Электрооборудование промышленности (стр. 6 )

Рис. 2.10. Влияние эффекта коммутации на токи и напряжения в выпрямителе: а – эквивалентная схема, б и в – диаграммы токов и напряжений.

 

3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ.

3.1 Тиристоры в управляемых выпрямителях.

В промышленном и транспортном электроприводе, в мощных электротермических и электротехнологических установках находят применение управляемые выпрямители (УВ), в которых в отличие от неуправляемых выпрямителей, имеется возможность изменения и регулирования параметров выходной энергии (напряжения, тока). Регулирование их выходного напряжения может выполняться различными способами: с помощью регулируемых трансформаторов, с помощью резистивных или емкостных делителей и с помощью управляемых вентилей – тиристоров. Последний способ в настоящее время используется наиболее широко.

Тиристоры – это управляемые полупроводниковые приборы диодного типа (рис.3.1), имеющие три p-n перехода. Крайняя P-область называется анодом, другая крайняя N-область – катодом, а вывод от одной из центральных областей называется управляющим электродом (УЭ). В зависимости от расположения УЭ тиристоры делятся на приборы с катодным управлением (рис. 3.1 а) и приборы с анодным управлением (рис. 3.1 в). ВАХ тиристора (рис. 3.2) отличается от ВАХ диода только в области прямых напряжений тем, что тиристор включается в проводящее состояние подачей тока Iу на управляющий электрод. Включение тиристоров в УВ «по аноду» подачей напряжения U>Uвкл нежелательно из-за возможного повреждения прибора. После включения УЭ теряет управляющие свойства и, следовательно, не в состоянии выключить прибор. Для выключения тиристора необходимо либо понизить ток до значения I<Iуд (рис.3.2) или поменять полярность напряжений на аноде (рис.3.1.3). В УВ полярность этого напряжения меняется периодически с частотой питающей сети, что обеспечивает так называемое естественное запирание тиристоров.

Следует отметить, что тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление, называемое «эффектом dU/dt», ограничивает допустимую скорость нарастания прямого напряжения значениями 20…100В/мкс. Другими параметрами тиристоров являются:

- допустимое прямое Uвкл и обратное Uобр. доп. напряжения (рис.3.2), составляющие для разных типов тиристоров от 100 до 6000 В;

- допустимый средний прямой ток Iпр. доп (у мощных тиристоров до 2000А);

- амплитуда Iу, длительность tиу и скорость нарастания dIу/dt импульса тока управления;

- времена включения tвкл и выключения tвыкл.

У современных тиристоров tвкл составляет единицы мкс, а tвыкл колеблется от 20 до 500мкс. Заметим, что только спустя tвыкл к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение Uпр, иначе прибор самопроизвольно включа-

ется. Эквивалентная схема тиристора в области прямых напряжений не отличается от диодной (см. раздел 2.4), а статическая мощность потерь определяется по формуле (2.18) с учетом (2.15) и (2.16).

Для расчета мощности коммутационных потерь справедливо соотношение

, (3.1)

где UK, IK – коммутируемые напряжения и токи; TK – период коммутации.

Помимо основного типа тиристоров отечественные и зарубежные изготовители выпускают ряд разновидностей.

Симистор – это симметричный тиристор (рис. 3.4,а, б,в), предназначенный для коммутации в цепях переменного тока и заменяет собой цепь из двух встречно параллельно включенных тиристоров с общим электродом управления. Так симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10А при напряжении до 400В.

Запираемые (двухоперационные) тиристоры (рис. 3.4,г) позволяют отключать анодный ток подачей отрицательного импульса на управляющий электрод. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса. Применение запираемых тиристоров в силовой электронике становится все более широким в диапазоне токов до 200А и напряжений до 1000В.

Фототиристоры и фотосимисторы (рис. 3.1.5,а) – это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением, в которых УЭ заменен инфракрасным светодиодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. Они также могут использоваться для управления более мощными тиристорами или симисторами. Малое потребление цепи управления позволяет включать подобные приборы к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ (рис. 3.5 б) для цифрового регулирования тока в нагрузке RН, мощностью до 60 Вт, подключенной к сети переменного тока.

