Методичка-все лекции по КЭП_ver_9.09

Зустрічно-паралельні та перехресні, схеми, так само як і нереверсивні схеми, можуть бути простими і складними, нульовими і мостовими, паралельними і послідовними.

Однокомплектні перетворювачі з перемикачем мають такі ж характеристики, як і нереверсивні перетворювачі. Зміна ж полярності випрямленої напруги і струму в навантаженні здійснюється перемикачами, що дозволяє працювати в чотирьох квадрантах зовнішньої характеристики

Удвокомплектних перетворювачах застосовують роздільне та спільне управління вентильними групами. При роздільному управлінні імпульси відмикання подають на вентилі однієї або іншої групи.

Якщо обидві групи вентилів мають одну загальну систему фазового управління, то статичні характеристики двокомплектного перетворювача не будуть відрізнятися від однокомплектної з перемикачем.

Якщо обидві групи вентилів мають індивідуальні системи фазового управління, то в залежності від їх узгодження буде змінюватися регулювальна характеристика перетворювача

Уреверсивних тиристорних електроприводах найбільшого поширення набула зустрічно-паралельна схема з'єднання вентильних груп, так як вона має ряд переваг перед іншими схемами, а саме:

а) містить простий двообмотковий трансформатор, який може бути застосований як в реверсивному, так і в нереверсивному електроприводі і має найменшу типову потужність в порівнянні з трансформаторами в інших схемах;

б) може живитися безпосередньо від трифазної мережі через анодні струмообмежуючі реактори;

в) дозволяє уніфікувати конструкцію реверсивного і нереверсивного електроприводу;

г) спрощує ошиновку.

Перехресна схема поступається зустрічно-паралельній за масою, тому що вона має триобмотковий трансформатор, складний за конструкцією і має велику типову потужність, ніж у зустрічно-паралельній схемі.

Сумарна маса трансформатора і реакторів в перехресній схемі більше, ніж

узустрічно-паралельній, незважаючи на менші розміри і масу струмообмежуючих реакторів.

Перехресна мостова схема застосовується в тих випадках, коли потрібно мати тільки один контур зрівняльного струму.

31

Лекція №7. Імпульсні перетворювачі постійної напруги. Автономні інвертори КЕП

1. Імпульсне керування двигуном постійного струму.

Сучасні тиристори допускають велику частоту включень і виключенні, що доходить до десятків кілогерц. Тому тиристорні ключі знайшли застосування в якості імпульсних регуляторів двигунів постійного струму.

Якщо живити якір двигуна постійного струму від джерела з нерегульованою напругою через тиристорний переривник, відкриваючи й закриваючи його, можна шляхом зміни часу відкритого і закритого стану головного тиристора переривника змінити середнє значення напруги на затискачах якоря двигуна в широких межах.

Управління імпульсним перетворювачем може здійснюватися двома шляхами. Якщо час циклу залишається постійним, а час пропускання струму і змінюється від нуля до то такий спосіб здійснює регулювання зі змінною шириною імпульсу при їх постійній частоті. Інший спосіб полягає в тому, що при постійній ширині імпульсів змінюється їх частота. В обох випадках напруга, прикладена до якоря двигуна, змінюється від нуля до повної напруги джерела.

Подібні імпульсні регулятори отримали широке поширення на рухомому складі з живленням від акумуляторних батарей, наприклад в акумуляторних електровозах, електромобілях, електрокарах.

Оптимальна частота імпульсних регуляторів становить приблизно 100 - 300 Гц.

Рис.1. Імпульсне регулювання двигуна в режимі рекуперативного гальмування

На рис. 1 показана схема імпульсного регулювання двигуна в режимі рекуперативного гальмування. Діод VD виключає протікання струму від батареї до двигуна. Гальмування здійснюється шляхом періодичного включення і виключення головного тиристора VC. Наявність дроселя L дає Можливість двигуну віддавати енергію в батарею навіть при значному зниженні частоти обертання двигуна і, отже, при значному зниженні його е.р.с. E2. Імпульсне регулювання дає можливість здійснювати рекуперативне гальмування при незмінному напрузі батареї і повному струмі двигуна аж до повзучої частоти обертання. Переведення схеми приводу з тягового режиму в режим рекуперативного гальмування, а також зміна напрямку обертання

32

можуть, проводитися за допомогою контакторів або контролера. Ці перемикання можна робити безконтактними тиристорними ключами, як це зображено на рис. 2.

