Трехфазные схемы УВ

Однофазная двухполупериодная схема УВ с нулевым выводом

Однофазная схема УВ с нулевым диодом

Рассмотрим особенности работы УВ на обмотку возбуждения ДПТ НВ.

Характерной особенностью обмоток возбуждения двигателей постоянного тока является большая (относительно якоря) индуктивность, небольшая потребляемая мощность и небольшой требуемый диапазон изменения тока возбуждения. Мощност

ь, потребляемая обмоткой возбуждения, составляет десятые доли - единицы процента от номинальной мощности электродвигателя, а диапазон регулирования тока возбуждения не превышает 10. В связи с этим для регулирования тока возбуждения чаще всего применяются нереверсивные однофазные управляемые выпрямители. Большая постоянная времени обмотки возбуждения и малый диапазон регулирования тока возбуждения приводят к тому, что управляемые выпрямители работают в области непрерывных токов.

Описываемая схема предназначена для регулирования тока возбуждения двигателя постоянного тока и, следовательно, для регулирования скорости его вращения вверх от номинальной скорости.

На рис. 2.44 приведена упрощенная принципиальная электрическая схема однофазного однополупериодного нереверсивного управляемого выпрямителя с нулевым диодом.

Схема содержит силовой трансформатор Т, тиристор VS, систему импульсно-фазового управления СИФУ, нулевой диод VD и обмотку возбуждения LM.

Трансформатор Т служит для получения на вторичной обмотке требуемого действующего значения переменного напряжения, определяющего максимальное значение напряжения на обмотке возбуждения LM, а также для гальванической развязки между сетью и остальной частью схемы. Тиристор VS служит для выпрямления и регулирования среднего (за период) значения выпрямленного напряжения на обмотке возбуждения LM. СИФУ управляет работой тиристора VS. Нулевой диод VD предназначен для устранения отрицательных выбросов напряжения на обмотке возбуждения LM, что позволяет увеличить среднее значение выпрямленного напряжения и тока.

В этой схеме нагрузка (обмотка возбуждения) носит активно-

индуктивный характер (RL - нагрузка). Индуктивность L является аккумулятором энергии. При подаче на индуктивность положительного импульса в индуктивности будет запасаться энергия, а ток через нее будет плавно возрастать. По окончании импульса энергия, запасенная в индуктивности, будет отдаваться, а ток при этом будет плавно уменьшаться, не изменяя своего направления. В конечном итоге это приводит к уменьшению пульсаций тока.

Рассмотрим работу схемы на отдельных интервалах (рис. 2.45).

Интервал 0£u<a. В исходном состоянии (u=0) тиристор закрыт. Тогда на интервале 0£u<a тиристор остается в закрытом состоянии, ток анода i_VS (u) тиристора равен нулю, а обмотка возбуждения оказывается отключенной от вторичной обмотки трансформатора. Но ток, протекающий через обмотку возбуждения, не равен нулю. За счет энергии, накопленной индуктивностью обмотки возбуждения LM на предыдущем интервале (u<0), ток обмотки возбуждения i_LM (u) протекает в направлении, указанном на схеме, через диод VD. Благодаря току диод удерживается в открытом состоянии. При этом напряжение u_LM (u) на обмотке возбуждения LM определяется прямым падением напряжения u_VD (u)=0 на диоде VD, а ток i_LM (u) обмотки возбуждения уменьшается во времени по экспоненциальной зависимости.

Интервал a£u<p. При u=a на управляющий электрод тиристора с СИФУ подается управляющий импульс, тиристор открывается, а напряжение на обмотке возбуждения u_d возрастает скачком от нуля до значения u₂ (a). После снятия управляющего импульса тиристор удерживается в открытом состоянии, т.к. ток анода оказывается больше тока выключения. Под действием напряжения u₂ диод VD закрывается и не оказывает влияния на работу схемы.

На интервале a£u£p тиристор находится в открытом состоянии, напряжение на обмотке возбуждения u_LM (u) равно напряжению u₂ (u) на вторичной обмотке трансформатора. К диоду VD приложено обратное напряжение, и он закрыт (ток i_VD (u) диода равен нулю). Ток i_LM (u) обмотки возбуждения LM возрастает во времени и протекает по цепи: вторичная обмотка трансформатора - тиристор VS - обмотка возбуждения LM - вторичная обмотка трансформатора. На этом интервале в индуктивности обмотки возбуждения запасается энергия.

