Реакторы для вентильного электропривода

В вентильном электроприводе реакторы выполняют следующие функции:

ограничивают скорость нарастания и величину аварийного тока через тиристор;

уменьшают зону прерывистых токов;

сглаживают пульсации выпрямленного тока.

В реверсивном вентильном электроприводе на реакторы может возлагаться функция ограничения уравнительных токов при совместном управлении вентильными группами.

Кроме того, в вентильном электроприводе реакторы могут выполнять дополнительные функции:

ограничение скорости нарастания аварийного тока при открывании инвертора;

ограничение тока через вентили в первый полупериод питающего напряжения при коротком замыкании на стороне выпрямленного тока.

Индуктивность реактора зависит от его назначения, силовой схемы преобразователя и расположения реакторов в схеме.

Выбор анодных реакторов.При бестрансформаторном исполнении преобразователя на стороне переменного тока включают реакторы, предназначенные для ограничения скорости нарастания и величины аварийного тока через тиристоры. Реакторы не должны уменьшать свою индуктивность при токах короткого замыкания [6], поэтому они выполняются воздушными без железного сердечника.

Величину индуктивности токоограничивающего реактора можно приближенно определить из выражения

, (2.23)

где – коэффициент запаса превышения допустимого ударного тока; – допустимый ударный ток тиристора согласно справочных данных, А.

Реактор выбирают на напряжение питающей сети и рассчитанный ток вторичной цепи по формуле (2.12):

. (2.24)

Расчет и выбор уравнительных реакторов.Уравнительные реакторы применяются только для реверсивных схем тиристорных преобразователей при совместном способе управления выпрямительной и инверторной группами вентилей для ограничения значения уравнительного тока. Подробное описание схем, режимов работы реверсивных тиристорных преобразователей и способов управления изложено в [1, 2, 4-6].

При совместном согласованном управлении вентильными комплектами требуемую индуктивность уравнительного контура определяют исходя из ограничения действующего значения уравнительного тока I_ур до 5–10 % от I_дв.ном, т. е.

, (2.25)

где – амплитудное значение фазного напряжения вторичной обмотки силового трансформатора для нулевых схем выпрямления; – амплитудное значение линейного напряжения вторичных обмоток силового трансформатора для мостовых схем; – угловая частота питающей сети; – принятое минимальное значение уравнительного тока; – коэффициент, характеризующий действующее значение уравнительного тока (определяется в зависимости от угла управления и схемы реверсивного выпрямителя, при согласованном управлении наибольшего значения достигает при и составляет для трехфазной нулевой и трехфазной мостовой встречно-параллельной схемы ; для трехфазной мостовой перекрестной и шестифазной нулевой ) [5].

Индуктивность уравнительных реакторов, необходимая для ограничения уравнительного тока на заданном уровне:

. (2.26)

Токоограничивающие реакторы включают в контр уравнительного тока по одному или по два на группу (рис. 2.2). Уравнительные реакторы могут выполняться ненасыщающимися (с воздушным зазором) насыщающимися
и частично насыщающимися.

При использовании ненасыщающихся уравнительных реакторов в схемах выпрямителей (рис. 2.2, а, б) устанавливают два одинаковых уравнительных реактора (по одному на каждое направление тока двигателя), индуктивность каждого из которых выбирают равной

. (2.27)

С целью уменьшения габаритов уравнительных реакторов их выполняют частично либо полностью насыщающимися. Индуктивность каждого полностью насыщающегося уравнительного реактора, по которому течет рабочий ток реактора, равна практически нулю (уравнительный реактор в режиме насыщения), а все напряжение прикладывается ко второму уравнительному реактору (рис. 2.2, в), следовательно, ограничение будет осуществляться вторым уравнительным реактором:

. (2.28)

Для частично насыщающихся уравнительных реакторов индуктивность каждого выбирают равной

. (2.29)

Для снижения габаритов уравнительных реакторов можно использовать два способа:

применять несогласованное управление группами вентилей преобразователя;

увеличивать принимаемое значение уравнительного тока до 0,2I_d
в случае достаточного запаса по току тиристоров.

При раздельном управлении комплектами вентилей преобразователя уравнительный реактор не используется.

