Особенности инверторного режима работы ТП.

а) Особенность внешних характеристик.

Внешние характеристики переходят из выпрямительного режима в инверторный, не изменяя угла наклона по отношению к оси абсцисс. Это значит, что процесс коммутации имеет ту же физическую природу, что и в режиме выпрямления. Как и в выпрямительном режиме, этот процесс связан с изменением напряжения на нагрузке.

Однако, в отличие от выпрямительного режима в инверторном с увеличением тока, напряжение на якоре машины “М” не уменьшается, а увеличивается. Вид внешних характеристик наглядно показывает эту особенность инверторного режима. С увеличением тока расстояние от характеристики до оси абсцисс увеличивается.

б) Неустойчивость работы ТП в инверторном режиме при малых значениях угла b и больших значениях тока - вторая особенность инверторного режима.

Эта неустойчивость проявляется в возможности так называемого “опрокидывания” или “прорыва” инвертора, что может быть чревато выходом преобразователя из строя.

Для исследования этого вопроса обратимся к схеме ТП-Д, изображенной на рис 21. При работе ТП в инверторном режиме, а машины “М”- в генераторном их ЭДС (пунктирные стрелки) E_М¢и E_d¢ направлены встречно и, т.к. E_М¢ превышает по величине E_d¢ ток в цепи якоря I_d совпадает по направлению с E_М¢ , а E_d¢ является противо- ЭДС.

Неприятность заключается в том, что при некоторых обстоятельствах противо- ЭДС E_d¢ может, практически мгновенно, изменить свое направление на противоположное и действовать в цепи якоря согласно с E_М¢. Тогда, окажется, что в якорной цепи действуют два источника энергии, и в ней нет ни одного приемника энергии. Эту ситуацию можно рассматривать, как двойное короткое замыкание в якорной цепи, что вызывает очень быстрое нарастание тока и требует экстренного размыкания цепи якоря. Дело в том, что отключение ТП от сети не устраняет аварийного режима, так как ток под действием ЭДС E_М¢ будет продолжать протекать через одну из фаз вторичной обмотки трансформатора и вентиль этой фазы, который был включен в момент “опрокидывания” инвертора. Единственным способом прекратить развитие аварии является разрыв якорной цепи, т.е. отсоединение одного источника от другого.

Для выяснения причины такого “странного” поведения инвертора рассмотрим диаграмму напряжения и тока, изображенную на рис 22. Из диаграммы напряжения видно, что при уменьшении величины угла управления b коммутация приближается к точке “1”. Условием нормальной работы инвертора является 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 же вследствие уменьшения угла b , либо, вследствие увеличения угла g , вызванного возрастанием 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”. Как видно из диаграммы, напряжение на фазе “с” очень быстро становится положительным, а это значит, что ЭДС инвертора E_d¢ изменила свою полярность на противоположную и произошло его “опрокидывание”. Недопущение этого явления возможно единственным способом: предотвращение снижения величины угла управления b ниже минимально допустимого его значения b_min. Эта величина определяется выражением:

b_min ³ g_max + d + da

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

d - угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей, а точнее, временем их выключения;

da - 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, обеспечивающие аварийное отключение инвертора от всех источников напряжения, включая такой источник, как вырабатывающий электроэнергию генератор “М”, вращающийся под действием спускающегося груза.

Обратившись к внешним характеристикам ТП, работающего в инверторном режиме (рис 25) можно определить и обозначить ограничительную линию, указывающую предел значений угла b и величины тока, допустимых для данного преобразователя. Эти величины между собой связаны. Чем меньше Ðb , тем меньшее значение тока допускается при работе ТП в инверторном режиме.

3.4.Трехфазный мостовой ТП.

Схема трехфазного мостового ТП является шестипульсной схемой. Она находит самое широкое распространение по сравнению с другими схемами преобразователей, т.к. обладает целым рядом достоинств. Из этих достоинств можно отметить следующие:

1. Высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения(f_n=300 Гц)

2. Симметричность загрузки питающей сети;

3. Схема может быть использована как с согласующим трансформатором, так и без него;

4. Высокие энергетические показатели схемы. Ток в обмотках трансформатора носит знакопеременный характер и имеет равные значения в положительный и отрицательный полупериоды. Это исключает возможность подмагничивания трансформатора и обеспечивает высокое значение коэффициента формы тока (k_ф = 0.95);

5. Хорошее использование вентилей по напряжению

k_u = (U_обр.max)/(U_d ) = p/3 = 1.05

Для изучения особенностей работы трехфазной мостовой схемы удобна ее интерпретация, как схемы, включающей в себя две трехфазные нулевые схемы, соединенные последовательно и питающиеся от одной вторичной обмотки трансформатора.

