Тиристорный преобразователь постоянного тока

Выбор комплектного тиристорного преобразователя. Основные технические данные для выбора ТП: номинальная мощность ; номинальный ток ; номинальное напряжение U_ном; схема выпрямления. При выборе ТП представляет интерес его перегрузочная способность по току . В ГОСТе 18142–80 определена следующая перегрузочная способность: при в течение 60 с; при в течение 15 с; в течении 10 с.

При выборе ТП его показатели должны быть согласованы с номинальными данными электродвигателя. При завышенном выходном напряжении ТП имеет более низкие энергетические показатели (cosφ), а недостаточное напряжение приводит к снижению производительности машины, ухудшению динамических показателей. Если ТП выбирают по напряжению, следует учитывать необходимость обеспечения максимальной скорости при максимально допустимом токе, требуемые форсировки в динамике, а также предусматривать запас на случай возможного снижения напряжения сети. При расчете необходимого выходного напряжения ТП следует предусматривать [4] увеличение сопротивления якорной цепи двигателя:

, (2.5)

где n – число обмоток трансформатора, одновременно обтекаемых током (зависит от схемы выпрямления); – пульсность системы; – сопротивление двигателя (2.1) в нагретом состоянии; – сопротивление сглаживающего реактора; – активное и индуктивное сопротивления обмоток трансформатора, приведенные к цепи выпрямленного тока и определяемые по данным опыта короткого замыкания трансформатора [4]:

(2.6)

(2.7)

, (2.8)

где – мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания; – номинальный ток первичной обмотки трансформатора; – число фаз трансформатора; – коэффициент трансформации; U_кз – напряжение короткого замыкания трансформатора, %; U_1ф.ном – номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора.

Выбор ТП с номинальным током, значительно превышающим номинальный ток двигателя, приводит к удорожанию установки, а также завышению токов короткого замыкания, что при аварии приводит к более тяжким последствиям. Выбор ТП с заниженным номинальным током приводит к периодическому выгоранию тиристоров или к частому срабатыванию максимально-токовой или тепловой защиты.

С ростом температуры окружающей среды до 50 номинальную нагрузку ТП снижают [4] примерно на 6 %, до 60 – на 18 %. При установке ТП на высоте 1000 м и более над уровнем моря номинальную нагрузку также рекомендуется снижать, а на высоте 4000 м уменьшение нагрузки достигает 30 %.

Расчет тиристорного преобразователя. Силовой трансформатор
необходим для согласования напряжения сети и выходного напряжения преобразователя, а также гальванического разделения цепи нагрузки и сети, уменьшения скорости нарастания прямого тока тиристоров и ограничения тока короткого замыкания.

Некоторые типы комплектных тиристорных преобразователей выпускают без силовых трансформаторов. Если линейные напряжения преобразователя и сети не равны друг другу, то силовой трансформатор необходимо выбирать.

Выбор силового трансформатора обусловливается в первую очередь выбранной схемой тиристорного преобразователя и типом привода – реверсивный (Р), нереверсивный (НР). При мощности двигателя Р_н до 1кВт следует применять [6] однофазную мостовую схему выпрямления (рис. 2.1, а), при Р_н до 10 кВт – трехфазный выпрямитель по нулевой схеме (рис. 2.1, б), при Р_н свыше 10 кВт – трехфазный выпрямитель по мостовой схеме (рис. 2.1, в).

Трехфазные схемы выпрямления обладают по сравнению с однофазными такими преимуществами, как меньшая величина высших гармоник в кривых выпрямленного напряжения и тока, хорошее использование трансформатора и вентилей, симметричная нагрузка фаз питающей сети, более жесткая внешняя характеристика.