Рис.2. Реверсивний привод з імпульсним регулюванням струму збудження і струму якоря

Імпульсне регулювання струму якоря здійснюється тиристором VC1, який управляється регулятором струму якоря АА1. При включенні тиристора VС2 двигун працює в тяговому режимі, при включенні тиристора VСЗ - в режимі рекуперативного гальмування.

Зміна струму збудження двигуна здійснюється також імпульсним регулюванням за допомогою тиристора VС4. Зміна напрямку струму в обмотці збудження здійснюється тиристорним реверсом, що складається з тиристорів VС5-VС8.

2. Автономні інвертори в КЕП

Поява статичних перетворювачів частоти розширила застосування асинхронних двигунів, зберігши можливості глибокого і економічного регулювання частоти обертання, властиві системам регулювання з двигунами постійного струму.

Як статичні перетворювачі частоти найбільшого поширення набули два види перетворювачів:

1.автономний інвертор з ланкою постійного струму, який вимагає попереднього випрямляння струму і наступного інвертування. Вихідна частота не пов'язана з частотою мережі і може змінюватися від малих значень до декількох тисяч герц;

2.перетворювачі з безпосереднім зв'язком, що формують криву вихідної напруги з напруги більш високої частоти в напругу низької частоти. При природній комутації струму можлива верхня межа зміни вихідної частоти при шестифазній реверсивній схемі, яка в кожній фазі двигуна не перевищує однієї третини частоти живлення. Безпосередні перетворювачі іноді називають циклоконверторами.

Автономні інвертори з ланкою постійного струму. До автономних інверторів висувають такі вимоги:

1. комутація повинна бути стійкою при будь-якій частоті і будь-якому

33

навантаженні на валу, тому слід вибирати такі схеми автономних інверторів, в яких частота, значення і характер навантаження мало впливають на комутаційну здатність;

2.відхилення форми вихідної напруги перетворювача від синусоїдальної повинно бути мінімальним, так як наявність вищих

гармонік призводить до підвищених втрат в двигуні і до нерівномірного ходу двигуна на нижній межі частоти.

Коли двигун працює в дуже вузькому діапазоні зміни частоти автономний інвертор з широтно-імпульсним регулюванням вихідної напруги, можна виконувати на нерегульованих вентилях. В інших випадках випрямляч виконують регульованим на тиристорах з різними схемами фазового або широтно-імпульсного управління напругою.

В даний час для інверторів з ланкою постійного струму прийнята наступна основна класифікація:

1.автономні інвертори струму, у яких на вході в якості фільтра включена індуктивність, причому комутація тиристорів здійснюється таким чином, що має місце односпрямоване проходження струму;

2.автономні інвертори напруги, у яких на вході в якості фільтра включений конденсатор, причому крім тиристорів в якості ключових елементів застосовують зустрічно включені по відношенню до тиристорів діоди і комутація здійснюється таким чином, що

відбувається двополярне проходження струму.

Автономний інвертор струму з повною комутуючою ємністю. На рис. 3 зображена схема трифазного інвертора струму з повною комутуючою ємністю.

Рис.3. Схема інвертора струму з повною комутуючою ємністю

Трифазний тиристорний випрямляч U випрямляє струм мережі, і випрямлений струм згладжується дроселем L. Тиристори інвертора струму UZ VС1-VС6, включені за трифазною мостовою схемою, пропускають струм протягом 1/3 періоду (120°). Перемикання проводиться з періодичністю 60° в послідовності, що відповідає нумерації тиристорів. Комутація струму та компенсація реактивної потужності здійснюються конденсаторами С1-СЗ на стороні змінного струму.

До переваг схеми слід віднести порівняну простоту і сприятливу для тиристорів форму комутаційної напруги. Поряд з перевагами є й недоліки:

34

вольт-амперна характеристика є крутопадаючою, причому на холостому ходу напруга може перевищувати напругу джерела постійного струму в десятки разів; ємність конденсаторів повинна бути великою, при зниженні частоти і при постійному моменті на валу вона зростає обернено пропорційно квадрату частоти; велика ємність, обрана з умови нижчої частоти, може спричинити на більш високих частотах конденсаторне самозбудження асинхронного двигуна, що викликає саморозхитування системи «інвертор-двигун», яке призводить до зриву комутації та короткого замикання джерела живлення.