3.2 Структурная схема и принцип действия

управляемого выпрямителя.

Структурная схема УВ (рис. 3.6 а) отличается от структурной схемы неуправляемого выпрямителя (рис. 2.1) тем, что блок неуправляемых вентилей ВБ заменен на регулируемый вентильный блок (РВБ) и введена система управления (СУ), синхронизируемая напряжением сети.

Регулирование выпрямленного напряжения U0,a при помощи тиристоров основано на сдвиге момента включения управляемого вентиля по сравнению с началом работы неуправляемого вентиля (рис. 3.6 в). Соответствующий этому сдвигу угол называют углом включения a. Очевидно, что a можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения u1, т. е. 0≤α≤p. При этом, если тиристор включается при a=180°, то напряжение U0,a=0. Такой способ регулирования называется фазо-импульсным.

Способность УВ изменять выпрямленное напряжение оценивают по его регулировочной характеристике, представляющей собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U0,α от угла включения.

Для общности результатов регулировочную характеристику U0,α=f(α) часто представляют в нормированном виде

, (3.2)

где - напряжение при угле включения, равном нулю (m2 ³ 2). Вид регулировочной характеристики зависит от ряда факторов: схемы выпрямителя, типа фильтра и характера загрузки и т. д.

УВ строятся по тем же принципам, что неуправляемые выпрямители (см. рис.2.2.1). В двухтактных УВ все вентили могут быть управляемыми (симметричная схема, рис. 3.2.2, в, д). С целью упрощения СУ и удешевления УВ можно применить несимметричные схемы (рис. 3.2.2,г), в которых одна группа вентилей (анодная или катодная) заменена на диоды. В УВ с индуктивной нагрузкой для улучшения энергетических характеристик вводится нулевой (ответвляющий) диод VD0 (рис. 3.2.2,б, д).

3.3 Управляемые выпрямители при работе на активную нагрузку.

Эквивалентные схемы тиристорных выпрямителей идентичны схемам замещения неуправляемых выпрямителей (см. схему на рис. 3.3.1,а и на рис. 2.5,б). Отличие состоит только в том, что неуправляемые вентили заменяются на управляемые – тиристоры. Сохраняется и методика анализа выпрямительных схем (раздел 2.5).

Многофазные УВ при малых углах включения работают в режиме непрерывного тока (рис. 3.8,б), а при больших углах(рис. 3.8,г) – в режиме прерывистого тока. Угол включения a, соответствующий границе режимов (рис. 3.8 ,в) непрерывного и прерывистого токов, называется критическим углом

(3.3)

У однофазных выпрямителей (рис. 3.10 а, б) aкр=0 и при a>0 они работают в режиме прерывистого тока. С учётом (2.12) и (3.2) нормированное уравнение и график регулировочной характеристики УВ при активной нагрузке имеют вид (рис. 3.9)

(3.4)

Следует отметить, что с увеличением угла включения a тиристора имеет место быстрый рост коэффициента пульсаций.

б)

a)

Рис. 3.8. Эквивалентная схема (а), и диаграммы (б, в,г), выпрямленного напряжения U0,a для трехфазной однотактной схемы с активной нагрузкой при различных значениях угла a включения тиристоров.

Рис. 3.9. Регулировочные характеристики выпрямителей при работе на активную нагрузку (а), влияние угла включения на коэффициент пульсации (б).

3.4 Управляемые однотактные выпрямители

с активно-индуктивной нагрузкой.

