Основные показатели схем выпрямления

Схема						m
Однофазная мостовая	0,9	1,57	1,0	1,11	1	2
Трехфазная мостовая	1,35	1,045	0,815	1,045	2	6

I₁ – ток в линии на стороне переменного тока;

S_т – мощность трансформатора, ВА;

U_вмакс – максимальное напряжение, прикладываемое к тиристорам;

R_m – сопротивление вторичной обмотки трансформатора (или реактора).

Таким образом, среднее значение напряжения преобразователя в режиме непрерывного тока (внешняя характеристика преобразователя, как источника напряжения) будет:

. (5.18)

Выпрямленный ток имеет непрерывный характер, если индуктивность в цепи выпрямленного тока достаточно велика . Если ток якоря принимает прерывистый характер, тогда механические характеристики привода становятся нелинейными (см. рис.5.13).

Индуктивность якорной цепи двигателя постоянного тока независимого возбуждения может быть определена по формуле:

, (5.19)

где: к_L – конструктивный коэффициент; для компенсированных машин принимается (0,1÷0,25), для некомпенсированных (0,5÷0,6);

U_н, I_н, ω_н – номинальные напряжение, ток якоря и угловая скорость двигателя;

р_п – число пар полюсов.

При конечных значениях индуктивности в цепи выпрямленного тока на условие непрерывности тока оказывают также влияние величина тока и угол регулирования. Граничное (минимальное) значение тока, при котором ток еще остается непрерывным определяется соотношением

. (5.20)

Влияние режима прерывистого тока проявляется в увеличении среднего значения выпрямленного напряжения в зоне прерывистого тока. Механические характеристики нереверсивного привода ТП-Д показаны на рис.5.13.

Наиболее часто применяемые силовые схемы тиристорного электропривода постоянного тока (ТП-Д) показаны на рис. 5.10. Их показатели даны в табл.5.1. Схемы 5.10,а и 5.10,б относятся к нереверсивным электроприводам. В этих схемах изменение полярности питающего напряжения и направления тока в якорной цепи невозможно.

Если полагать, что привод работает в режиме непрерывного тока (при ), то механические характеристики будут иметь вид наклонных прямых параллельных друг другу, причем ω₀ уменьшается по мере уменьшения выпрямленного напряжения (увеличения угла α).

Механические характеристики описываются в этом случае следующей формулой, полученной на основе (5.5)

. (5.21)

При конечных значениях индуктивности якорной цепи L_d в области малых значений момента (тока якоря) – левее граничной линии I_гр – механические характеристики теряют линейность и загибаются вверх. Это является следствием перехода в зону прерывистых токов. Линия, определяющая границу непрерывного тока, определяется уравнением (5.20).

При желании уменьшить зону прерывистых токов последовательно с якорем двигателя включают сглаживающий дроссель, величина индуктивности которого может быть определена по формуле:

, (5.22)

где: I_гр – требуемое значение граничного тока при ω=0.

Заметим, что механические характеристики нереверсивного привода ТП-Д не переходят ось ординат, т.к. изменение направления тока в нереверсивных схемах невозможно. Следовательно, отсутствует режим рекуперативного торможения. В случае необходимости изменения направления вращения приводного двигателя в нереверсивных приводах по системе ТП-Д изменяют направление тока в обмотке возбуждения двигателя.

Для того, чтобы получить электропривод, работающий во всех четырех квадрантах поля М-ω, необходимо использование реверсивного тиристорного преобразователя, обеспечивающего протекание тока якоря в обоих направлениях. Реверсивные тиристорные преобразователи содержат две группы тиристоров, включенные встречно-параллельно друг другу. Наиболее распространенная схема реверсивного тиристорного электропривода показана на рис.5.10,в. В этой схеме два тиристорных преобразователя UZ(B) и UZ(H), собранные каждый по трехфазной мостовой схеме, включены параллельно друг другу с противоположной полярностью на стороне выпрямленного тока. Подавать отпирающие импульсы одновременно на обе группы тиристоров нельзя, т.к. произойдет короткое замыкание. Поэтому в данной схеме может работать только одна группа тиристоров UZ(B) или UZ(H); другая группа должна быть закрыта (отпирающие импульсы сняты). Такая реверсивная схема называется схемой с раздельным управлением группами тиристоров.

