Управляемые выпрямители

На практике часто требуется стабилизация выходного напряжения либо регулирование его в широких пределах. Для необходимого в этих случаях изменения величины выпрямленного напряжения используют ряд технических решений, основными из которых следует считать:

- изменение напряжения на выходе выпрямителя с помощью регулятора переменного напряжения (автотрансформатора, дросселя насыщения, тиристорного регулятора);

- регулирование выпрямленного напряжения с помощью регуляторов постоянного напряжения;

- регулирование выпрямленного напряжения за счет применения выпрямителей на управляемых вентилях (управляемых выпрямителей).

Применение управляемых выпрямителей позволяет уменьшить габариты и стоимость преобразователей по сравнению со схемами, использующими автотрансформаторы и дроссели насыщения. Наибольшее применение в качестве управляемых вентилей нашли тиристоры.

Однофазный у п р а в л я е м ы й в ы п р я м и т ель. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя приведена на рис. 9.3 а. Работа управляемого выпрямителя во многом зависит от характера нагрузки.

V1 i0

Рис. 9.3. Схема однофазного

двухполупериодного управляемого

выпрямителя (а), токи и напряжения на элементах схемы при работе на активную (б, в) и активно-индуктивную (г, д) нагрузки

Рассмотрим работу схемы на активную нагрузку (L_H = 0). Использование в схеме выпрямителя управляемых вентилей позволяет задерживать начало прохождения тока через очередной, вступающий в работу, вентиль по отношению к моменту его естественного отпирания. Если на управляющий электрод вентиля V1 в момент t = 0 подать отпирающий импульс, то вентиль V1 включится с некоторой задержкой. Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного включения вентиля, выраженный в электрических градусах, называется углом управления и обычно обозначается буквой α. В результате в интервале 0 – ωtнапряжениена сопротивлении R_Нбудет равно нулю (оба вентиля в закрытом состоянии). В момент включения вентиля V1напряжение на нагрузке cкачком возрастет и далее будет изменяться по синусоиде фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. В момент перехода напряжения через нуль оно сменит знак, и тиристор выключится. Через отрезок времени, в который угол управления станет равным α , включится второй тиристор, но при снижении напряжения до нуля он выключится. Далее процессы будут повторяться.

Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой показана на рис. 9.4, а. Кривые выпрямленного напряжения для режима работы схемы на активную нагрузку при двух различных углах управления показаны на рис. 9.4, би в .

Нетрудно заметить, что имеются две характерные области управления.

а V1 _б

ω

t

U

н

U

а

U

в

U

с

U

а

π/6

ω

t

U

н

π/6

U

а

U

в

U

с

U

а

α

α

г

д U_н

ω

t

U

обр

π/

α

π/

π/6

Рис.9.4. Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой (а) и кривые напряжения на элементах схемы (б–д)

Первая находится в диапазоне углов π/6 > α > 0 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока, а вторая начинается при углах α > π/6, причем в кривой выпрямленного тока в этом случае возникают паузы, в течение которых мгновенное значение

выпрямленного тока равно нулю. Среднее выпрямленное напряжение в первой области регулирования.

 α

UHα   2U21sinωtdωt U0 cosα. (9.4)

 α Каждый вентиль работает в этом случае треть периода.

Во второй области регулирования ток через вентиль обрывается при прохождении мгновенного выпрямленного напряжения через нуль. Длительность прохождения тока через вентиль меньше λ и равна 2π/3, так как λ = π – α – π⁄6.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае определяется следующей формулой:



3    cos( )



Un  2 2U21sintdt U0 . (9.5)

6  

Как видно из последней формулы, предельным углом управления является угол α =150°.

Среднее выпрямленное напряжение для режима работы со сглаженным выпрямленным током

 α

UHα   2U21sinωtdωt U0 cosωt. (9.6)

 α

Предельный угол управления α = 90°. На рис. 9.4, д показано изменение напряжения на вентиле для угла управления α = π/3.

Максимальное обратное напряжение на вентиле U_обр =2,45U₂₁

Максимальное прямое напряжение на вентиле U_пр.мах =U₂₁sinα.

Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителяприведена на рис. 9.5, а.

Вследствие некоторой специфики работы системы управления вентилями трехфазной управляемой мостовой схемы при работе на активную нагрузку целесообразно рассмотреть режим работы при L_н = 0.

ωt

Рис. 9.5. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель (а), кривые фазного (б) и выпрямленного (в) напряжений при работе на активную нагрузку

На рис. 9.5, б и в изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые выпрямленного напряжения схемы для трех значений угла управления α. Следует отметить, что для работы мостовой схемы необходимо подавать на вентили управляющие импульсы длительностью больше 60° или сдвоенные импульсы. Причина такого требования становится ясной из рассмотрения принципа работы схемы. В случае использования одиночных импульсов с длительностью меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два вентиля в анодной и катодной группах. Кроме того, как видно из рис. 9.5, б при углах управления α > 60° при активной нагрузке в кривой выпрямленного напряжения появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной, вступающий в работу, вентиль подавать повторный управляющий импульс на соответствующий вентиль в противоположном плече или же использовать импульсы с длительностью больше 60°.

Кривая выпрямленного напряжения (рис. 9.5, в) в диапазоне изменения угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления α > 60° ток нагрузки становится прерывистым.

Для режима I: U_Нα=U₀соs α.

Для режима II: U_Нα = U₀[1+ сos(π/3+ α)]. (см. рис. 9.5, в)

Предельным углом регулирования является в этом случае угол α_п=120°.

