41. Работа 3-х фазного нулевого тп постоянного тока на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока при мгновенной коммутации. Диаграммы напряжения и тока при различных значениях угла

Основные соотношения и рабочие процессы рассмотрим на базе трехфазной нулевой схеме допущениях:

а) Неуправляемые вентили идеальные. Т.е. при протекании через них тока в проводящем направлении их сопротивление = 0 и падение напряжения нет. При обратном U их сопротивление = ∞, а обратный ток i_обр = 0.

б) Питающий тр-р - идеальный. Активное сопротивление трансформатора = 0 и индуктивность рассеяния первичных и вторичных обмоток трансформатора = 0. В => токи в анодных цепях вентилей изменяются мгновенно, т.е. скачком.

в) Ток нагрузки идеально сглажен. Индуктивность в цепи нагрузки = ∞. Ток идеально гладкий при пульсирующем ЭДС преобразователя.

Фазные ЭДС вторичных обмоток трансформатора представлены тремя синусоидами, сдвинутыми относительно предыдущей на угол 120 (электрических).

Для регулирования ЭДС преобразователь выполняют управляемым, т.е. на тиристорах. Предполагаем, что включение тиристоров, мы можем обеспечить в любой момент времени.

Если управляющие импульсы подавать на управляющие электроды тиристоров в моменты естественной коммутации, то получим максимальную ЭДС E_d0. Регулирование ЭДС в сторону ее снижения осуществляется за счет задержки включения тиристоров относительно момента естественной коммутации на величину угла управления тиристорами преобразователя . () - это угол, выраженный в электрических градусах, отсчитываемый от точки естественной коммутации двух чередующихся фаз до момента включения тиристора последующей фазы.

Пусть управляющий импульс на тиристор V_S1 подан в момент  = ₁. К моменту подачи импульса на V_S1 ток в фазе “С” протекает встречно с фазной ЭДС за счет энергии, накопленной в индуктивности нагрузки рабочим током. Подача управляющего импульса на V_S1 включает его, а V_S3 - выключается. Далее при  = ₂ с углом  подается импульс на V_S2 и ток с фазы “А” коммутируется на фазу “В” и т.д.

На рис форма ЭДС преобразователя, ниже токи, протекающие по фазным обмоткам трансформатора при идеальной сглаженности тока I_d и мгновенной коммутации фазных токов с предыдущей на последующую фазу. Анализ диаграммы:

а) При ↑ , т.е. при большей задержке управляющих импульсов, E_d ↓. Величина этого снижения, определяемая вольт - секундной площадкой Sз, тем ↑, чем ↑ угол .

б) ЭДС преобразователя при  > 30 содержит участки «+»(S+) и «-» (S-) значений вольт - секундных площадок. С ↑  (S+) уменьшаются, а (S-) - увеличиваются.

в) Импульсы фазных токов трансформатора, сохраняя прямоугольную форму, смещаются в сторону отставания на величину угла  по отношению к точке естественной коммутации.

42. Процесс коммутации токов в фазах питающего трансформатора тп при переключении вентилей. Угол коммутации.

В реальных схемах из-за наличия в цепях переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности, индуктивных сопротивлений обмоток трансформатора, процесс коммутации имеет определенную длительность. Индуктивные сопротивления обмоток трансформатора, обусловленные потоками рассеяния в магнитной системе, определяются из опыта короткого замыкания трансформатора, и в расчетах учитываются в виде общей индуктивности L_s, представляющей собой суммарную индуктивность рассеяния вторичной обмотки и, приведенную к ней, индуктивность первичной обмотки. Влияние на процесс коммутации активных сопротивлений обмоток трансформатора учитывать не будем из-за незначительности этого влияния.

По-прежнему выпрямленный ток считаем идеально сглаженным (L_н = ). На рис 16 представлена эквивалентная схема трехфазного нулевого выпрямителя и диаграммы напряжений и токов, поясняющие процесс коммутации токов.

