Электрооборудование промышленности (стр. 7 )

4. Какие факторы определяют значение коэффициента мощности управляемого выпрямителя.

5. Почему коэффициент мощности управляемого выпрямителя ниже, чем у неуправляемого.

6. Как влияет ответвляющий диод на составляющие полной мощности УВ и почему.

3.5 Управляемые двухтактные выпрямители.

Трёхфазная двухтактная (мостовая) схема выпрямления (неуправляемая или управляемая) может быть представлена последовательным соединением двух однотактных схем, питаемых от одной группы вентильных обмоток трансформатора (см. раздел 2.5, рис.3.15 а). Как и в однотактном УВ возможны режимы непрерывного и прерывистого тока (рис.3.15 б, в), причём критический угол включения равен

(3.10)

Уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для схемы (рис.3.15 а)

при 0£a£aкр. и при a>aкр. (3.11)

Частота пульсаций fп(1) основой гармоники выпрямленного напряжения, как и в неуправляемом выпрямителе, равна m2pf1=6f1 (рис.3.15 в). Зависимость (рис.3.15 г) коэффициента пульсаций Кп(1) от угла регулирования α свидетельствуют о быстром росте Кп(1) с увеличением a. Для однофазной двухтактной схемы УВ уравнение регулировочной характеристики

, при αкр=0 (3.12)

б)
Рис. 3.15. Эквивалентная схема трехфазного двутактного симметричного УВ (а) графики (б) напряжений и и график выпрямленного напряжения (в) для углов регулиро­вания , , , график (г) зависимости .

г)

в)

 

г)

в)

Рис. 3.16. Эквивалентная схема трехфазного двухтактного несимметричного УВ (а), графики (б) напряжений и , график выпрямленного напряжения (в) для углов регулирования ,, , график (г) зависимости .

При индуктивной реакции нагрузки (pm2wL0>>R0) уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для симметричных двухтактных выпрямителей описывается уравнением (3.5).

Несимметричный мостовой выпрямитель (рис. 3.16 а) характеризуется тем, что пульсации выпрямленного напряжения при a>0 имеют частоту основной гармоники, равную 3f, что видно из осциллограмм (рис. 3.16 в.) Уменьшение частоты пульсации приводит к необходимости применения более мощных фильтров. Зависимости коэффициента пульсации (рис. 3.16 г) от угла регулирования для основной (3f) и второй (6f) гармоник свидетельствуют о более медленном росте Кп(2) в сравнении с ростом Кп(1). Уравнение регулировочной характеристики в нормированном виде для схем рис. 3.16 а и рис. 3.7 при активном или индуктивном характере нагрузки описывается выражением (3.12 По сравнению с симметричным двухтактным трёхфазным УВ несимметричный двухтактный УВ потребляет от питающей сети ток, содержащий как нечётные, так и чётные гармоники. Это приводит к ухудшению мощности искажений.

Преимуществом несимметричного двухтактного УВ является меньшее значение потребляемой из сети реактивной QS мощности.

Контрольные вопросы:

1. Объяснить осциллограммы u’0,a и i0,a при разных видах нагрузки и a=0, a=60 электрических градусов в трёхфазном симметричном и несимметричном двухтактном выпрямителе.

2. Какие достоинства и недостатки у несимметричных схем управляемых тиристорных выпрямителей.

3. Уравнения регулировочных характеристик трёхфазных симметричных и несимметричных УВ при различных характерах нагрузки.

3.6 Повышение коэффициента мощности управляемых выпрямителей

Для УВ средней и большой мощности характерен режим, когда потребляемый ими ток i1 (рис. 3.13 б) несинусоидален, а его первая (основная) гармоника i1,1 смещена относительно фазного напряжения сети u1 на угол j

j=(a+0,5g) (3.13)

Это приводит к наличию в УВ помимо активной (полезной) мощности

РС=U1·I1,1·cosφ, (3.14)

еще и реактивной мощности

QС=U1·I1,1·sinj, (3.15)

а так же так называемой мощности искажений

, (3.16)

которая создаётся высшими гармоническими составляющими тока i1. Их удельный вес характеризуют коэффициентом искажения тока

(3.17)

где I1,1 – действующее значение первой (основной) гармоники тока i1, а I1 – действующее значение самого тока.

Полная (вольтамперная) мощность УВ

(3.18)

Из трёх составляющих этой мощности лишь активная мощность является полезной. Поэтому отношение РС/SC характеризует УВ как сетевую нагрузку и называется коэффициентом мощности КМ. Воспользовавшись уравнениями (3.14), (3.17), (3.18), получим уравнение

КМ=КИ·cosj (3.19)

в виде произведения коэффициента искажений тока i1 на коэффициент фазового сдвига последнего относительно напряжения U1. Низкие значения КМ из-за сильно искаженной формы тока i1, либо вследствие большого значения угла регулирования a требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, роста сечения проводов и повышения прочности изоляции. Поэтому стандарт IEC-555 МЭК (Международной Электротехнической Комиссии) ограничивает значение КМ электрооборудования, потребляющего из сети мощность более 300 Вт и имеющего выпрямитель (электробытовые приборы, компьютеры, электронное оборудование, источники питания, электроприводы). Вступающий в действие новый стандарт МЭК IEC ужесточает требования к нормам на коэффициент мощности КМ потребителей энергии и изделий, выходящих на мировой рынок. В связи с этим задача улучшения качества мощности, потребляемой УВ из сети, становится важной для разработчиков электропитающих устройств промышленного оборудования.