Ток, протекающий через уравнительный реактор, равен сумме токов нагрузки и уравнительного тока

. (2.30)

Уравнительные реакторы выбирают по требуемым значениям индуктивности и тока:

, (2.31)

где и – номинальные индуктивность и ток реактора.

Реактор для ограничения зоны прерывистых токов.Для получения гранично-непрерывного режима при заданном максимальном значении угла регулирования в цепь выпрямленного тока необходимо включить индуктивность , значение которой можно определить исходя из требуемой индуктивности

, (2.32)

где – требуемый непрерывный минимальный ток двигателя, обычно I_{d гр}=0,1I_{d ном.}; – число пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения питающей сети.

Максимальное значение угла управления исходя из требований обеспечения минимальной угловой скорости:

. (2.33)

Минимальное значение ЭДС преобразователя, соответствующее значению при :

, (2.34)

где – минимальная угловая скорость двигателя, с^–1; Д – диапазон регулирования угловой скорости двигателя; _. – активное сопротивление шунта и его коэффициент передачи ( ), Ом; – падение напряжения на шунте при токе _., обычно ; I_ш.ном – номинальный ток шунта, А; – активное сопротивление реакторов в якорной цепи, Ом. Если реактор еще не выбран, то его активное сопротивление можно определить приближенно по формуле

. (2.35)

После выбора реактора из ряда стандартных следует уточнить его активное сопротивление и пересчитать угол управления .

Необходимая индуктивность ограничивающего реактора, Гн:

. (2.36)

При бестрансформаторном преобразователе вместо индуктивности силового трансформатора , приведенной к цепи выпрямленного тока, используется индуктивность анодного реактора _. Индуктивность уравнительного реактора – учитывается только в реверсивных схемах с совместным управлением группами тиристоров. Если , то реактор в системе электропривода не нужен.

Реактор, ограничивающий зону прерывистых токов, выбирают по требуемым значениям:

. (2.37)

Расчет индуктивности и выбор сглаживающего реактора.Пульсации выпрямленного напряжения приводят к пульсациям выпрямленного тока, которые ухудшают коммутацию двигателя и увеличивают его нагрев. Величина пульсации тока зависит от схемы выпрямления, угла управления и индуктивности контура нагрузки. Амплитудные значения гармонических составляющих выпрямленной ЭДС связаны с его средним значением и углом регулирования преобразователя следующим выражением:

, (2.38)

где – число пульсаций выпрямленной ЭДС для первой гармоники за период напряжения питающей сети (для трехфазной нулевой схемы , для трехфазной мостовой схемы ); – кратность гармоники.

Амплитуды гармоник более высокой кратности значительно меньше, а действие реактора на них эффективнее, поэтому расчет индуктивности дросселя ведется только по основной гармонике. Относительная величина действующего значения первой гармоники согласно формуле (2.38):

, (2.39)

где – максимальный угол управления преобразователя, рассчитанный для минимальной угловой частоты вращения двигателя.

Действующее значение основной гармоники должно быть [6] в пределах 2–15 % номинального тока в зависимости от мощности, диапазона регулирования угловой частоты вращения двигателя и допустимого снижения зоны темной коммутации. Обычно для компенсированных электродвигателей допустимый уровень пульсации тока якоря i_п составляет 2 % от номинального, для некомпенсированных – 5–7 %, для машин малой мощности – до 15 %.

При известном амплитудном значении основной гармоники и допустимому действующему значению основной гармоники тока необходимая индуктивность цепи выпрямленного тока может быть определена по формуле, Гн:

. (2.40)

Требуемая индуктивность сглаживающего реактора, Гн:

, (2.41)

где – индуктивность уравнительного реактора, учитывается только для реверсивных схем преобразователя с совместным управлением группами тиристоров.

Если , то сглаживающий реактор не нужен.

Сглаживающий реактор выбирают по требуемым значениям индуктивности и тока:

. (2.42)

Окончательный выбор реакторов на стороне выпрямленного тока производят по максимальной величине или .

2.3. Определение расчетных параметров силовой цепи
«тиристорный преобразователь – двигатель»

Расчетное сопротивление якорной цепи системы ТП – ДПТ, Ом,

, (2.43)

где – активное сопротивление якорной цепи двигателя (2.1); – активное сопротивление преобразователя (2.22); – активное сопротивление токового шунта (2.34); – активные сопротивления уравнительного (при его наличии) и сглаживающего реакторов.