Для тиристорных преобразователей наиболее перспективна трехфазная мостовая схема по сравнению с трехфазной нулевой, так как она обеспечивает хорошее использование типовой мощности трансформатора, более жесткую внешнюю характеристику, более высокий коэффициент мощности, меньшие пульсации и обратные напряжения, меньшую зону прерывистых токов. Кроме того, трехфазная мостовая схема дает возможность перехода к бестрансформаторной схеме с двигателем 440 В. Трехфазные мостовые схемы рекомендуется применять при мощности нагрузки до 3000 кВт, при этом для мощных установок мостовые схемы могут соединяться последовательно или параллельно. Для питания нагрузки большей мощности применяют схемы «две обратные звезды» с уравнительным реактором, мостовые с уравнительным реактором.

Рис. 2.1. Схемы нереверсивных вентильных преобразователей: а – однофазная мостовая симметричная; б – трехфазная нулевая; в – трехфазная мостовая симметричная

Реверсирование в электроприводах постоянного тока независимого возбуждения, как правило, обеспечивается изменением полярности напряжения якоря в связи с неудовлетворительными регулировочными свойствами привода при изменении полярности напряжения возбуждения. В реверсивных приводах с малым быстродействием применяют однокомплектные вентильные преобразователи с реверсором (контактным или бесконтактным) в цепи якоря. Если требуется высокое быстродействие, для построения реверсивного преобразователя используют две группы вентилей с противопараллельным включением.

Схемы реверсивных тиристорных преобразователей [6] приведены на рис. 2.2. Наибольшее распространение в реверсивных двухкомплектных преобразователях получила встречно-параллельная схема соединения групп вентилей (рис. 2.2, а, в, г), так как в ней используется более простой двухобмоточный трансформатор, кроме того, она допускает применение бестрансформаторного питания вентильных групп (І и ІІ) непосредственно от сети переменного тока через анодные реакторы, что экономически эффективно.
В перекрестной схеме (рис. 2.2, б, д) обязательным является трансформатор
с двумя комплектами вторичных обмоток (трехобмоточный трансформатор), что ведет к усложнению конструкции, увеличению габаритной мощности
и удорожанию трансформаторов.

Рис. 2.2. Схемы реверсивных преобразователей: а – трехфазная нулевая встречно-параллельная; б – трехфазная нулевая перекрестная; в – встречно-параллельная с четырьмя насыщающимися токоограничивающими реакторами; г – встречно-параллельная с двумя ненасыщающимися токоограничивающими реакторами; д – перекрестная с двумя токоограничивающими реакторами

Рис. 2.2. Окончание

Исходными данными для расчета силового трансформатора являются: номинальное напряжение питающей сети U_c, номинальный ток двигателя I_дв.ном и номинальное напряжение двигателя U_дв.ном. При этом трансформатор рассчитывается исходя из условия, что на выходе выпрямителя, питаемого от трансформатора,

.

Трансформатор выбирают по расчетным значениям типовой мощности S_тр и ЭДС фазы вторичной обмотки Е_2ф. Расчетное значение Е_2ф при работе на якорь двигателя в зоне непрерывных токов с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой цепи

, (2.9)

где – расчетный коэффициент, характеризующий соотношение для идеального выпрямителя (табл. 2.1); – ЭДС вентильного преобразователя при угле управления ; – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети до 10 % ( ); – коэффициент запаса по напряжению для реверсивных преобразователей с совместным управлением группами, учитывающий неполное открытие тиристоров инверторной группы при максимальном управляющем сигнале; – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, вентилях и коммутационные провалы напряжения. При неизвестных на первом этапе параметрах трансформатора допустимо принимать без расчета указанных падений напряжений.

Если в результате расчета окажется, что выполняется условие

, (2.10)

то при использовании трехфазной мостовой схемы выпрямления силовой трансформатор не требуется, так как силовой мост подключается через токоограничивающие реакторы непосредственно к трехфазной питающей сети.