Вначале проанализируем работу схемы, если угол управления a будет равен нулю, т.е. включение вентилей происходит в точках естественной коммутации. Схема (рис 26) включает в себя 6 вентилей. Три вентиля, катоды которых соединены в одну точку, составляют катодную группу, три других, соединенных в одну точку своими анодами, составляют анодную группу вентилей.

Рис 26

Вначале рассмотрим работу каждой из групп вентилей изолированно одна от другой. Катодная группа, включенная на нагрузку z_н, представляет собой трехфазный нулевой выпрямитель, работающий, как было условлено, с нулевым значением Ða . К нагрузке z_н поочередно прикладывается напряжение фаз вторичной обмотки трансформатора. При этом в z_н протекает ток I_d . Этот ток течет по участку цепи О1 - О2 и, затем, расходится по фазам вторичной обмотки. В катодной группе в каждый момент времени ток проводит тот вентиль, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других вентилей в группе. Обратим внимание на то, что в перемычке О1 - О2 ток этой группы течет от О1 к О2.

Теперь рассмотрим другую группу вентилей - анодную. Вентили этой группы подключены своими катодами к фазам вторичной обмотки трансформатора, а их аноды объединены в одну точку, соединенную с нагрузкой z_н . Ток I_d протекает по левому сопротивлению под действием фазных ЭДС вторичной обмотки, включающихся в работу в моменты, когда в начале обмотки (обозначены точкой)- положительный потенциал, а в конце обмотки (одна из точек “а”, “b” или “с”)- отрицательный.

В анодной группе в каждый момент времени ток проводит тот вентиль, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других вентилей группы.

Таким образом, существуют два, как бы независимых друг от друга нулевых выпрямителя, питающихся от одной и той же вторичной обмотки трансформатора, токи которых равны по величине (т.к. равны сопротивления z_н ). Ток анодной группы течет по перемычке О1 - О2 от О2 к О1, т.е. встречно току катодной группы. Таким образом результирующий ток в перемычке оказывается равным нулю, и эту перемычку можно просто убрать. Теперь мы видим, что к точкам, объединяющим катоды и аноды разных групп вентилей оказались подключенными два последовательно соединенных сопротивления z_н и по цепи этих сопротивлений протекает один и тот же ток I_d . В работе схемы ничего не изменится, если мы цепь с двумя сопротивлениями z_н заменим другой цепью с одним сопротивлением 2z_н , величина которого равна сумме первых двух сопротивлений.

Если на одной фазе (например, на фазе “а”) трансформатора, на конце обмотки положительный потенциал превышает по величине потенциалы концов обмоток других фаз, то в катодной группе будет проводить вентиль V₁. В то же время на конце обмотки какой- то другой фазы (например фазы “b”) потенциал минимальный, это означает, что в анодной группе ток проводит вентиль V₆. Таким образом в любой момент времени в трехфазной мостовой схеме ток проводят два вентиля, работают две фазные обмотки трансформатора и напряжение, приложенное к нагрузке 2z_н через включенные вентили, равно сумме напряжений фазных обмоток, т.е. равно линейному напряжению.

Таким образом напряжение на выходных зажимах трехфазной мостовой схемы можно рассматривать, как сумму напряжений двух трехфазных нулевых преобразователей.

Не имеет значения, что нулевая точка трансформатора с нагрузкой не соединена. Если бы можно было отыскать среднюю точку сопротивления 2z_н и, если эту реальную точку нагрузки соединить с нулем вторичной обмотки трансформатора, то ничего в работе схемы не изменилось бы. Но это дает нам право рассматривать процессы в более сложной схеме через процессы в более простых схемах, изученных нами и более понятных нам.

На рис 27 приведены диаграммы напряжений, поясняющих последовательность перехода от фазных напряжений двух нулевых схем к линейным напряжениям мостовой схемы. На диаграммах коммутация считается мгновенной.

Первая диаграмма (сверху) - напряжения катодной группы при трех разных значениях угла управления a (0°; 75° ; 120°). Положительные вольт- секундные площадки заштрихованы вертикальными линиями, отрицательные- горизонтальными. Переключение с предыдущей фазы на последующую на этой диаграмме происходит снизу- вверх (с отрицательных напряжений на положительные).