Индуктивные сопротивления обмоток учтены введением в схему индуктивностей L_s . Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль V_S1 . В момент ₁ поступает включающий импульс на вентиль V_S2 . Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается.

Начиная с момента ₁ оба тиристора включены и две фазы (“а” и “b”) вторичной обмотки трансформатора оказываются замкнутыми через них накоротко. Под воздействием ЭДС обмоток этих фаз (e_а и e_b) в короткозамкнутой цепи (контура коммутации) появляется ток короткого замыкания i_k , который является коммутирующим током.

Этот ток можно в любой момент интервала коммутации (₂ - ₁ ) определить по формуле: i_k = (U_2m/2Xs)*{cos  - cos ( + )}

где U_2m -амплитудное значение линейного напряжения между фазами “a” и “b”.

Xs= L_S,  - угол управления.

Через вентиль V_S1 фазы “а” ток i_k протекает в непроводящем направлении. Учитывая, что выпрямленный ток I_d при L_н =  в интервале коммутации остается неизменным, можно, согласно первому закону Кирхгофа для точки 0 записать с учетом направления токов: i_a + i_b = I_d = const.

Из рис 16 видно, что в интервале от ₁ до ₂ ток i_b плавно увеличивается, а i_a уменьшается. Когда ток i_b станет равным I_d , а ток i_a снизится до нуля, вентиль V_S1 выключится и ток нагрузки будет продолжать протекать только через вентиль V_S2 .

Длительность интервала коммутации характеризуется углом коммутации , который может быть определен из следующего уравнения (для трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схем): обозначив угол коммутации при угле управления  = 0 через ₀, можно записать:

Подставляя в исходное уравнение значение ₀, получаем:

 = arccos {cos  + cos ₀ - 1} -  .

Согласно последней формуле с ростом угла  (в пределах 0< <90) уменьшается угол коммутации  . Физическая сущность этого явления состоит в том, что с увеличением угла  (в указанных пределах) растет напряжение, под действием которого возрастает ток i_k в контуре коммутации и, следовательно, до значения I_d он нарастает быстрее.

При дальнейшем росте угла  (90180) угол коммутации увеличивается.

Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение U_d . Это связано с тем, что при изменении фазных токов в зоне коммутации в индуктивностях L_s обмоток трансформатора появляются ЭДС самоиндукции. В выходящей из работы фазе ЭДС самоиндукции складывается с ЭДС “e_a”. Во вступающей в работу фазе ЭДС самоиндукции вычитается из “e_b”. Таким образом, с учетом действия ЭДС самоиндукции мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока равно полусумме ЭДС коммутируемых фаз. U_d = (U_a + U_b)/2 .

где U_a и U_b - мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

Так как, в зоне коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения снижается, по сравнению с мгновенной коммутацией, до величины U_d , происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения величину ΔUк, которая зависит от Id (Id↑, ΔUк↑, ↑), (3-15)

Анализируя последнюю формулу, мы видим, что от двух первых множителей, стоящих в числителе, зависит ширина заштрихованной на диаграмме площадки. От значения третьего множителя (m_n) зависит количество этих площадок, приходящихся на период переменного напряжения - (2).

Коммутационное снижение средней величины выпрямленного напряжения не зависит от действующего значения переменного напряжения на вторичных обмотках питающего трансформатора, а, также, от величины угла управления “”. Оно зависит только от трех величин, входящих в формулу (3-15).

1. при =0,напряжения в фазах складываются

2. =90 U-я :в фазе в «+»,а в фазе с «-»,они суммируются процесс заканчивается быстро, угол  уменьшается, ΔUк та же, что и при =0)

3. >90 величина ΔUk меняет знак.

43. Обращение потока мощности в тиристорном нереверсивном ЭП (система ТП−Д). Инверторный режим работы тиристорного преобразователя. Усл. существования инверторного режима. «Опрокидывания» инвертора. Ограничение угла .

При движении левого сосуда вверх до середины, машина “М” - в Д режиме, а преобразователь- в выпрямительном. Их ЭДС направлены встречно, но т.к. E_d > E_М , то I_d совпадает по направлению с E_d .ТП - источник, а “М”- приемник.

