Тиристорные преобразовательные устройства

Тиристорные преобразовательные устройства будем называть более коротко тиристорными преобразователями.

Тиристорные преобразователи, как отмечалось выше, выполняются на основе управляемых выпрямителей (УВ).

Управляемым называют выпрямитель, построенный по схеме неуправляемого выпрямителя, в котором диоды заменены тиристорами.

Существует большое количество разновидностей тиристоров (название произошло от греч. tyros – дверь и лат. – resistor). В данном разделе будут рассматриваться тиристоры типа тринисторы. Они имеют анод (А), катод (К) и управляющий электрод (У) (рисунок 11).

Рисунок 11-УГО тринистора

По цепи анод-катод протекают большие токи, а по цепи управляющий электрод-катод – меньшие на 2 – 3 порядка.

Основные свойства тринистора состоят в следующем.

Тринистор открывается, если напряжение анод-катод больше 0, а ток управления больше так называемого тока спрямления. Время открывания составляет около 100 мкс. Закрывается тринистор при условии, если ток анода становится меньше так называемого тока удержания, указываемого в паспортных данных. Время закрывания – 10-30 мкс.

Условия закрывания тринистора не зависят от параметров цепи управления. Это означает, что после подачи управляющего тока его можно, например, обнулить. Следовательно, открывание тринистора можно обеспечить импульсом тока управления . Это свойство управления тиристором является весьма важным, т.к. позволяет снизить потери в цепи управления.

Напряжение анод-катод в открытом состоянии тринистора составляет от 1 до 4 В.

У идеального тринистора ток спрямления и ток удержания принимают равными нулю, а напряжение анод-катод также считают равным нулю.

Однофазные тиристорные преобразователи. Рассмотрим работу простейшего однофазного тиристорного преобразователя (ОТП). Будем полагать, что в качестве УВ рассматриваемый ОТП имеет управляемый однофазный однополупериодный выпрямитель, работающий на активную нагрузку. Схема такого ОТП представлена на рисунке 12. Кроме УВ в ОТП имеется схема импульсно-фазового управления (СИФУ). Здесь – однофазное переменное напряжение сети. VS – тринистор; – активная нагрузка в виде резистора; – управляющее напряжение, изменяющееся во времени достаточно медленно по сравнению с изменением напряжения ; – ток нагрузки.

Рисунок 12 – Схема однофазного тиристорного преобразователя

Схема импульсно-фазового управления вырабатывает импульсы напряжения и, соответственно, импульсы тока . Появление их во времени регулируется напряжением управления , поступающим на СИФУ, а длительность составляет не менее 100 микросекунд. Рассмотрим (см. рис. 13) временные диаграммы изменения основных величин, характеризующих изучаемую схему ОТП.

u _н  

i _yт

u _c

Рис. 13. Временные диаграммы работы однофазного тиристорного

преобразователя

Будем полагать, что напряжение сети изменяется по закону

, (1)

где ,– угловая частота и амплитуда напряжения сети. Диаграмма изменения напряжения , соответствующая равенству (1) при , приведена на рис.13.

Будем полагать, что между моментами 0 и π в момент α появляется управляющий импульс тока . Будем считать также, что второй управляющий импульс тока появляется в момент времени . Временная диаграмма, отражающая появление указанных импульсов, приведена на рис.13. Дадим определение величины α, введя предварительно следующие понятия.

Точками естественной коммутации называют моменты времени, в которые происходит переключение диодов в схеме неуправляемого выпрямителя, соответствующего рассматриваемому управляемому выпрямителю. В зависимости от типа выпрямителя эти точки принимают разные значения. В нашем случае однофазного однополупериодного выпрямителя точками естественной коммутации являются моменты 0, π, 2π, 3π и т.д.

Длительность, измеряемая в радианах, между управляющим импульсом и ближайшей предыдущей точкой естественной коммутации называют углом управления выпрямителя и обозначают буквой α.

В общем случае управление выпрямителем формируется опорным напряжением, проходящем через точки естественной коммутации и сдвинутым по фазе относительно напряжения на определённый угол. В рассматриваемом случае указанный сдвиг по фазе равен нулю. Поэтому в качестве опорного напряжения можно использовать напряжение сети .

Рассмотрим определение диаграмм напряжения на нагрузке и напряжения «анод-катод».

При этом будем полагать, что напряжение сети подаётся в момент времени =0, а управляющий импульс тока – в момент . Это означает, что до момента отсутствуют условия включения тринистора и, следовательно, он закрыт (выключен). Определим напряжения и при закрытом тринисторе. Для этого по второму закону Кирхгофа запишем (см. рис.12)

. (2)

Если тринистор выключен, то его сопротивление можно считать бесконечным, а цепь между источником напряжения и нагрузкой разорванной. Тогда ток нагрузки , а следовательно, и напряжение нагрузки . Тогда в силу (2) получаем, что .

Итак, приходим к выводу, что при (т.е. в период закрытого состояния тринистора)

, (3)

. (4)

Временные диаграммы изменения величин и при , соответствующие равенствам (3) и (4), приведены на рис.13.

