4. Построение структурной схемы тиристорного преобразователя.

В данном ЭП постоянного тока в качестве преобразовательного устройства используется тиристорный преобразователь (ТП). Достоинствами ТП являются высокая удельная мощность, высокий КПД, отсутствие вращающихся частей, высокий коэффициент усиления по мощности, плавность регулирования, простота обслуживания и эксплуатации.

Тиристорные преобразователи в ЭП постоянного тока представляют собой управляемые выпрямители, преобразующие напряжение сети переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую.

Функционально ТП можно представить в виде двух блоков, представленных на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Функциональная схема ТП

Входной блок Б1 преобразует напряжение управления U_y в угол отпирания тиристоров α ( называемый также углом управления), а выходной блок Б2 ,являющийся силовым, преобразует угол α в выпрямленное напряжение U_н. Технически блок Б1 представляет собой систему импульсно-фазового управления (СИФУ), и блок Б2 – вентильную группу (ВГ), т.е. группу определенным образом соединенных тиристоров. ТП, используемые в ЭП, отличаются главным образом, схемами вентильных групп. При этом наибольшее применение находят нулевые и мостовые схемы включения ВГ, которые могут быть однофазными и трехфазными.

Управляющие свойства ТП как элемента системы управления определяются его характеристикой управления (регулировочной характеристикой) U_н0=f(U_y) , где U_н0 - постоянная составляющая напряжения U_н ,в установившемся режиме. Внутренняя координата α (см. рисунок 4.1.) выделяет в составе ТП 2 части СИФУ и ВГ. Результирующая характеристика управления ТП U_н0(U_y) определяется как сложная функция

U_н0=f[α (U_y)]=φ(U_y). (4.1)

Вид характеристики U_н0(α) зависит от схемы ВГ,а вид характеристики α (U_y) – от схемы СИФУ. При необходимости изменения направления вращения якоря ДПТ применяют реверсивные ТП, т.е. ТП, позволяющие изменять полярность напряжения U_н0 и направление тока якоря.

Реверсивные ТП состоят из двух вентильных групп ,обычно подключенных к нагрузке (цепи якоря) встречно-параллельно (см. рисунок 4.2.)

Рисунок 4.2. Функциональная схема реверсивного ТП

Каждая из ВГ может быть построена на основе любой схемы ТП. При работе ВГ1 ток по цепи якоря протекает в положительном направлении, при работе ВГ2 направление тока изменяется на противоположное.

Если характеристика управления U_н0(U_y) базового нереверсивного ТП является линейной, то и характеристика управления реверсивного ТП в области регулирования будет линейной (см. рисунок 4.3.).

Рисунок 4.3. Характеристика управления реверсивного ТП

На структурной схеме реверсивного ТП значение сигнала Х=К_т.п.· U_y должно ограничиваться не только сверху на уровне плюс 1, но и снизу на уровне минус 1,что составляет U_н0= U_{н0 мах} .

При курсовом проектировании схема ТП выбирается по номинальной мощности двигателя: при мощности ДПТ до1 кВТ рекомендуется использовать однофазные мостовыеТП,при мощности в диапазоне от 1 до 10 кВТ – нулевые трехфазные ТП, а при мощности свыше 10 кВт – мостовые трехфазные. Если направление вращения вала нагрузки не изменяется в ЭП можно использовать нереверсивный ТП,в противном случае неоходимо применять реверсивные ТП.

Так как номинальная мощность ДПТ Р_ном= 3,4 кВТ находится в диапазоне от 1 до 10кВт , рекомендуется использовать трехфазную нулевую схему ТП. Регулируемой переменной является угловая скорость вращения вала нагрузки ω_н.Согласно заданию ДПТ – реверсивный.

