3.2.2.3.Внешние характеристики тиристорных преобразователей.

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

U_d = (I_d)

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_B).

Соответственно внешнюю характеристику ТП (при L_н = ) можно записать в виде следующего уравнения:

U_d = E_d0 cos  - U_k - U_R - U_В. (3-16)

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  = 0), как правило, составляет не более 10 - 15% напряжения E_d0. Однако, при перегрузках и режимах, близких к короткому замыканию, становится существенным влияние внутренних сопротивлений схемы.

Представляет также интерес вид внешних характеристик при малых токах нагрузки. Это связано с тем, что имеется много электроприводов, обслуживающих механизмы с пульсирующим, либо знакопеременным моментом, или требующим частого изменения направления скорости 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, т.к. здесь в действие вступают совсем другие соотношения, которые описывают другие физические процессы.

При значительном снижении тока допущение его идеальной сглаженности, что имеет место при L_н = , принято быть не может. Реальная индуктивность нагрузки не только не в состоянии идеально сгладить выпрямленный ток, но она даже не может обеспечить его непрерывность. Ток становится прерывистым и, в этом режиме работы, внешние характеристики теряют свою линейность, внося нежелательные проблемы и трудности в способы управления преобразователями.

С уменьшением тока имеет место резкий рост напряжения ТП из-за явлений, связанных с прерывистым характером тока якоря, когда вентиль предыдущей фазы прекращает проводить ток до момента включения вентиля последующей фазы. При этом, угловая длительность прохождения тока в вентиле () становится меньше, чем 2/m_n.

Эти явления особенно сильно сказываются при больших углах управления ( ) ТП. Уравнение (3-16) справедливо лишь тогда, когда ток в нагрузке протекает непрерывно. Если принято, что индуктивность L_н в цепи выпрямленного тока бесконечно большая, то непрерывность будет иметь место при любых значениях тока. Если же L_н имеет конечную величину, то непрерывное протекание тока возможно лишь при превышении последним некоторого граничного значения I_{d гр.}. Величина последнего согласно (л 1) может быть подсчитана по приближенному уравнению:

(3-17)

Здесь X_тр  , Xн и X_р - приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление трансформатора, индуктивные сопротивления нагрузки и сглаживающего реактора.

В трехфазной нулевой схеме E_d0 определяется через фазные напряжения трансформатора, в трехфазной мостовой - через линейные. При этом m_n = 6.

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

e₂ - E_я = i*R_я.ц. + L (di/dt) + U_в (3-18)

где R_я.ц. = R_я + R_тр + R_р

L = L_я + L_тр + L_р

U_в - падение напряжения в вентилях;

e₂ и i - мгновенные значения вторичной ЭДС трансформатора и тока.

E_я - ЭДС якоря двигателя.

В выражении (3-18) 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 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 - E_я < 0 и, даже, на протяжении части отрицательной полуволны напряжения трансформатора, когда e₂ < 0. Ток в анодной цепи вентиля поддерживается за счет ЭДС самоиндукции () при убывании тока. 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 (T_п = 2/m_n).

При малых нагрузках (рис 18) ток под действием противо-ЭДС двигателя снижается до нуля (момент ₂) раньше момента включения последующего вентиля. В результате ток через якорь при малых нагрузках на валу двигателя проходит не непрерывно, а отдельными импульсами.

Кривые выпрямленного напряжения и тока, при этом, имеют вид, показанный на рисунке:

Выражение (3-18) 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 (E_я ).

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 19 в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения на зажимах двигателя определится выражением:

где e_2ф.max - амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора;

₁ и ₂ - соответственно углы включения и выключения вентилей, отсчитываемые от начала синусоиды линейной ЭДС трансформатора.

Рис 18

Рис 19

Выражение: E_d = E_d0 cos  (3-20) получается из (3-19), как частный случай, если положить  = 2/m_n , где  - интервал проводимости вентиля.

В режиме непрерывных токов, когда  = 2/m_n имеет место однозначное соответствие между E_d и  . В режиме прерывистого тока среднее выпрямленное напряжение на двигателе зависит не только от величины ЭДС трансформатора “e₂” и угла управления преобразователя  , 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, т.к. напряжение и ток связаны трансцендентными уравнениями.

Тем не менее, существуют методы расчета внешних характеристик и в области прерывистого тока. Они используются при выполнении курсового проекта.