При p£u напряжение u₂, прикладываемое к обмотке возбуждени

я LM и диоду VD, меняет свой знак на обратный и становится отрицательным. В результате этого открывается диод VD, а к аноду тиристора VS прикладывается обратное напряжение и тиристор закрывается.

Интервал p<u£2p+a. На данном интервале тиристор VS закрыт, а диод VD удерживается в открытом состоянии. Напряжение u_d (u ) на обмотке возбуждения LM равно прямому падению напряжения u_VD на диоде VD, т.е. практически равно нулю. Напряжение u_VS (u ) на аноде тиристора равно напряжению u₂ (u) на вторичной обмотке трансформатора Т. Ток i_VS (u) через закрытый тиристор VS равен нулю, а ток i_LM (u) обмотки возбуждения LM под действием энергии, накопленной ее индуктивностью на интервале a£u£p, протекает через диод и уменьшается по экспоненциальной зависимости.

На последующих интервалах 2p+a£u£3p, 4p+a£u£5p и т.д. работа управляемого выпрямителя совпадает с описанной ранее работой на интервале a£u£p, а на интервалах 3p£u£4p+a, 5p£u£6p+a и т.д. - с работой на интервале p£u£2p+a.

Как видно из рис. 2.45, напряжение u_d (u) на обмотке возбуждения LM имеет вид однополярных почти прямоугольных импульсов, частота которых равна частоте питающей сети. Величина напряжения u_d (u ) при открытом тиристоре VS равна напряжению u₂ (u) на вторичной обмотке трансформатора и равна нулю при закрытом тиристоре. Среднее за период (2p) значение напряжения U_d (постоянная составляющая напряжения) на обмотке возбуждения LM пропорционально площади, ограниченной кривой напряжения и осью абцисс, и, следовательно, зависит от угла регулирования a. Например, U _ср(a) максимально при a=0 и равно нулю при a=p. Таким образом, изменение напряжения U_вх на входе СИФУ приводит к изменению угла регулирования a и, следовательно, к изменению среднего за период напряжения U_ср на обмотке возбуждения LM.

Из рассмотренного не сложно заметить, что с точки зрения функционального назначения в управляемом выпрямителе можно выделить два блока (рис. 2.46): СИФУ и блок вентилей (БВ). В рассмотренных схемах БВ состоит из одного тиристора, в более сложных схемах тиристоров несколько.

На функциональной схеме СИФУ показывают в виде прямоугольника. На вход СИФУ поступает напряжение U_вх постоянного тока, что условно показано в верхней части блока. Выходной сигнал СИФУ представляет собой последовательность управляющих импульсов. Причем эти импульсы сдвигаются по фазе в зависимости от U_вх (это условно показано в нижней части блока СИФУ). Для БВ входным сигналом являются импульсы СИФУ, а в качестве выходного сигнала в системах электропривода рассматривают среднее значение выпрямленного напряжения U_ср.

Следует обратить внимание на следующее. Как установлено выше, с увеличением угла регулирования a значение U_ср снижается. Такая, обратная зависимость U _ср(a) весьма неудобна при управлении. В связи с этим СИФУ выполняют так, чтобы ее характеристика «вход – выход» обеспечивала обратную зависимость a(U_вх): при возрастании U_вх угол a уменьшается. В результате для УВ в целом удается получить прямую связь между входным и выходным сигналами. Действительно, при возрастании входного сигнала U_вх УВ угол a будет уменьшаться, а выходной сигнал U_ср - увеличиваться.

Схема однофазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя приведена на рис. 2.47. Нагрузкой на рис. 2.47 а является обмотка возбуждения LM ДТП.

схеме используется трансформатор Т со средней точкой. Вторичные обмотки трансформатора Т включены так, что их напряжения U₂₁, U₂₂ сдвинуты на 180° (находится в противофазе). На управляющие электроды тиристоров VS1, VS2 подаются импульсы, сдвинутые друг относительно друга на 180°.