После перехода положения равновесия сосудов, левая ветвь окажется короче правой и машина “М”, раскручиваемая тяжелой правой ветвью, увеличит свои обороты. E_М>E_d , но I_d не изменит свое направление из-за односторонней проводимости вентилей. Поэтому поменяем полярность ЭДС ТП и М. В ТП мы измененяем угол управления , >90. В машине “М”, можно 3 способами:

1. Изменить направление вращения машины на обратное (не подходит);

2. Переключить силовые провода (точки 1 и 2) на противопол. щетки якоря “М”;

3. Изменить направление тока обмотки возбуждения на противоположное, меняя полярность напряжения возбужденияU_в (подходит).

Переведем “М” в режим источника , а ТП- в приемник. На схеме: направление тока I_d не меняется, а направление ЭДС машины “М” и ТП соот-т пунктирным стрелкам. Среднее значение ЭДС E_М > E_d .

Условия инверторного режима:

1. В нагрузке есть источник постоянной ЭДС - E_М ;

2. I_d совпадает с ЭДС нагрузки, т.е. E_М совпадает с проводящем направлением вентилей;

3.E_d встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров;

4. E_М > E_d .( > 90, E_d < 0);

При инверторном режиме используют угол , дополняющий угол  до 180. +  = 180. Этот угол отсчитывается от точки пересечения ЭДС коммутируемых фаз в области отрицательных напряжений в сторону опережения (влево).  - угол “опережения включения. Угол  получается меньше 90.

В инверторном режиме источник постоянной ЭДС E_М включен с противоположной полярностью относительно вентильной группы и отдает энергию в сеть.

Особенности инверторного режима работы ТП.

а) Особенность внешних характеристик.

Процесс коммутации имеет одну физическую природу в режиме выпрямления и и в инверторном режиме. Но в инверторном с ↑ тока, напряжение на якоре машины “М” ↑, расстояние от характеристики до оси абсцисс ↑.

б) Неустойчивость работы ТП при малых значениях угла и больших значениях тока .Эта неустойчивость проявляется в “опрокидывания” или “прорыва” инвертора, что может => к выходу преобразователя из строя.

При некоторых обстоятельствах E_d может мгновенно изменить свое направление на противоположное. Тогда в якорной цепи 2 источника энергии, что => к двойному КЗ в якорной цепи, в => быстрое нарастание тока и машина выходит из строя. Отключение ТП от сети не устраняет аварийного режима, т.к. ток под действием ЭДС E_М будет продолжать протекать через одну из фаз вторичной обмотки трансформатора и вентиль этой фазы. Для устранения аварии разрываем якорную цепь.

Из диаграммы напряжения: при ↓ угла управления  коммутация приближается к точке “1”. Условием нормальной работы инвертора: завершение коммутации тока, т.е. переход его с фазы “с” на фазу “а” раньше, чем наступит момент равенства ЭДС коммутируемых фаз в точке “1”. Если вследствие ↓ угла  , или ↑ угла  , вызванного ↑ тока I_d , коммутация на закончится до наступления момента “1”, дальше переход тока на фазу “а” прекратится, и, начавшийся процесс коммутации пойдет в обратном направлении, т.е. останется включенной фаза “с”. Из диаграммы, U на фазе “с” очень быстро становится положительным, ЭДС инвертора E_d меняет свою полярность на противоположную и происходит его “опрокидывание”. Условие: переключение должно закончиться не дойдя до точки естественной коммутации, поэтому ≥ _min. _min  _max +  + 

где: _max - максимально возможное значение угла коммутации, определяемое максимально возможным током в любом режиме работы инвертора;

 - угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей;

 - асимметрия управляющих импульсов, т.е. самопроизвольное их отклонение от заданной величины в силу ограниченных возможностей системы управления.

Если же предотвратить “опрокидывание” инвертора не удалось, необходимо использовать быстродействующие средства защиты.