Інвертори струму з повною комутуючою ємністю застосовують в основному як джерела підвищеної частоти, при стабільній вихідний частоті або при малих межах зміни останньої. При зміні навантаження в широких межах застосовують регулятори відбору реактивної потужності, що представляють собою три лінійні індуктивності, послідовно з кожною з яких включаються зустрічно-паралельні тиристори. Включення регулятора відбору реактивної потужності паралельно комутуючим конденсаторам дає можливість стабілізувати вихідну напругу інвертора струму.

Автономний інвертор струму з обмеженими комутуючими ємностями. На рис. 4 зображена схема трифазного інвертора струму з обмеженими коммутирующими ємностями.

Рис. 4. Схема інвертора струму з обмеженими комутуючими ємностями

У порівнянні зі схемою рис. 3 комутуючі ємності розбиті на дві групи С1, С3, С5 і С2, С4, С6. Крім того, комутуючі ємності відокремлені від двигуна відсікають діодами VD1, VD3, VD5 і VD2, VD4, VD6, в результаті чого можна застосовувати одні і ті ж обмежені за значенням ємності на всьому діапазоні регулювання частоти інвертора. Переваги інвертора струму наступні:

а) схема інвертора струму з обмеженими ємностями порівняно проста, тому що відсутні конденсатори у колі постійного струму і діоди реактивного струму;

б) форма кривої напруги на виході інвертора наближається до

35

синусоїдальної; в) інвертор допускає здійснення рекуперативного гальмування двигуна М з

переводом інвертора VZ в режим випрямляча, а перетворювача U1 в режим інвертора, веденого мережею. При цьому струм проміжного кола постійного струму не змінюється у напрямку, а змінюється полярність напруги ланки постійного струму. Подібний перехід в режим рекуперативного гальмування не вимагає ніяких додаткових апаратів в силовій частині перетворювача;

г) захист інвертора струму спрощується, так як відсутні конденсатори великої ємності в колі постійного струму.

Поряд з перевагами інвертору струму притаманні такі недоліки:

а) інвертор не стійкий на холостому ходу, тому він завжди повинен бути замкнутий на певне навантаження;

б) інвертор придатний для живлення тільки однодвигунного приводу; в) форма струму має прямокутну форму з шириною імпульсу 120°, що при

малих частотах призводить до змінного крутному моменту, тобто до крокового ефекту. Інвертор струму придатний для індивідуальних електроприводів з потужністю двигунів 10 - 500 кВт, з межами регулювання частоти обертання 20: 1.

Автономний інвертор напруги з відсікаючими діодами і діодами реактивного струму. Якщо від перетворювача частоти необхідно живити багатодвигунний електропривод, то перетворювач частоти повинен бути побудований за схемою інвертора напруги з відсікаючими діодами і діодами реактивного струму.

Рис. 5. Інвертор напруги з відсікаючими діодами і діодами реактивного струму

Перетворювач U працює в режимі керованого випрямляча. Випрямлена напруга фільтрується за допомогою дроселя L1 і електролітичного конденсатора С7. Відсікаючі діоди VD1-VD6 відсікають конденсатори С1-С6 від асинхронного двигуна, що обмежує роботу конденсаторів короткочасним інтервалом і забезпечує збереження заряду до настання наступної комутації.

Переваги розглянутого інвертора полягають у зниженні ємності конденсаторів С1-С6 і індуктивності дроселів L2, L3, у більш жорсткій вольт-амперній характеристиці й у можливості досягнення великих меж

36

регулювання частоти. Недоліки інвертора:

а) несинусоїдна форма кривої напруги, яка, крім того, залежить від характеру навантаження;

б) утворення струмів по контуру тиристор - дросель - діод зворотного струму.

37

Лекция №8. Нереверсивные и реверсивные КЭП. Раздельное и совместное управление

1. Классификация КЭП: реверсивные и нереверсивные приводы

Подробнее этот вопрос рассматривается в лекции № 6 «Преобразователи электрической энергии переменно-постоянного тока»

Реверсивные вентильные преобразователи напряжения (РВП). Однонаправленность проводимости вентилей не позволяет создать РВП в одном комплекте. В состав РВП входят два комплекта вентилей, соединенных между собой электрически и имеющих отдельные блоки управления. Каждый из комплектов проводит ток нагрузки в одном направлении. Условно все схемы реверсивных преобразователей можно разделить на две группы: встречно-параллельного включения (рис. 1) и перекрестного (рис. 2).