Активные сопротивления реакторов могут быть определены через потери в меди обмотки реактора от номинального тока реактора, т. е. . При отсутствии паспортных данных на реактор можно приближенно принять по формуле (2.35) или

. (2.44)

Расчетная индуктивность якорной цепи системы ТП – Д, Гн:

, (2.45)

где – индуктивность якорной цепи двигателя (2.3); – индуктивность трансформатора (2.17); – индуктивность уравнительного (2.31) и сглаживающего (2.42) реакторов.

После определения параметров силовой цепи системы ТП – Д необходимо проверить правильность предварительного расчета фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора с учетом полученных значений сопротивлений элементов силовой цепи. То есть необходимо оценить, обеспечивает ли выбранный трансформатор требуемый режим привода при максимальной скорости и максимальном токе якоря, равным току отсечки .

Такую оценку можно произвести на основе уравнения для якорной цепи двигателя:

, (2.46)

где для нереверсивного привода и для реверсивного; R_я.ц – определено выражением (2.43); K_U – приведены в табл. 2.1.

Из формулы (2.46) определим

. (2.47)

Если , то выбранный трансформатор обеспечивает максимальный режим работы электропривода. В противном случае следует выбрать другой трансформатор повышенной мощности и повторить необходимые расчеты.

3. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ
И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
В РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ТП – Д

3.1. Расчет регулировочных характеристик
тиристорного преобразователя

Функциональная схема тиристорного преобразователя изображена на рис. 3.1.

ТП включает в себя управляемый выпрямитель UZ, систему импульсно-фазового управления (СИФУ) UA, силовой трансформатор Т (возможно и бестрансформаторное питание), УР и СР, представленные одной индуктивностью L.

Рис. 3.1. Функциональная схема тиристорного преобразователя

Входным сигналом ТП является [7] напряжение управления , а выходным – ЭДС преобразователя . Регулировочная характеристика ТП представляет собой зависимость , которую можно представить в виде

, (3.1)

где – коэффициент усиления ТП, в общем случае величина нелинейная .

Зависимость определяется формой опорного напряжения СИФУ. Регулировочную характеристику ТП для схем, приведенных
в табл. 2.1, рассчитывают для режима непрерывных токов по [7, 8]:

, (3.2)

где – максимальное значение ЭДС преобразователя при угле регулирования .

В соответствии с табл. 2.1

, (3.3)

где – действующее значение вторичной фазной ЭДС трансформатора.

Закон изменения угла от зависит от формы опорного напряжения СИФУ. Наибольшее распространение получили СИФУ с косинусоидальным и пилообразным опорными напряжениями.

Рис. 3.2. Формирование импульсов в СИФУ с опорным напряжением в виде пилы

Рис. 3.3. Формирование импульсов в СИФУ с опорным напряжением в виде косинусоиды

На рис. 3.2 и 3.3 показан процесс напряжения на аноде соответствующего тиристора. Для реверсивных ТП знакопеременное и, соответственно, рабочим участком является как положительная, так и отрицательная часть .

Для пилообразного (рис. 3.2) справедливо

, (3.4)

откуда

. (3.5)

Аналогично для косинусоидального (рис. 3.3):

, (3.6)

тогда

. (3.7)

Таким образом, при пилообразной форме регулировочная характеристика ТП нелинейная и имеет вид, изображенный на рис. 3.4. Для косинусоидального регулировочная характеристика носит линейный характер и не зависит от (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Регулировочные характеристики тиристорного преобразователя

с пилообразным опорным напряжением

Зависимость от напряжения в случае пилообразного является недостатком такого типа СИФУ, поэтому при необходимости линеаризуют зависимость включением на входе СИФУ усилителя с нелинейной
амплитудной характеристикой вида . В этом случае
регулировочные характеристики ТП будут совпадать с характеристиками,
показанными на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Регулировочные характеристики тиристорного преобразователя

с синусоидальным опорным напряжением

В наиболее качественных СИФУ используются косинусоидальные опорные напряжения.