В момент времени складываются условия для включения тринистора, т.е и . Включение тринистора означает, что напряжение снижается до нуля, т.е. . При этом согласно (2) получим, что

. (5)

Установим длительность открытого состояния тринистора, для этого определим момент, когда тринистор закроется. Идеализированный тринистор, как отмечалось ранее, закроется в момент, когда ток (см. рис.12), протекающий по цепи «анод-катод» тринистора, снизится до нуля, т.е. в момент, когда . Определим ток открытого тринистора. По первому закону Кирхгофа для узла, где сходятся токи , , (см. рис.12), можно записать

(6)

Ток существенно меньше, чем ток открытого тринистора. Поэтому током можно пренебречь и преобразовать (6) к виду

. (7)

Так как , то соотношение (7) с учётом равенства (5) преобразуется к виду

. (8)

Из (8) следует, что ток снизится до нуля в момент, когда напряжение также снизится до нуля, т.е. когда . Это произойдёт в момент , т.е. в момент тринистор закроется. Диаграммы напряжений и при открытом тринисторе, т.е. при условии , нетрудно построить, опираясь на равенство (5) и учитывая, что (см. рис.12).

Начиная с момента , как это было показано выше, тринистор оказывается закрытым. Следовательно, для построения временных диаграмм напряжений и можно использовать полученные ранее соотношения (3) и (4). Эти соотношения справедливы до момента следующего открытия тринистора, т.е. до момента, когда вновь сложатся условия для его открытия: и . Т.к. условие будет выполнено только в момент , то, очевидно, что до этого момента тринистор однозначно будет закрыт. Поэтому до момента диаграммы напряжений и можно построить по соотношениям (3) и (4). При этом напряжение , а напряжение повторяет напряжение сети. Т.к. в момент напряжение и поступает второй управляющий импульс тока , то тринистор вновь открывается. Для дальнейшего построения диаграммы напряжения необходимо использовать соотношение (5) и равенство , которые описывают схему при открытом состоянии тринистора. Открытое состояние тринистора продлится, как это уже было показано ранее, до момента, когда , т.е. до момента . Далее процессы повторяются.

Из графиков нетрудно видеть, что при варьировании угла форма напряжения изменяется, что приводит к изменению и среднего значения напряжения . Частота вращения двигателя, как известно, реагирует на среднее значение напряжения . Следовательно, изменяя угол , можно регулировать среднее значение напряжения и, как следствие, частоту вращения двигателя.

Определим взаимосвязь величин и при активной нагрузке в аналитическом виде. Введём обозначение

φ (9)

Тогда можно считать, что напряжение есть функция переменной φ, т.е. (φ). Как известно, среднее значение определяется по формуле
(φ) d φ. (10)

Из временных диаграмм (см. рис. 13) видно, что имеет место

(φ)=

В силу (1) также можно записать

φ. (12)

Из (10)–(12) после преобразований

sinφ d φ= -cosφ|= (13)

получим, что

= (14)

Соотношение (14) справедливо при условии, что . Действительно, если , то при любом тринистор не открывается и, следовательно, величина 0. Итак, приходим к окончательному соотношению.

если φ

Рис.14. График среднего значения напряжения нагрузки

По соотношению (15) нетрудно построить график (α), приведённый на рис.14.

Для создания управляющих импульсов тока и управления моментами их появления или, иначе говоря, управления углом α используется схема импульсно-фазового управления (СИФУ). Рассмотрим принцип действия СИФУ, используя функциональную схему, приведённую на рис.15.

Рис. 15. Функциональная схема СИФУ

ГОН – генератор опорного напряжения ; ГУН – генератор управляющего напряжения ; СГПН – синхронизирующий генератор пилообразного напряжения ; В – вычитатель с выходным напряжением ; К – компаратор c выходным напряжением ; ФИ –формирователь импульсов управляющего тока .

Будем полагать, что ГУН задаёт некоторое медленно меняющееся напряжение . Для простоты будем считать, что в рассматриваемом случае =const.

В общем случае, как отмечалось выше, опорное напряжение , генерируемое ГОН, формируется так, чтобы оно проходило нулевыми значениями через точки естественной коммутации. Поэтому, в общем случае, опорное напряжение может не совпадать по фазе с напряжением сети. Для рассматриваемого ОТП эти напряжения совпадают по фазе. Поэтому для простоты можно полагать, что . Опорное напряжение запускает СГПН в момент перехода напряжением нулевого значения при условии, что переход происходит от отрицательных значений к положительным. При этом СГПН начинает вырабатывать линейно нарастающее напряжение от нулевого значения (в момент, когда =0) до некоторого максимального (в момент, когда напряжение опять переходит от отрицательных значений к положительным). Диаграммы, поясняющие изложенное, приведены на рис.16.

Вычитатель В формирует напряжение

–, (16)

диаграмма которого также приведена на рис.16.

В момент перехода напряжения через ноль выходное напряжение компаратора К изменяется скачком. Будем полагать для определённости, что при переходе напряжением от отрицательных значений к положительным напряжение изменяется от некоторого отрицательного значения к положительному и наоборот (см. рис.16).