Вторая диаграмма- напряжения анодной группы. Здесь в работу вступает вентиль, имеющий наиболее отрицательный потенциал на катоде. Т.е. на диаграмме переключение происходит сверху- вниз. Тем не менее, положительное напряжение на нагрузке получается от нижних вольт- секундных площадей (они заштрихованы вертикальными линиями).

На третьей диаграмме- показаны результаты суммирования напряжений катодной и анодной групп с учетом их знака. Площади одного знака- суммируются (как это имеет место для a = 0). В результате получается междуфазовое, линейное напряжение. Так, например, напряжение между точками “1” и “2” можно рассматривать, как положительную полуволну линейного напряжения между фазами “а” и “с”. Точки “3” и “4” определяют положительную полуволну линейного напряжения между фазами “b” и “с”. Синусоиды линейного напряжения повторяются с частотой 300 Гц и, таким образом, получается шестипульсное выпрямленное напряжение. При сложении напряжений катодной и анодной групп, имеющих положительные и отрицательные вольт- секундные участки, участки разного знака, накладываясь одни на другие, дают в результате отсутствие напряжения, т.е. получаются не заштрихованные участки, т.е. участки с напряжениями разного знака компенсируют друг друга. Те площади, которые выходят из зоны компенсации, сохраняют свои знаки.

Диаграммы напряжений трехфазного мостового тиристорного преобразователя :

рис 27

На четвертой диаграмме представлены линейные напряжения, формирующиеся на выходе трехфазного мостового преобразователя. Эта диаграмма получается из третьей диаграммы, если нижнюю огибающую синусоид превратить в нулевую линию, и от нее откладывать вверх положительные линейные напряжения (вертикальная штриховка), и вниз- отрицательные напряжения (горизонтальная штриховка). Именно такая форма напряжения возникает на экране осциллографа, если вход этого осциллографа подключить к выходным клеммам трехфазного мостового ТП.

3.5.Системы управления преобразовательными устройствами.

Понятие- “системы управления ТП”- является широким понятием, включающим в себя не только управление силовыми тиристорами преобразователя с целью регулирования основных координат электропривода (момента, скорости) путем изменения тока, напряжения преобразователя, но и управление защитными устройствами ТП, осуществление контроля работоспособности преобразователя, измерение регулируемых переменных величин, сигнализация о исправности входящих в преобразователь элементов.

Из этого широкого понятия “системы управления” выделим основную часть- устройства, которые обеспечивают управление силовой частью преобразователей- тиристорами, выполняющими основную функцию ТП- преобразование и регулирование параметров электрической энергии.

Мы остановимся на описании структуры и принципов действия главной части системы управления, выполняющей основную управляющую функцию.

В ТП основная функция системы управления заключается в формировании по определенной программе включающих импульсов на управляющих электродах тиристоров.

Не вызывает сомнения, что наиболее приемлемая форма управляющего воздействия на “полууправляемый” прибор- тиристор, является импульсное воздействие на управляющий электрод посредством прямоугольных импульсов напряжения, которые осуществляют включение тиристоров в нужные моменты времени. Дальнейшее состояние тиристора на зависит от управляющего воздействия и определяется другими факторами. Второй важной функцией системы управления является функция перемещения (сдвига) управляющих импульсов относительно фазы синусоид питающего напряжения, так называемый фазовый сдвиг. Поэтому система, осуществляющая эти две функции, называется “системой импульсно- фазового управления” (СИФУ) тиристорного преобразователя.

Требования, предъявляемые к параметрам включающих импульсов, определяются типом тиристора, схемой, в которой используется тиристор и режимом его работы.

3.5.1.Требования, предъявляемые к параметрам включающих импульсов.

1.Мощность управляющих импульсов (величина тока и напряжения) должна быть достаточной для надежного включения тиристора при самых неблагоприятных условиях в допустимой области их изменения. К таким неблагоприятным условиям можно отнести низкое значение анодного напряжения, что имеет место при малых величинах угла управления a.

Вторым неблагоприятным фактором можно считать низкую температуру окружающей среды. Это случается при работе преобразователя на открытом воздухе.

Наконец, третьим неблагоприятным фактором является высокий уровень помех, на фоне которых полезный сигнал должен существенно выделяться по своему уровню.

2. Асимметрия управляющих импульсов (da).

Асимметрией управляющих импульсов называется самопроизвольное отклонение угла a от заданного значения, вызванное целым рядом неконтролируемых процессов в системе формирования и фазового сдвига импульсов. К факторам, вызывающим увеличение асимметрии можно отнести: искажение формы синусоидального питающего напряжения, недостаточно высокую чувствительность нуль- органа, срабатывание которого определяет момент выдачи включающего импульса, недостаточно высокую крутизну переднего фронта включающих импульсов.