Рис.2. Схема перекрестного включения преобразователя

Рис.1. Схема встречно-параллельного включения преобразователя

В РВП наибольшее распространение получила встречно-параллельная схема соединения вентильных комплектов благодаря ряду преимуществ по сравнению с перекрестной схемой: меньшей типовой мощности трансформаторов (1,05 мощности на стороне выпрямленного тока против 1,262); более простому по конструкции двухобмоточному трансформатору в отличие от трехобмоточного; возможности непосредственного (или через токоограничивающие реакторы) присоединения к питающей сети; возможности унификации конструкции РВП и нереверсивного ВП; меньшим суммарным массогабаритным показателям трансформатора и реакторов.

Схемы соединения вторичных обмоток трансформатора, определяющие число фаз выпрямления, различны. Но электромагнитные процессы в этих схемах не отличаются друг от друга при соответствующей взаимной

38

фазировке вторичных обмоток питающего трансформатора. Поэтому в дальнейшем рассматривается перекрестная m-фазная нулевая схема (рис. 3).

Рис. 3. Обобщенная перекрестная схема замещения m-фазного преобразователя

2. Методы управления вентильными комплектами

Применяются два основных метода управления вентильными комплектами РВП: совместное и раздельное.

При согласованном совместном управлении одни комплект вентилей работает в выпрямительном режиме, а другой — подготовлен к инверторному, чем компенсируется постоянная составляющая напряжения в реверсивном контуре, где под действием разницы напряжений комплектов может протекать уравнительный ток (минуя цепь нагрузки).

При согласованном совместном управлении это напряжение должно быть равно нулю, что осуществляется при

Ed1 Ed11 2 Uв0 0

Где Ed1 , Ed11— постоянные составляющие выпрямленных ЭДС комплектов вентилей.

1 11 180

где 1 в — угол управления выпрямительного комплекта; 11— угол управления инверторного комплекта.

При согласованном совместном управлении статический уравнительный ток имеет начально-непрерывный характер.

Наличие небольшого начально-непрерывного уравнительного тока при определенных (например, 90 ) значениях угла управлений благоприятно сказывается на регулировочных и внешних характеристиках РВП (рис. 4). Внешние характеристики не имеют излома при переходе из выпрямительного режима в инверторный и наоборот. Преимущества совместного согласованного управления — простота, готовность перехода из одного режима в другой, однозначность статических характеристик. Недостатки: невозможность полного использовании вентилей в выпрямительном режиме так как min а следовательно, min ограничены

39

min

где угол полного восстановления запирающих способностей тиристора, необходимость использования уравнительных реакторов в уравнительных контурах.

Рис. 4. Регулировочные характеристики реверсивного преобразователя

Рис. 5. Внешние характеристики

при совместном согласованном управлении

реверсивного преобразователя при совместном согласованном управлении

При определенных условиях в переходных режимах значения напряжений комплектов могут оказаться несогласованными между собой вследствие различного быстродействия систем управления вентилями и их неполной управляемости. В результате появляется постоянная составляющая напряжения в уравнительном контуре, что приводит к возникновению динамической составляющей уравнительного тока, которая может в несколько раз превосходить его статическую составляющую.

Неполная управляемость вентиля в реверсивном контуре обусловливает неоднозначность изменения ЭДС комплектов вентилей при больших скоростях изменения управляющего сигнала: ЭДС комплекта вентилей, переходящих в инверторный режим, изменяется по отрезку синусоиды питающего напряжении вентиля, проводившего ток последним, а ЭДС комплекта вентилей, переходящих в выпрямительный режим, изменяется в соответствий с изменением управляющего сигнала.

Одним из способов снижения динамического уравнительного тока является применение фильтра в виде апериодического звена на входе системы с постоянной времени 0,006—0,008 с. В замкнутых системах роль фильтра выполняют различного, рода инерционности в системе регулирования.

При несогласованном совместном управлении среднее значение ЭДС инверторного комплекта устанавливается больше, чем ЭДС выпрямительного комплекта

При изменении угла управления в выпрямительного комплекта угол управления инверторной группы поддерживается неизменным

40