Будем считать, что переход напряжением от отрицательного уровня к положительному запускает работу ФИ, который выдаёт короткий положительный импульс тока , подаваемый на управляющий катод тринистора. Очевидно, что это происходит в момент (см. рис.16).

Рис.16. Временные диаграммы работы СИФУ

Из диаграмм, приведённых на рис.16, следует, что изменение управляющего напряжения приводит к изменению угла и, как следствие, к изменению среднего напряжения на нагрузке.

Определим взаимосвязь величин и . Для этого, очевидно, необходимо определить взаимосвязь величин и . Из диаграмм (см. рис.16) видно, что – это выраженный в радианах момент времени, в который

. (17)

Полагая, что напряжение линейно зависит от времени, т.е.

(18)

получим из (17) и (18) после преобразований

. (19)

Это означает, что (17) выполняется в момент времени , т.е

. (20)

Подставив (20) в (15), получим

Из (21) видно, что величина зависит от напряжения нелинейно. Для обеспечения прямо пропорциональной связи указанных величин между ГУН и вычитателем (В) включают функциональный преобразователь ФП (см. рис.17).

Рис.17. Функциональная схема линейного СИФУ

Определим вид функционального преобразования, который должен обеспечивать ФП для того, чтобы между и прямо пропорциональная зависимость. Учитывая, что в данной схеме (рис.17) напряжение играет ту же роль, что напряжение в ранее рассмотренном СИФУ (рис.15), можно в соотношении (21) величину заменить на величину . В результате получим

Если положить, что

, (23)

тогда получим

что и требовалось обеспечить.

Решая уравнение (23), получаем, что ФП должен реализовывать зависимость вида

. (25)

Однофазные однополупериодные тиристорные преобразователи используются крайне редко и рассмотрены в учебных целях. В реальных системах применяются, как правило, трёхфазные тиристорные преобразователи. Перейдём к их рассмотрению.

Трёхфазные тиристорные преобразователи. Классификация трёхфазных тиристорных преобразователей:

1) по типу схемы управляемого выпрямителя:

· преобразователи трёхфазные однополупериодные с выводом нулевой точки (так называемые нулевые схемы);

· трёхфазные мостовые;

2) по наличию реверса (возможности или невозможности изменения направления вращения):

·нереверсивные;

·реверсивные;

Реверсивные преобразователи в свою очередь делятся на:

·преобразователи с раздельным управлением управляемыми выпрямителями;

·преобразователи с совместным управлением управляемыми выпрямителями.

Рассмотрим нереверсивные преобразователи. Функциональная схема данных преобразователей имеет вид, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1 – Функциональная схема нереверсивного

однополупериодного тиристорного преобразователя

с выводом нулевой точки

Принцип действия трёхфазных тиристорных преобразователей совпадает с принципом действия однофазных. Трёхфазные преобразователи, как и однофазные, реализуют в конечном итоге определённую взаимосвязь между управляющим и якорным напряжениями (см. рис. 1).

Кроме однополупериодных трёхфазных преобразователей широкое применение имеют нереверсивные трёхфазные мостовые преобразователи, которые построены на основе мостовых управляемых выпрямителей. Функциональные схемы таких преобразователей следует рассмотреть самостоятельно.

Нереверсивные трёхфазные тиристорные преобразователи обеспечивают только одну полярность выходного напряжения, так как через тиристор ток может протекать только в одном направлении. Для исключения этого недостатка используются реверсивные преобразователи.

Реверсивный преобразователь выполняется, как правило, на двух нереверсивных и содержит два УВ. Реверсивные тиристорные преобразователи делят на два типа: с раздельным управлением УВ и с совместным управлением УВ.

Функциональная схема тиристорного преобразователя с раздельным управлением УВ показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема реверсивного

тиристорного преобразователя с раздельным управлением

При необходимости вращения двигателя в одном направлении работает УВ1, а УВ2 выключен. При необходимости вращения двигателя в противоположном направлении УВ1 выключается и вращение производится за счёт УВ2.

Данная схема (см. рисунок 2) имеет достаточно широкое распространение. К её достоинствам можно отнести относительную простоту. Недостатки схемы заключаются в следующем:

1) относительно низкое быстродействие в момент реверсирования;

2) нелинейность регулировочной характеристики в области изменения знака скорости.

Для устранения этих недостатков применяют преобразователь с совместным управлением двумя УВ. В этом случае функциональная схема имеет вид, представленный на рисунке 3.

Рисунок 3 – Функциональная схема тиристорного преобразователя

с совместным управлением УВ

Для исключения непосредственного соединения двух источников напряжения УВ1 и УВ2, в результате чего могут возникнуть большие сквозные переменные токи и , между указанными УВ включаются два дросселя L 1 и L 2. Эти дроссели имеют большое сопротивление на переменном токе, что и позволяет снизить до допустимых значений токи и .

При работе преобразователя с совместным управлением один из выпрямителей работает в режиме выпрямителя, а другой – в режиме инвертора. Работа УВ в режиме инвертора рассматривается самостоятельно [Дюрягин, Пособие].

Дата добавления: 2014-01-13