Внешняя характеристика ТП может быть описана соотношением:

, (4.2)

где R_п= R_т.п + Х_т.п. – эквивалентное активное сопротивление цепи нагрузки ТП постоянному току;

R_т.п – активное сопротивление этой цепи, включающей в себя сопротивление обмоток трансформатора, тиристоров в открытом состоянии, реакторов;

Х_т.п – индуктивное сопротивление в цепи переменного тока, обусловленное :индуктивностью обмоток трансформатора. По отношению к выходной цепи ТП индуктивное сопротивление Х_т.п после выпрямления тока проявляет себя как активное, поскольку по этой цепи течёт постоянный ток.

Первая составляющая напряжения U_но в выражении (4.2) предсталяет собой ЭДС (е_т.п.) на выходе ТП. Оно соответствует значению U_но в режиме холостого хода (I_но=0):

. (4.3)

Инертность цепи управления ТП принято учитывать включением на входе структурной схемы ТП вместо безынерционного звена с передаточным коэффициентом К_т.п. инерционного звена первого порядка с передаточной функцией:

, (4.4)

в которой Т_п - постоянная времени СИФУ.

Изменения значений U_п и i_н(i_н= i_я) являются для ТП внешними возмущениями.

Структурная схема реверсивного тиристорного преобразователя приведена на рисунке 4.4.На этой схеме выходное напряжение ТП и ток нагрузки обозначены через U_я и i_я . Блок ограничения БО₁ показан для случая реверсивного ТП.

Рисунок 4.4 Структурная схема ТП

Определим параметры структурной схемы.

Постоянную времени Т_п обычно принимают равной 0.01 с.

Сопротивление R_п должно быть: ,

где - падение напряжения на сопротивления R_п

рекомендуется принять =0,05 U_я.ном .

=0,05·220=11В;

R_п=11/19,07969=0,57653 Ом.

Значение К_п определяется по выражению (4.2), из условия что максимальное значение U_я достигается при

, (4.5)

где I_я.доп =2I_я.ном=2·19,07969=38,15938 А;

U_п.мин=U_п.ном(1-δ_н)=380(1-0,15)=323В;

U_я.макс=r_я.ц.·I_я.доп+С_я·Ф_в·ω_я.ном(1+δ_я)=0,9384·2·19,07969+2,41234·83,7758(1+0,2)=

278,32362В

В этих выражениях:

δ_н – допустимая относительная нестабильность напряжения питающей сети(U_п.ном);рекомендуется принять δ_н=0,15;

δ_я - возможное перерегулирование ЭП по угловой скорости вращения ω_я; рекомендуется принять δ_я=0,2.

Тогда

. (4.5)

Коэффициент К_т.п. также определяется из выражения (4.2):

Поскольку якорная цепь ДПТ и цепь нагрузки ТП образуют общую последовательную цепь,то динамические процессы в этой цепи относительно тока i_я определяются суммарными значениями индуктивностей и активных сопротивлений(L_я.п. и R_я.п.) элементов,входящих в эту цепь:

,

,

где L_д – индуктивность дополнительного дросселя.

При этом общая постоянная времени цепи якоря:

, (4.6)

где Ом.

Первоначально Т_я.п. определяем для случая, когда дополнительный дроссель отсутствует, т.е. при L_я.п.= L_я.ц.:

с

Это значение Т_я.п. меньше, чем 0,02 с, рекомендованное для трехфазных ТП. Поэтому принимаем Т_я.п=0,02 с, в связи с чем необходимо включение дополнительного дросселя.

Тогда процессы в выходной цепи ТП будут описываться дифференциальным уравнением:

, (4.7)

откуда

, (4.8)

где

.

Определяем значение L_д:

L_д..= L_я.п.- L_я.ц, где из(4.6) L_я.п.=Т_я.п.·R_я.п.=0,02·1,51493=0,0303Гн.

L_д..=0,0303-0,017=0,0133Гн.

Тогда

С учетом L_д структурная схема ТП на рисунке 4.4. принимает вид, показанный на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Полная структурная схема ТП