Наибольший интерес представляет режим работы схемы со сглаженным током (L_Н=∞). В этом случае ток нагрузки непрерывен во всём диапазоне управления. На рис. 9.6, а и б показаны характер изменения выпрямленного напряжения и токов. Токи вентилей V1, V2, V3 показаны условно выше нулевой линии, а токи вентилей V4, V5, V6 ниже.

ω

t

ω

t

ω

t

ω

t

ω

t

U

i

i

i

i

i

i

α

α

ω

t

U

н

π

π

π

Рис. 9.6. Кривые фазного (а) и выпрямленного (б) напряжения

На интервале от t₁ до t₂ включен вентиль V1(см. рис. 9.6, а). Потенциал катода вентиля по отношению к нулевой точке изменяется по синусоиде фазного напряжения U_α, причем в начале интервала он положителен, а в конце отрицателен. В момент t₂включается вентиль V2и ток переходит на него. В интервале t₂-t₃ ток нагрузки проходит через вентиль VЗ. В момент t₃вступает в работу вентиль V3и работает до момента t₄. Среднее выпрямленное напряжение для всего диапазона управления U_Hα = U₀cosα. Угол регулирования 90°.

Данная схема выпрямления является наиболее распространенной, так как позволяет обходиться без трансформатора и имеет по сравнению с трехфазной нулевой схемой (см. рис. 9.6, а и б) вдвое большую частоту пульсаций. Недостатками схемы являются большое число управляемых вентилей и сложность системы управления, в частности, из-за необходимости изолировать цепи управления вентилей анодной группы.

На практике находит применение схема выпрямителя с несимметричным управлением (или «полууправляемая» мостовая схема), в которой управление осуществляется только вентилями катодной группы, а в анодную группу установлены неуправляемые вентили.

Среднее значение выпрямленного напряжения схемы с несимметричным управлением

U_нα U₀ ^. (9.7)

Следовательно, диапазон изменения угла регулирования при несимметричном управлении увеличился до 180°.

Тиристорные преобразователи (ТП) для двигателей постоянного тока (Д.П.Т.). выпускаются многими фирмами во всех странах. Наиболее совершенны ТП фирмы Siemens, которые выпускаются на ток от 15 до 2000 А, комплектно для цепи якоря и возбуждения. Якорный контур выполняют по управляемой схеме. Если требуется реверсивный ТП, то используют двухмостовые схемы. Питание ТП производится от трёхфазной сети 0,4; 0,6 кВ. Контур возбуждения выполняют по полууправляемой мостовой схеме питаемой от сети 220/380 В.

При управлении и регулировании также играют роль и вспомогательные функции, выполняемые микропроцессорной системой. Ввод заданий, режимов работы может производиться в цифровом и аналоговом виде.

Панель управления бывает двух типов – простая и комфортная. Простая содержит пятиразрядный семизначный код, светодиоды состояния и кнопки ввода параметров, кнопки вверх, вниз, светодиоды готов, работа, сбой. Комфортные содержат жидко-кристалический дисплей 4*16; два светодиода зелёный и красный; цифровые кнопки от 0 до 9 и кнопки выбора параметров: вверх, вниз, реверс, запуск, сброс.

Предусмотрено управление через ПК, подключаемый к преобразователю через интерфейс (RS232; 485). Предусмотрены для ПК функции управления и ввод задания, наблюдение за работой и считывание текущих параметров, чтение сообщений об ошибках и предупреждениях, вывод параметров на печать и др.. Параметры ТП типа Simoreg фирмы Siemens приведены в приложении 1.

Функции регулирования в якорном контуре. Скорость двигателя задаётся через: аналоговый сигнал U = 0/10 В или I = 0/20 mА; встроенный потенциометр; последовательный интерфейс; дополнительный модуль. Контроль скорости идёт через: тахометр с U = 8/250 В; импульсный датчик с амплитудой импульсов 5/15 В; работа без тахометра, контролем э. д. с.ДПТ. Функциональная схема ТП для питания якорной цепи приведена на рис. 9.7.

Рис.9.7. Функциональная схема ТП для ДПТ

Функции регулирования в контуре возбуждения. Регулятор ТП сравнивает текущие значения U и э. д. с. двигателя и вырабатывает задание для регулирования тока возбуждения.

В схеме ТП приведенной на рис. 9.7. управление напряжением на двигателе осуществляет микропроцессор МК в соответствии с заданием, программой и сигналами ОС по току, скорости и э. д. с. двигателя. Микропроцессорный контроллер управляет тиристорным выпрямителем UZ, выполненным по схеме Ларионова; пульсации напряжения фильтруются LC фильтром. Тиристорный преобразователь имеет несколько дискретных входов и выходов для цепей защиты и дискретных нагрузок.

Преобразователь дополнительно регулирует: температуру ДПТ; длину щёток; поток воздуха через вентилятор двигателя.

На панели выхода, кроме выходов интерфейса, есть два дискретных выхода для реле, три аналоговых выхода для вольтметра. Тиристорные преобразователи с параметрами, близкими к рассмотренным, выпускаются многими предприятиями России и других стран в виде отдельных агрегатов для питания цепей якоря и обмотки возбуждения, и комплектные (оба преобразователя в одном корпусе).

Параметры комплектных тиристорных преобразователей серии КТЭ, выпускаемых ОАО «Уралэлектротяжмаш», приведены в приложении 2. Тиристорные преобразователи серии ТП4, ТЕ4, ТПР4, выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель», приведены в приложении 3, а параметры ТП фирмы» АВВ» в приложении 4.