Общим для всех схем следствием асимметрии является то, что угол “b_min” при работе ТП в инверторном режиме должен выбираться с учетом этой асимметрии во избежание возможного опрокидывания инвертора.

В обычных нулевых и мостовых схемах преобразователей асимметрия управляющих импульсов приводит к различным длительностям пропускания тока отдельными вентилями. В результате этого:

· Наблюдается различие в средних токах вентилей;

· В кривых выпрямленного напряжения (U_d ) появляется переменная составляющая, частота которой меньше частоты пульсаций напряжения U_d . Как известно, частота основной гармоники в теоретической кривой выпрямленного напряжения в m_n раз выше частоты питающего напряжения (50 Гц). По частоте пульсаций выбираются сглаживающие и уравнительные реакторы в реверсивном тиристорном электроприводе. В результате асимметрии появляется переменная составляющая, наименьшая возможная частота которой равна частоте питающего напряжения. Это вынуждает увеличивать индуктивности сглаживающих и уравнительных реакторов;

· Имеет место подмагничивание трансформатора нескомпенсированными намагничивающими силами. Во избежание насыщения стали трансформатора приходится увеличивать сечение его стержней.

В литературе приводятся допустимые значения асимметрии. Так, для шестипульсного преобразователя асимметрия не должна превышать ±2°.

3. Крутизна переднего фронта включающих импульсов.

Разброс моментов включения определяется двумя факторами:

а) собственно асимметрией системы управления;

б) различием характеристик включения отдельных вентилей, что при конечных значениях крутизны переднего фронта управляющих импульсов также приводит к сдвигу моментов включения вентилей. Согласно литературе, крутизна не должна быть ниже 100в на градус.

4. Форма и длительность включающих импульсов.

Наиболее распространенная форма включающих импульсов- прямоугольная. Минимальная длительность импульсов определяется временем, необходимым для нарастания тока в анодной цепи до значения тока включения тиристора, который обычно в 2-3 раза превосходит ток удержания. Это время при активном характере нагрузки практически совпадает с временем включения тиристора, т.е. находится в диапазоне от единиц до нескольких десятков микросекунд.

Наличие индуктивности в анодной цепи может существенно увеличить минимально необходимую длительность импульса по сравнению со временем включения тиристора. В этом случае нижний предел продолжительности импульса определен промежутком времени, необходимым для того, чтобы ток анодной цепи успел нарасти до величины тока включения, при котором тиристор остается включенным и при отсутствии управляющего импульса.

Для обеспечения нормальной работы тиристоров в такой широко распространенной схеме как трехфазная мостовая, где постоянно ток проходит через два (в предположении мгновенной коммутации) вентиля, один из которых в катодной группе, а другой- в анодной, требуются либо широкие включающие импульсы, либо подача на каждый тиристор сдвоенных узких импульсов. Это объясняется тем, что при запуске схемы в работу или при работе в режиме прерывистого тока, необходимо, чтобы импульсы присутствовали одновременно на двух тиристорах из разных групп. Одновременное присутствие включающих импульсов на соответствующей паре тиристоров анодной и катодной групп может быть обеспечено, если длительность импульсов будет больше, чем t = T/6, где T- период переменного напряжения питания.

Но задача часто решается другим путем: подачей на каждый тиристор сдвоенных узких импульсов, первый из которых соответствует очередному включению тиристора, согласно порядку коммутации тиристоров в схеме, а другой- повторному (в момент включения очередного тиристора противоположной группы).

Основными недостатками управления широкими импульсами являются увеличение объема и массы импульсных трансформаторов в системе управления и увеличение потерь в тиристоре.

3.5.1.Классификация и принципы построения СИФУ.

СИФУ можно разделить на два класса:

1. Синхронные системы управления;

2. Асинхронные СИФУ.

В синхронных системах каждый управляющий импульс жестко привязан к синусоиде своей фазы. место импульса определяется координатой управления- углом a.

Угол управления (a ) есть угол, выраженный в электрических градусах, отсчитываемый от точки естественной коммутации двух коммутируемых фаз до момента включения тиристора последующей фазы.

В асинхронных СИФУ угол управления a в явном виде не связан с координатой wt сети. Он получается как результат регулирования интервалов между импульсами управления. Асинхронные СИФУ являются замкнутыми системами, обеспечивающими регулирование выпрямленного напряжения по требуемому закону. В них действует отрицательная обратная связь по выходному напряжению ТП, регулирующая интервалы между двумя соседними включающими импульсами.