На рис. 2.48 показаны диаграммы, соответствующие работе схемы на обмотку возбуждения (рис. 2.47 а) с углом a=30°. На первой диаграмме показаны напряжения U₂₁, U₂₂; на второй – управляющие импульсы; на третьей – напряжение на нагрузке.

Работа схемы во многом аналогична предыдущей, поэтому опишем ее более кратко. На интервале 0< v <a ток в обмотке возбуждения поддерживается, как и в предыдущей схеме за счет энергии, накопленной в индуктивности на предыдущем интервале.

Рис. 2.48

При v=a на управляющий электрод тиристора VS1 от СИФУ (на схеме не показана) подается управляющий импульс, тиристор открывается, напряжение на обмотке возбуждения возрастает скачком до значения U₂₁(a). Ток в обмотке возбуждения начинает возрастать во времени и протекает от верхней вторичной обмотки трансформатора через VS1 и LM. В индуктивности обмотки возбуждения запасается энергия.

На интервале p/2<v<p напряжение на нагрузке, равное U₂₁, начинает снижаться. При этом снижается и ток в обмотке возбуждения, а ЭДС самоиндукция меняет свой знак и действует согласно с напряжение U₂₁.

На интервале p<v<p+a знак U₂₁ изменится, однако тиристор VS1 остается в открытом состоянии за счет ЭДС самоиндукции, и цепь протекания тока останется прежней.

При v=p+a подается управляющий импульс на управляющий электрод тиристора VS2. В этот момент потенциал анода тиристора VS2 выше потенциала катода и VS2 открывается. Напряжение на обмотке возбуждения скачком возрастает да значения U₂₂(p+a). При этом к катоду тиристора VS1 прикладывается положительный потенциал и он закрывается. Ток начинает протекать от нижней по схеме обмотки трансформатора через VS2 и LM. Далее процессы в схеме повторяются.

Обратим внимание, что кривая напряжения на обмотке возбуждения имеет как участки, расположенные выше оси абсцисс (+), так и участки, расположенные ниже этой оси (-). При a =30° площадь «положительных» участков больше площади «отрицательных» и, следовательно, среднее значение выпрямляемого напряжения U_ср больше нуля. Очевидно также, что если установить a =0, то “отрицательные” участки будут отсутствовать, и U_ср будет максимальным. Если же угол управления a увеличится, то площадь «отрицательных» участков будет возрастать, а U_ср снижаться. При угле управления a =90° (см. диаграммы на рис. 2.49) площадь «отрицательных» участков становиться равной площади «положительных», а U_ср =0.

Продолжая рассуждения, можно заметить, что при a >90° «отрицательные» площадки станут больше «положительных», и, соответственно, среднее значение выпрямленного напряжения поменяет свой знак – станет меньше нуля.

В рассматриваемой схеме такой режим возможен только гипотетически. Действительно, при отрицательном значении U_ср среднее значение тока также должно стать отрицательным. Иными словами направление протекания тока должно изменится, а это невозможно в силу односторонней проводимости вентилей.

Рассмотрим работу схемы на якорь двигателя (рис. 2.47, в). Обмотка якоря двигателя так же, как обмотка возбуждения, имеет индуктивность. Поэтому процессы в схеме во много аналогичны рассмотренным для рис. 2.47 а. Основное отличие заключается в том, что при работе ДПТ создает противо ЭДС, направленную встречно выпрямленному напряжению. Если при работе на обмотку возбуждения среднее значение тока в ней определяется выражением

,

где R_LM – сопротивление обмотки возбуждения, то при работе на якорь двигателя среднее значение тока определяется с учетом противо ЭДС

,

где R_я – сопротивление якорной цепи. При работе на якорь ДПТ и регулировании угла a так же, как в предыдущих схемах, будет изменяться среднее значение напряжение на выходе УВ и, соответственно, изменяться угловая скорость двигателя. Следует иметь в виду, что угловая скорость будет определяться именно средним значением выпрямленного напряжение, т. к. в силу инерционности двигатель практически не реагирует на мгновенные изменения напряжения на выходе УВ.

При углах a <90° энергия поступает из сети переменного тока к якорю и машина работает в двигательном режиме – преобразует электрическую энергию в механическую.