Таблица 2.1

Значения расчетных коэффициентов

Схема выпрямления	Коэффициент
Однофазная мостовая	1,11	0,707	1,11	1,57
Трехфазная нулевая	0,855	0,585	1,35	2,09
Трехфазная мостовая	0,427	0,817	1,05	1,05
Шестифазная нулевая	0,741	0,41	1,55	2,09
Трехфазная с уравнительным реактором	0,855	0,29	1,25	2,09

Расчетная типовая мощность силового трансформатора, кВ×А:

, (2.11)

где – коэффициент, характеризующий соотношение мощностей для идеального выпрямителя (табл. 2.1); – коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной (по экспериментальным данным [4].

Расчетное значение тока вторичной обмотки:

, (2.12)

где – коэффициент, характеризующий отношение токов в идеальном выпрямителе (табл. 2.1).

По полученному значению расчетной мощности выбирают силовой трансформатор. При этом должны быть соблюдены следующие условия:

.

Рассчитывают также коэффициент трансформации К_ТР, необходимый для последующих расчетов:

(2.13)

где W₁ и W₂ – число витков соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Действующее значение линейного тока первичной обмотки силового трансформатора

(2.14)

Индуктивность фазы вторичной обмотки

, (2.15)

где f – частота питающей сети.

Значения активного сопротивления (2.6) и индуктивности трансформатора (2.15), приведенные к цепи выпрямленного тока, находят по формулам:

(2.16)

(2.17)

где n – число обмоток трансформатора, обтекаемых рабочим током.

Расчет и выбор силовых тиристоров. В некоторых случаях возникает необходимость в расчете тиристоров. Их выбирают по допустимым значениям тока и напряжения, учитывая способ и эффективность охлаждения.

Выбор тиристоров производят по предельным значениям тока, протекающего через вентиль, с учетом отличия формы тока от полусинусоиды.
В паспортных данных на силовые вентили (диоды и тиристоры) указывают максимально допустимое среднее за период значение тока, длительно протекающего через вентиль. Оно определяется по классификационной однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока, углу проводимости λ = 180° и максимально допустимой температуре полупроводниковой структуры.

В тиристорных преобразователях, работающих на якорь двигателя либо на обмотку возбуждения, форма тока обычно отличается от синусоидальной и угол проводимости от 180° (как это оговорено для классификационной схемы). Поэтому для применения известных классификационных параметров вентилей, приводимых в справочной литературе, при выборе вентилей, работающих в отличных от классификационных режимах, необходимо использовать пересчетные формулы. Подробно эти вопросы изложены в [5], поэтому здесь приводится конечное выражение для определения среднего тока через вентиль

, (2.18)

где – коэффициент запаса по току, учитывающий пусковой ток двигателя: для двигателей серии П; для двигателей серии 2П;
– число фаз силового трансформатора; – коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При скорости охлаждающего воздуха м/с принимают , при V = 6 м/с – ,
а при естественном охлаждении со стандартным радиатором V = 0 м/с – .

Номинальный ток тиристора должен удовлетворять условию

. (2.19)

Расчетное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к вентилю:

, (2.20)

где K_зU – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы, обусловленные процессами коммутации вентилей ( ); – коэффици-ент, равный отношению для принятой схемы выпрямления (табл. 2.1); , – соответственно фазная и линейная ЭДС трансформатора.

Величина рабочего напряжения тиристора должна удовлетворять условию:

. (2.21)

Класс тиристора, характеризующий величину рабочего напряжения, определяют делением на 100.

Определение расчетных параметров силовой цепи тиристорного преобразователя. Активное сопротивление тиристорного преобразователя, Ом,

, (2.22)

где – активное сопротивление обмоток трансформатора (2.16), обтекаемых рабочим током и приведенных к цепи выпрямленного тока; – активное сопротивление, характеризующее коммутационное падение напряжения за счет перекрытия анодных токов; – динамическое сопротивление одного тиристора (или берется из справочных данных); U_ПТ – прямое падение напряжения на тиристоре при прохождении через него номинального тока; в – число тиристоров, включенных последовательно в цепи выпрямления тока.