При составлении эквивалентной схемы (рис. 3.11,а) использовали предпосылки, изложенные ранее для неуправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой (раздел 2.6). Под действием ЭДС ток через вентиль протекает и тогда, когда фазная ЭДС вентильной обмотки трансформатора е2 изменила направление. Поэтому при углах включения тиристора a>aкр выпрямленное напряжение u’0,a на входе фильтра имеет участки отрицательного напряжения (рис.3.11,в). На этих участках нагрузка является источником энергии, т. е. возвращает ранее накопленную в индуктивности энергию обратно в

Рис. 2.4.1. Эквивалентная схема (а), волновые диаграммы напряжений U0,a и тока i0,a (б, в) регулировочная характеристика (г) и коэффициент пульсации Кп(1) (д) управляемого трехфазного одноактного выпрямителя при активно – индуктивной нагрузке. Режим непрерывного тока (pm2wl0 >>R0)

питающую сеть. Часть этой энергии теряется в активном сопротивлении R0. При достаточно большой индуктивности L0 (когда pm2wL0>>R0) ток i0,a нагрузки

Рис. 3.11. Эквивалентная схема(а), волновые диаграммы напряжений u0,a и тока i0,a (б, в), регулировочная хар-ка (г) и коэффициент пульсации (д), управляемого трехфазного однотактного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке. Режим непрерывного тока .

непрерывен и ток через управляемый вентиль протекает всегда 1/m2 часть периода. В режиме непрерывного тока с учётом (2.12) и (3.2) уравнение и графики регулировочной характеристики при m2³2 и р=1 имеют вид (рис. 3.11,г)

U*0,a = Сosa (3.5)

Если запас энергии в магнитном поле индуктивности L0 недостаточен, то напряжение U0,a успевает упасть до нуля раньше, чем отпирается очередной тиристор (рис. 3.12,а). Поэтому регулировочная характеристика УВ становится более пологой и описывается уравнением:

(3.6)

где l - угол продолжительности тока вентиля, зависящий от отношения . Эффект коммутации за счет индуктивности рассеяния LS обмоток преобразовательного трансформатора как и в неуправляемом выпрямителе (см. раздел 2.8) уменьшает (рис. 3.12, б) на интервале угла коммутации g напряжение U0,a до значения .

При этом уменьшается также среднее значение выпрямленного напряжения.

(3.7)

Коэффициент пульсаций на входе фильтра определяется по формуле

(3.8)

За счет угла коммутации g коэффициент пульсаций дополнительно возрастает.

В управляемых выпрямителях при работе как на активную, так и на активно-индуктивную нагрузку угол a включения оказывает влияние на соотношение между активной и реактивной мощностями. Как можно видеть из рис. 3.13, б и в, импульс тока работающего вентиля смещен по фазе относительно фазной ЭДС на угол a (или на угол a+0.5g с учетом эффекта коммутации). Поэтому основная гармоника этого тока, а значит и фазный ток i1,1 выпрямителя (рис. 3.13, а), отстает относительно сетевого напряжения U1 на такой же угол (a+0.5g).В результате управляемый выпрямитель нагружает сеть реактивной мощностью как потребитель, обладающий коэффициентом фазового сдвига.

(3.9)

где PC и QC­ соответственно активная и реактивная мощность, потребляемая выпрямителем из сети.

В случае работы выпрямителя на индуктивную нагрузку для улучшения коэффициента фазового сдвига в схему включают нулевой или ответвляющий диод VD0 (рис. 3.7 б, д и рис. 3.14,а). Когда ЭДС е2 становится меньше нуля, то работающий тиристор закрывается и блокировочный диод VD0 открывается. При этом ток в дросселе L0 (совпадающий с током нагрузки i0,α) не прерывается и протекает по контуру L0-R0-VD0. При открывании следующего тиристора нулевой диод VD0 закрывается. Заштрихованные участки кривой тока i0,α (рис. 3.14 в) соответствуют току iV0 нулевого диода.

За счёт нулевого диода в кривой u0,a (рис.3.14 б) исчезают отрицательные площадки и поэтому регулировочная характеристика и зависимость коэффициента пульсации от угла a становятся такими же, как и при активной нагрузке (см. раздел 3.8).

Нулевой диод улучшает также коэффициент сдвига фазы до значения .

Контрольные вопросы.

1. Устройство, вольтамперная характеристика и принцип действия тиристора.

2. Разновидности тиристоров и их характеристики.

3. Объяснить осциллограммы u’0,a и i0,a при разных видах нагрузки и a=0; a=60 электрических градусов в трёхфазном управляемом выпрямителе (m3=3 ; p=1).