При раздельном управлении включается только та группа тиристоров, которая в данный момент должна проводить ток. Выбор этой группы зависит от направления движения привода («вперед» или «назад») и от режима работы: двигательный режим или рекуперативное торможение. В соответствии с этим выбор нужной группы вентилей можно представить в виде табл. 5.2.

Таблица 5.2

Выбор группы тиристоров

Направление движения	Режим работы
	Двигательный	Тормозной
Вперед	UZ(B)	UZ(H)
Назад	UZ(H)	UZ(B)

В системах управления выбор и включение нужной группы тиристоров производится автоматически посредством логического переключающего устройства ЛПУ, принцип построения которого показан на рис.5.14.

Примем направление тока якоря при работе «вперед» в двигательном режиме за положительное. При положительном сигнале задания скорости ω_зад, соответствующем движению вперед, и сигнале ошибки по скорости, которая в двигательном режиме также будет , сигнал, поступающий на ЛПУ от регулятора тока, будет иметь знак (+). В соответствии с этим ЛПУ включит электронный ключ К(В), который подает отпирающие импульсы на тиристорную группуUZ(B). Угол управления α_в устанавливается системой автоматического регулирования в соответствии с сигналом выхода регулятора тока РТ. Обе СИФУ (В) и (Н) работают согласованно – так, что сумма углов

. (5.23)

Таким образом, на тиристорную группу, работающую в выпрямительном режиме, подаются отпирающие импульсы с углом . При этом СИФУ(Н) вырабатывает импульсы управления с углом, т.е.c углом управления, соответствующем инверторному режиму работы преобразователя UZ(H). Однако, поскольку электронный ключ К(Н) разомкнут, импульсы управления на тиристоры группы UZ(H) не поступают. Преобразователь UZ(H) закрыт, но подготовлен к работе в инверторном режиме.

Такой принцип согласованного управления, определяемый (5.23) позволяет согласовать механические характеристики привода в двигательном и тормозном режимах, что показано на рис.5.15.

При необходимости торможения привода уменьшается сигнал задания скорости ω_зад. Ошибка по скорости меняет знак (ω_зад-ω)<0, и на входе ЛПУ знак сигнала изменяется с (+) на (-), в соответствии с чем отключается контакт К(В) и включается контакт К(Н). Однако включение контакта К(Н) происходит не сразу, а с некоторой выдержкой времени, которая необходима, чтобы ток якоря уменьшился до нуля и тиристоры UZ(B) восстановили запирающие свойства. Спадание тока до нуля контролируется датчиком тока ДТ и нуль-органом НО (в других схемах для этой цели используются датчики проводимости вентилей ДПВ).

Когда ток спадет до нуля, по прошествии некоторой выдержки времени, включается ключ К(Н) и вступает в работу преобразователь UZ(H), уже подготовленный к работе в инверторном режиме. Привод переходит в режим рекуперативного торможения. Общее время переключения тиристорных групп составляет 5-10 миллисекунд, что является в большинстве случаев допустимым для обеспечения высокого качества управления.

При работе в двигательном режиме в направлении «назад» знак задания скорости отрицателен, а значение ошибки по скорости положительно, поэтому на вход ЛПУ поступает отрицательный сигнал, и включается ключ К(Н). Работает преобразовательUZ(H) в выпрямительном режиме. Логические правила работы ЛПУ иллюстрируются табл. 5.3.

Находят применение также и другие схемы ЛПУ. Механические характеристики реверсивного привода ТП-Д с раздельным управлением показаны на рис.5.15. При непрерывном токе якоря они описываются уравнением (5.21).

Таблица 5.3

Правила работы ЛПУ

Знак ωзад	Знак	Знак на входе ЛПУ	Включен ключ	Работает преобразователь	Режим работы привода
+	+	+	К(В)	UZ(B)	Двигательный
+	-	-	К(Н)	UZ(H)	Тормозной
-	+	-	К(Н)	UZ(H)	Двигательный
-	-	+	К(В)	UZ(B)	Тормозной

В режиме прерывистых токов в области малых значений момента линейность характеристик нарушается. В современных замкнутых по току и скорости системах регулирования, благодаря применению адаптивных регуляторов, удается линеаризовать механические характеристики и при малых значениях момента.