Угол управления (a ) отсчитывается от предыдущего импульса.

wt_i = wt_i-1 + 2p/m_n + Q_i (U_У)

Рис 28

Величина Q_i определяет приращение угла a на интервале между двумя соседними управляющими импульсами. Система регулирования (рис 29) содержит аналоговую часть и дискретную, связывающую СИФУ и ТП.

В СИФУ асинхронной системы управления должно быть предусмотрено ограничение минимального и максимального значений угла a допустимыми величинами, что существенно усложняет систему. Это является основным ее недостатком. Главным достоинством системы является ее высокая помехоустойчивость. На ее работу не влияют искажения питающего напряжения, которые могут иметь место в сети переменного тока.

Рис 29

Асинхронные СИФУ находят в практике ограниченное применение.

В дальнейшем мы будем рассматривать только первый тип систем - синхронные СИФУ.

3.5.1.1.Принципы построения синхронных СИФУ.

Синхронные СИФУ делятся на два вида:

1. Многоканальные СИФУ;

2. Одноканальные СИФУ.

Канальность СИФУ связана с тем фактом, что система должна обеспечить управление несколькими полупроводниковыми приборами- тиристорами, включенными в разные фазы и на разную полярность напряжения сети. Канальность СИФУ также связана с тем, что из всех функций системы управления выделяют одну главную- функцию сдвига управляющих импульсов относительно фазы синусоидального питающего напряжения.

Фазовый сдвиг управляющих импульсов может быть реализован в одном фазосдвигающем устройстве и, после этого, сдвинутые на угол a импульсные сигналы распределяются по тиристорам силовой схемы ТП, пройдя, предварительно, усиление в выходных устройствах.

Такая система управления относится к одноканальным.

Если же управление тиристорами одного плеча моста, или одной фазы в нулевой схеме осуществляется автономно и не связано с управлением другими тиристорами, такие системы относятся к многоканальным.

Таким образом канал- это часть СИФУ, содержащая определяющий функциональный элемент- фазосдвигающее устройство.

В многоканальной СИФУ в каждом канале автономно определяется своя точка естественной коммутации между фазами, токи которых предстоит скоммутировать данным вентилем. Затем осуществляется фазовый сдвиг сигнала на угол a в своем отдельном фазосдвигающем устройстве.

На рис 30 изображена функциональная схема многоканальной СИФУ. В ней видно, что каждый канал имеет свое фазосдвигающее устройство, а число каналов должно быть равно числу плеч в мостовой схеме выпрямления. Синхронизирующее устройство посылает в СИФУ “n” синхронизирующих сигналов в моменты равенства ЭДС фаз, коммутация которых должна быть выполнена данным вентилем.

Рис 30

Кроме сигнала синхронизирующего устройства на вход всех ФСУ поступает аналоговый сигнал U_У , величина которого определяет угол задержки включения всех вентилей (a ). Угол a во всех ФСУ должен быть одинаков, поэтому и сигнал управления (U_У) на каждом канале один и тот же.

Рис 31

На рис 31 изображена функциональная схема одноканальной СИФУ. В отличие от многоканальной здесь фазовый сдвиг осуществляется одним фазосдвигающим устройством, выходной сигнал которого поступает на распределитель импульсов в виде кратковременного импульса, частота поступления которого- 50 Гц.

Распределитель импульсов выдает шесть сдвинутых по фазе на 60° импульсов, поступающих на выходные устройства, где эти импульсы усиливаются и поступают на управляющие электроды тиристоров. В течение одного периода переменного напряжения распределитель импульсов успевает выдать шесть импульсов на выходные устройства и т.о. завершается один цикл включения тиристоров. Как и в предыдущей схеме, величина угла управления “a” определяется величиной управляющего напряжения “U_У”, которое выдается входным устройством после сопоставления всех поступающих на него сигналов. Импульс на выходе ФСУ сдвинут на угол “a” относительно точки естественной коммутации, местоположение которой на оси wt определено импульсом “U_c”. Важным достоинством одноканальной СИФУ является высокая симметрия управляющих импульсов, которая достигается постоянством тактовой частоты распределителя импульсов (РП). Недостаток системы- ее сложность. Она связана с необходимостью обеспечения четкой работы распределителя импульсов.

Многоканальные системы, хотя содержат большее число элементов в функциональной схеме, тем не менее, реализуются проще одноканальных, поэтому при пульсности выше двух в ТП заводского изготовления используются, как правило, многоканальные СИФУ.

3.5.2. Основные узлы многоканальной СИФУ.