Для уменьшения реактивной мощности QS находят применение схемы с ответвляющим (нулевым) диодом (см. раздел 3.4), основным недостатком этих схем является повышение ТС за счёт увеличения искажениё формы тока i2.

Другими способами уменьшения QС и ТС является установка силовых конденсаторов на входе УВ (рис.3.18 а),или применение фильтрокомпенсирующих устройств (рис. 3.17) в виде системы многофазных колебательных контуров, настроенных в резонанс напряжения на частоты наиболее интенсивных гармоник тока i1 (5-ю,7-ю,11-ю и др.)

Указанные меры лишь частично позволяют улучшить КМ, поэтому регулирование напряжения УВ фазоимпульсным методом на практике осуществляется в сравнительно узких пределах и сочетается с другими методами, в том числе с регулированием напряжения переключением ступеней преобразовательного трансформатора и с применением вольтдобавочных схем.

В ступенчато-управляемых выпрямителях (рис. 3.18 б) используются контактные (реле) или бесконтактные (симисторы) устройства, подключающие управляемые вентили к различному числу витков вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (при глубоком регулировании уменьшается amax и, следовательно, уменьшаются QС и ТС).

В схемах с вольтдобавкой (рис. 3.18 в) минимальное напряжение на выходе обеспечивается неуправляемым выпрямителем на диодах VD1, VD2, а повышенное напряжение достигается включением тиристоров.

В последнее время в УВ находит применение широтно-импульсный метод (ШИМ) регулирования напряжения, основанный на применении полностью управляемых (запираемых) тиристоров. При ШИМ - управлении осуществляется многократное включение и отключение тиристоров в течение полупериода питающего напряжения с постоянной частотой f, значительно (и в целое число раз) превышающей частоту f1 сетевого напряжения.

 

Выходное напряжение u0,f состоит в этом случае из высокочастотных импульсов (рис.3.18 г) регулируемой длительности Ти, а нормированная регулировочная характе-ристика УВ определяется их скважностью

(3.20)

где - период повторяемости, причём g принимает значения от 0 до 1.

Контрольные вопросы.

1. Почему в управляемых выпрямителях полная Sc мощность превышает мощность Pн нагрузки.

2. Что такое коэффициент мощности УВ. К каким издержкам приводит работа с низким коэффициентом мощности.

3. Объяснить работу однофазного выпрямителя с нулевым диодом. Почему введение нулевого диода повышает коэффициент мощности.

4. Объяснить принцип действия сетевых фильтрокомпенсирующих устройств.

5. Как изменится мощность искажения Тс, если индук-тивность дросселя фильтра в УВ станет равной нулю.

3.7 Системы управления выпрямителями.

В состав УВ помимо силовой части (рис.3.19) входит ещё система управления (СУ),основными функциями которой являются: 1)определение моментов отпирания тиристоров в зависимости от управляющего сигнала Uупр.; 2)распределение сигналов отпирания по фазам для создания симметрии тока в нагрузке ZН; 3)формирование управляющих импульсов необходимой длительности, амплитуды и формы для надёжного включения тиристоров по управляющим электродам последних;

4)осуществление пуска, остановки УВ и защиты от несанкционированных режимов работы. УВ также может иметь контур обратной связи (КОС), на вход которого поступает выходной параметр УВ (напряжение, ток, мощность) для его стабилизации или точного регулирования с помощью СУ.

Системы управления, в которых можно регулировать фазу управляющих импульсов называют ФАЗОИМПУЛЬСНЫМИ. Если угол подачи управляющего импульса отсчитывается от определённой фазы напряжения питающей сети, то такие СУ называют СИНХРОННЫМИ. При АСИНХРОННОМ фазоимпульсном управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса управления.

Наиболее распространена структурная схема СУ углом включения тиристора (рис.3.20 а), использующая вертикальный метод управления. Схема синхронизации СС, вырабатывающая сигналы Uс (рис.3.20 б), подключается к питающей сети m1,f1,U1 и обеспечивает синхронизацию частоты следования импульсов управления Uуэ с частотой питающей сети (или частотой следования моментов естественной коммутации кривых выпрямленного напряжения).

Фазосмещающее устройство ФСУ под действием напряжения управления Uупр, проходящего через усилитель УС, производит изменение угла a включения тиристоров в нужных пределах (рис.3.20 б). При вертикальном методе управления ФСУ содержит генератор развёртки ГР (чаще всего генератор пилообразного напряжения) и компаратор К. ГР может быть выполнен по схеме с диодным коммутатором, на транзисторе, на интегральном операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и т. п. Компаратор может выполнятся на однопереходном транзисторе, триггере Шмидта, операционном усилителе, логическом элементе и т. п.