Тиристорные преобразователи в приводе ТП-Д получают питание либо от трансформаторов, согласующих напряжение питающей сети с номинальным напряжением двигателя постоянного тока, либо, если такое согласование не требуется, от однофазной или трехфазной сети 380/220 В. В последнем случае на входе преобразователя используются реакторы (см. рис.5.10).

Мощность трансформатора при трехфазной мостовой схеме преобразователя определяется выражением

, кВА.

Здесь U_dн, I_dн – номинальные выпрямленное напряжение и ток трансформатора;

К_ν=1,05 – коэффициент, учитывающий искажение формы тока;

α_мин – минимальный угол управления тиристорами, соответствующий номинальному выпрямленному напряжению;

η_тр, η_п – кпд трансформатора и кпд преобразователя.

Кпд тиристорного электропривода определяется произведением кпд его узлов, преобразующих энергию

.

Кпд трансформатора лежит в пределах 0,9-0,95, увеличиваясь с возрастанием мощности. Потери в тиристорном преобразователе невелики, т.к. они определяются, главным образом, потерями мощности в полупроводниковых приборах. Для мостовой схемы ,

где: - падение напряжения на открытом тиристоре.

Обычно кпд преобразователя составляет 0,95-0,98. Принимая средний кпд двигателя постоянного тока η_дв=0,88, получим, что кпд привода ТП-Д при номинальной нагрузке составляет порядка η_ТП-Д=0,78÷0,82, что является высоким показателем.

Недостатком привода ТП-Д с энергетической точки зрения является низкое значение средневзвешенного коэффициента мощности и искажение формы тока в питающей сети.

Тиристорные преобразователи искажают форму тока в питающей сети переменного тока, делая форму тока отличной от синусоиды. Несинусоидальный ток можно разложить на ток первой гармоники с частотой сети и токи высших гармоник, частота которых превышает частоту сети в (nm+1) раз, где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за один период частоты сети, n – натуральные числа 1, 2, 3 и т.д. Переменный ток мостовых преобразователей имеет примерно трапецеидальную форму, его можно разложить на сумму тока первой гармоники и токов высших гармоник

и т.д.

Особенно проявляются 5, 7 и 11 гармоники тока. Мощность, определяемая высшими гармониками тока и напряжением первой гармоники, образует так называемую мощность искажения, которая по существу является реактивной (ее среднее значение равно нулю). Мощность искажения оказывает вредное воздействие на питающую сеть и потребители электроэнергии, включенные параллельно тиристорному преобразователю. Степень искажения тока оценивают коэффициентом искажения ν

.

Коэффициент искажения тока для трехфазных мостовых схем составляет порядка 0,95.

Под коэффициентом мощности тиристорного преобразователя будем понимать произведение cosφ для первой гармоники тока по отношению к первой гармонике напряжения, умноженному на коэффициент искажения

.

Ток в цепи питания тиристорного преобразователя отстает от соответствующего напряжения на угол запаздывания открывания тиристоров (угол управления α). Поэтому можно приближенно считать, что

. (5.24)

Т.к. , то при работе привода на высоких скоростях, когдаЕ_d примерно равно номинальному напряжению якоря двигателя, cosα будет близок к единице и коэффициент мощности тиристорного преобразователя будет высоким. По мере снижения скорости будет уменьшаться выпрямленное напряжение преобразователя и соответственно снижаться cosφ₁. Можно приближенно полагать, что .

Если привод ТП-Д длительное время работает с пониженными скоростями, то средневзвешенный коэффициент мощности будет низким. Поэтому энергетические показатели привода ТП-Д следует оценивать не по номинальному значению, когда cosφ₁ высокий, а по его средневзвешенному значению. Особенно низкое значение cosφ₁ будет при пуске привода. Поэтому для мощных тиристорных приводов пуск сопровождается значительными бросками реактивной мощности.

Исходя из изложенного, рекомендуется совместно с тиристорными преобразователями включать фильтрокомпенсирующие устройства, которые повышают cosφ преобразователей и улучшают гармонический состав тока в питающей сети, тем самым, компенсируя вредное влияние преобразователей на питающую сеть.