ щее переменный ток одной частоты в переменный ток другой. Пре­ образователи частоты разделяются на две большие группы: непо­ средственные и с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты [54, 58, 63] могут выполняться с естественной и искусственной коммутацией. Преоб­ разователи с естественной коммутацией представляют собой соче­

вида имеют и существенные недостатки, в частности, ограниченный диапазон регулирования частоты.

Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока представляют собой соединение двух звеньев — выпрямителя и автономного инвертора. Такие преобразователи позволяют регули­ ровать выходную частоту плавно в широких пределах, увеличивая вверх и снижая ее относительно частоты сети питания. Выходное напряжение может иметь более низкий уровень высших гармоник по сравнению с непосредственными преобразователями частоты. К недостаткам следует отнести большие габариты и массу, сни­ жение к. п. д., обусловленное двойным преобразованием энергии,

28

пользуется амплитудный метод: напряжение регулируется на входе инвертора с помощью управляемого выпрямителя или ШИП.

На рис. 1.12 приведена блок-схема, поясняющая принципамплитудного регулирования. Преобразователь имеет два канала регулирования напряжения и частоты. Регулирование выходного напряжения обеспечивается системой управления СУВ выпрями­ телем УВ, а частоты — системой управления СУИ автономным инвертором АИ. Задающий орган 30 преобразует напряжение U3 в два связанных определенной зависимостью сигнала, каждый из которых регулирует соответственно частоту и напряжение. В пре­

В судовых преобразователях частоты, как и в выпрямительных агрегатах, предусматриваются соответствующие виды защиты и сигнализации.

'Инверторы и преобразователи частоты на судах применяются: 1) в регулируемых асинхронных и синхронных электроприво­

дах, в том числе и гребных электрических установках;

2)в системах стабилизации напряжения и частоты валогенераторных установок;

3)в источниках питания устройств, требующих частоты, отли­ чающейся от частоты судовой сети.

Структура схемы преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока определяет общие с выпрямительным агрегатом закономерности воздействия на судовую сеть. Это следует из того, что в качестве входного звена такого преобразова­ теля чаще всего используется управляемый выпрямитель. Преобра­ зователь частоты оказывается чувствительным и к несимметрич­ ным режимам в питающей сети. В частности, несимметрия напря­ жений сети, преобразованная последовательно выпрямителем, фильтром и инвертором, достигает выхода преобразователя и иска­ жает его напряжение. Кроме того, искажение напряжения возни­ кает и под действием несимметрии управления инвертора, а при амплитудном регулировании—и выпрямителя. Причем, если не­ симметрия управления инвертором не зависит от режима работы сети и путем тщательной настройки системы управления СУИ снижается до относительно малых размеров, то несимметрия управления выпрямителем может существенно возрасти под воз­ действием несимметрии напряжений в сети. В связи с этим возни­ кают определенные требования к ограничению несимметрии управ­ ления системы СУВ.

В заключение отметим, что к характеристикам изделий, комп­ лектующих автономные инверторы, предъявляются достаточно жесткие требования. В частности, коммутирующие конденсаторы должны надежно работать при высокой крутизне фронта тока (до 2: 108 А/с) и больших амплитудах (до 10 А/мкФ); конденсаторы на входе инвертора — при значительной пульсации напряжения.

29