12

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут енергетики та систем керування

Лекція №

з дисципліни «Промислова електроніка та перетворювальна техніка»

Перетворювачі змінної напруги

(регулятори змінної напруги)

Львів 2011

Будова регульованих перетворювачів змінної напруги базується на використанні напівпровідникового комутатора, функцію якого найчастіше виконують два увімкнених зустрічно-паралельно тиристори в колі змінного струму (рис. 1 а).

Рис. 1. Схема перетворювача змінної напруги а) і її варіанти: з діодами, які шунтують тиристори під час їх закритого стану б) і зі спільним тиристором в)

У схемі рис. 1 б використовуються додаткові діоди Д1, Д2, які увімкнені зустрічно-паралельно до тиристорів. Це призводить до полегшених умов роботи, оскільки зворотня напруга тиристорів схеми наближена до нуля. Струм навантаження відповідного напряму протікає через послідовно увімкнені тиристор і діод.

У схемі рис. 1 в використовується тільки один тиристор. Струм навантаження протікає через три послідовно увімкнені вентилі (тиристор і два навхрест розміщені діоди). На тиристор завжди буде діяти пряма (позитивна) напруга незалежно від полярності півхвилі напруги джерела u_~ живлення, в зв’язку з чим закриття тиристора (і відповідно використання схеми) можливе тільки за умови чисто активного навантаження. Закриття тиристора здійснюється тільки зменшенням струму навантаження до нуля у моменти переходу напруги через нуль. За наявності індуктивності у колі навантаження схема губить здатність фазового регулювання, оскільки моментам переходу струму через нуль буде відповідати пряма напруга на тиристорі і тиристор буде знаходитись у стані безперервної провідності струму незалежно від кута керування.

У наведених перетворювачах застосовують фазовий, ступеневий, фазоступеневий, широтно-імпульсгий та інші методи регулювання змінної напруги.

1. Фазові методи регулювання змінної напруги

Фазові методи регулювання базуються на керуванні дієвим значенням змінної напруги на навантаженні шляхом зміни тривалості відкритого стану тиристора, який формує додатню чи від’ємну півхвилю змінної напруги.

Фазове регулювання можливе з відстаючим кутом керування, випереджуючим кутом керування або одночасно з використанням обох кутів керування (двостороннє керування). Спершу розглянемо ці методи регулювання за умови чисто активного навантаження.

Наведені на рис. 2 та рис. 3 часові діаграми напруг та струмів відповідають чисто активному навантаженню. Фазове регулювання перетворювачів змінної напруги аналогічне фазовому регулюванню керованих випрямлячів. Відмінність полягає у схемі з’єднань тиристорів в цих перетворювачах, внаслідок чого ділянки синусоїд двополярні (у випрямлячах вони однополярні).

Під час регулювання, який відповідає рис. 2 а, здійснюється природнє закриття тиристорів у моменти π, 2π, 3π, ... внаслідок зміни полярності напруги живлення.

Під час регулювання, який відповідає рис. 2 б, необхідне примусове закривання тиристорів у моменти π - α, 2π - α, 3π - α, ...

Характер дієвого значення напруги на навантаженні для фазового регулювання рис. 2 а та рис. 2 б за умови чисто активного навантаження у залежності від кута керування (регулювальна характеристика) визначається із виразу

(1)

де U - дієве значення змінної напруги джерела живлення ; U_н - дієве значення напруги на навантаженні.

Для двостороннього фазового регулювання регулювальна характеристика набуде вигляду

(2)

Рис. 2. Фазове регулювання з відстаючим кутом керування а) та випереджуючим кутом керування б)

Рис. 3. Двостороннє фазове регулювання

Графічно наведені залежності (1) та (2) мають наступний вигляд

Рис. 4. Регулювальні характеристики фазових методів: 1 – регулювання з випереджуючим чи відстаючим кутом керування; 2 – характеристика двостороннього фазового регулювання

Для наведених методів регулювання за умови чисто активного навантаження криві струмів, які споживаються від мережі, і струму навантаження і_н збігаються за формою із кривою напруги u_н , а коли α > 0 - відмінні від синусоїди. Коефіцієнт потужності λ для всіх трьох фазових методів регулювання визначається з виразу

λ=U_н / U, (3)

тобто в одиноких перетворювачах змінної напруги незалежно від використаного методу регулювання коефіцієнт потужності дорівнює відносному значенню напруги на навантаженні.

Вплив індуктивності на процеси в схемі розглянемо на прикладі фазового регулювання з відстаючим кутом відкривання.

За умови чисто активного навантаження струм і_н досягає нульового значення під час переходу напруги живлення через нуль (рис. 2 а). Ділянка провідності тиристора ψ = π – α. Крива струму і_н() збігається з кривою напруги u_н().

Індуктивність L_н сповільнює зростання струму і_н під час відкривання тиристорів і перешкоджає його зменшенню під час зниження напруги (рис. 5 в). Струм продовжує протікати через навантаження і відповідний тиристор і після переходу напруги живлення через нуль, досягаючи нульового значення в момент π+δ. Тривалість провідності тиристора збільшується на кут δ, тобто ψ = π – α + δ. Внаслідок цього у кривій напруги з’являються додаткові ділянки, які відсутні за умови чисто активного навантаження. Ділянка паузи в кривій вихідної напруги зменшується до значення α – δ.

Рис. 5. Схема та часові діаграми струмів та напруг перетворювача змінної напруги з індуктивністю у колі навантаження

Під час роботи перетворювача на активно індуктивне навантаження є цікавим визначити критичне значення кута керування α = α_кр , за якого ділянки провідності струму δ повністю займають ділянки α.

В цьому випадку струм і_н спадає до нуля в момент часу  = π+ α , тобто у момент закриття попереднього тиристора і відкриття наступного. Паузи в кривій струмі і_н та напруги u_н відсутні і тривалість кожного тиристора стає рівною ψ = 180º. Такий режим наступає, коли

α = α_кр= φ = δ = arctg(ωL_н / R_н). (4)

Дієве значення напруги на навантаженні максимальне, крива струму і_н стає безперервною і синусоїдною

і_н= . (5)

Очевидно, що такий режим буде існувати і з кутами α < α_кр . Смуга кутів керування від нуля до α = α_кр характеризується некерованою зоною перетворювача, де зміна кута керування не викликає зміни дієвого значення напруги та струму навантаження.

Рис. 6. Часові діаграми струмів та напруг перетворювача змінної напруги під час роботи з критичним кутом регулювання

Схеми трифазних перетворювачів змінної напруги з фазовим регулюванням виконують подібно до однофазних. Найбільш поширені варіанти схем трифазних перетворювачів наведені на рис. 7, а – г.

У схемі рис. 7 а живлення здійснюється від трифазної системи напруг з нульовим провідником. Елементи трифазного навантаження з увімкнутими зустрічно-паралельно тиристорами з’єднані зіркою і працюють незалежно один від одного під впливом фазних напруг.

У схемі рис. 7 б три ланки трифазної системи з’єднані трикутником. Трифазні перетворювачі у цій схемі живляться від лінійних напруг і кожен з них працює незалежно від перетворювачів інших фаз.

Схеми перетворювачів рис. 7 в-г з’єднані відповідно у зірку та трикутник, їхня робота повинна бути узгоджена з роботою перетворювачів інших фаз.

Рис. 7. Схеми трифазних перетворювачів змінної напруги: з незалежною роботою перетворювачів у кожній фазі, які з’єднані у зірку (а) або у трикутник (б); з взаємозалежною роботою окремих перетворювачів трифазної системи, які з’єднані у зірку (в) або трикутник (г)