Формирователь управляющих импульсов ФУИ служит для выработки сигналов управления тиристоров с требуемыми параметрами. ФУИ подразделяют на транзисторные, тиристорные и оптронные. Некоторые схемы управления углом включения тиристора рассмотрены в /5/.

Цифровая система управления углом a включения тиристора вырабатывает в цифровой форме код фазы управляющих импульсов и преобразует его в фазу импульсов управления. В цифровом фазосмещающем устройстве на рис.3.21,а управляющий четырёхразрядный код Ку принимает 16 значений от 0000 до 1111 и подаётся в параллельном виде на цифровую схему сравнения ЦСС.

Опорный сигнал также представляется в виде кода K0п и формируется вычитающим счетчиком СТ, ко входу «-1» которого подключен мультивибратор МВ, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой fмв=32fсети. Начало формирования опорного кода (рис. 3.21 б) соответствует моменту естественной коммутации вентилей УВ. Момент поразрядного равенства Ку и K0п фиксируется ЦСС и соответствует углу управления a. При этом на выходе ЦСС формируется логический сигнал 0. Он поступает на выходной формирователь СУ и после усиления подается на управляющий электрод тиристора. Переход к цифровой форме управления позволяет повысить точность, помехозащищенность и

коп

быстродействие систем управления.

Рис. 3.20 Структурная схема СУ по вертикальному методу управления (а), временные диаграммы (б)

Наиболее эффективным способом улучшения СУ является применение в

нем микропроцессоров (программно-управляемых устройств для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненных по технологии больших интегральных схем и размещенных на миниатюрном кремниевом кристалле площадью около 30 мм2). Благодаря малым размерам микропроцессор легко встраивается в СУ (рис. 3.22), возможности которой в результате существенно расширяются. АЦП1 и АЦП2 преобразуют аналоговые (непрерывные во времени) сигналы задатчика Uзад и обратной связи U­ос в

цифровые коды Ni(Uзад) и Ni(Uoc) соответственно.

Последние пересылаются с выходов АЦП в МПК в дискретные моменты времени 0, Т, 2Т, 3Т,..., задаваемые таймером. По цифровым кодам, представляющим текущие значения Uoc и Uзад , МКТ рассчитывает (в соответствии с алгоритмом управления и реализующей его программы) сигналы управляющего воздействия и выдаёт их в цифровом виде Ni(Uупр) через выходной порт в ВФИ, активизируя его работу в нужные моменты времени для управления СЧ с целью получения выходного напряжения Uo,a с необходимыми параметрами. Основными достоинствами микропроцессорного управления являются гибкость и универсальность, возможность перестройки алгоритма управления путём изменения обрабатывающей программы, расширение функций СУ, технологичность, высокая надёжность, ремонто­пригодность.

Мощность сигнала с выхода ФСУ (аналогового, цифрового или микропроцессорного) обычно невелика. ВФИ обеспечивают усиление и формирование импульсов управления по форме, амплитуде и длительности перед их подачей на УЭ тиристора (рис. 3.23 а). Диаграмма управления последнего (рис.3.23г) имеет область гарантированного отпирания, расположенную между граничными кривыми «А» и «В». На диаграмме проводятся линии максимально допустимых значений напряжения Uуэ, доп и тока Iуэ, доп, а также кривая допустимой средней мощности потерь на управляющем электроде. При импульсном управлении допустимая импульсная мощность определяется по формуле:

(3.21)

Если длительность управляющих импульсов t­и<50мкс, то максимальное значение тока УЭ необходимо увеличить (рис. 3.23 в). Оптимальный по форме управляющий импульс (рис. 3.23 а) имеет крутой (крутизна нарастания тока 0,2...2,0 А/мкс), короткий (£0,1мс) пик с максимальным значением (–максимальное значение импульса, вырабатываемого ВФИ) и предназначен для чёткого включения тиристора VS. Следующий за пиком пьедестал (его ширина определяется значениями угла коммутации g и тока удержания тиристора) обеспечивает гарантированное открывание тиристора в УВ большой и средней мощности. Для улучшения устойчивости тиристора к самоотпиранию на УЭ подают отрицательное смещение величиной (0,5...2,5)В. Несимметрия управляющих импульсов по фазе не должна превышать (1,5...2,5) эл. градусов.

Необходимая длительность управляющих импульсов во многом зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Так в трёхфазном двухтактном УВ в режиме прерывистых токов необходимы широкие управляющие импульсы, длительностью более 60 электрических градусов, либо сдвоенные узкие импульсы со сдвигом 60 электрических градусов. В УВ, предназначенных для работы якорь двигателя постоянного тока, применяют сдвоенные узкие импульсы длительностью 7...10 электрических градусов (400...550мкс), а в УВ, на предназначенных для работы на обмотки возбуждения электрических машин (постоянного тока или синхронных) – широкие импульсы длительностью 70...120 электрических градусов (3,9...6,6мс).