Такой режим работы УВ называют выпрямительным.

Если в рассматриваемой схеме увеличивать угол a от 0 до 90°, то Е_ср будет меняться от наибольшей до 0, соответственно, и угловая скорость двигателя будет изменяться от наибольшей до нуля.

Если попытаться установить a >90°, то напряжение U_ср должно изменить свой знак и, соответственно, должно поменяться направление протекание тока I_я. Как уже отмечалось, ток через тиристоры в обратном направлении протекать не может, следовательно, в рассматриваемом случае работа с a >90° также невозможна.

Рассмотрим другую ситуацию. Предположим, что электропривод работает на грузоподъемный механизм. Пусть происходит подъем груза. Машина М при этом работает в двигательном режиме, УВ – в выпрямительном режиме.

Предположим далее, что груз нужно опустить. Для этого устанавливают угол a >90°. Знак среднего значения напряжения U_ср по сравнению с выпрямительным режимом поменяется на противоположный. Под действием момента, создаваемого грузом двигатель начнет вращаться в противоположную сторону. Его противо ЭДС поменяет свой знак. Если по абсолютному значению |E|>|U_ср|, то направление

Рис. 2.49

протекания тока останется прежним, а его значение будет определяться выражением

.

Таким образом в рассматриваемой ситуации машина за счет момента, создаваемого грузом работает в генераторном режиме, а электрическая энергия передается от якоря в цепь переменного тока. Говорят, что управляемый выпрямитель работает при этом в инверторном режиме.

Разумеется в автоматизированном ЭП переход УВ в инверторный режим обеспечивается автоматически за счет работы соответствующих блоков системы. Приведенные здесь рассуждение лишь поясняют возможность работы УВ с a >90°, т.е. работы в инверторном режиме.

Рис.2.51

Рис.2.50

Силовая часть трехфазной нулевой схемы УВП приведена на рис. 2.50.

Трехфазный трансформатор TV1 служит для согласования напряжения на якоре двигателя с сетевым напряжением, а также для гальванической развязки цепи якоря электродвигателя с сетью. Схема содержит тиристоры VS1, VS2, VS3. Вторичные ЭДС различных фаз трансформатора, поступающие на тиристоры, сдвинуты на 120°. Соответственно, и управляющие импульсы, подаваемые на управляющие электроды тиристоров с выхода СИФУ, сдвинуты на 120°. При работе схемы в режиме непрерывного тока ток в каждом из тиристоров протекает в течение 1/3 периода, т.е. в течение 1/3 периода якорь двигателя через один из тиристоров подключается к синусоидальной переменной ЭДС соответствующей фазы. За период изменения напряжения в сети переменного тока якоря двигатель поочередно подключается к трем различным фазам. Регулируя с помощью СИФУ угол a, можно, так же, как в однофазной схеме, изменять среднее значение напряжения на якоре двигателя.

Силовая часть трехфазной мостовой схемы УВ приведена на рис. 2.51. она содержит 6 тиристоров VS1 – VS6. Особенностью этой схемы является то, что управляющие импульсы, подаваемые на тиристоры VS4 – VS6, сдвинуты на 180° по отношению к импульсам на тиристорах VS1 – VS3. Для того, чтобы обеспечить протекание тока в нагрузке, нужно открыть два тиристора одновременно – один в анодной и один в катодной группе вентилей. Одновременность открытия тиристоров анодной и катодной групп обеспечивается тем, что через 60° после основного управляющего импульса на каждый из тиристоров подается дополнительный управляющий импульс.

При работе схемы в режиме непрерывного тока каждый из тиристоров проводит ток в течение 1/3 периода, а напряжение на нагрузке удобно рассматривать как результат взаимодействия двух последовательно включенных нулевых схем выпрямления. Регулирование среднего значения напряжения на якоре двигателя, как и в предыдущих схемах, осуществляется изменением угла управления a.

Как показано выше, напряжение на выходе УВ имеет форму импульсов. Причем пульсации напряжения и, как следует, пульсации тока якоря наиболее значительны в однофазных схемах и существенно снижаются в трехфазных схемах, особенно мостовых. Обычно однофазные схемы УВ применяются при мощности нагрузки до единиц киловатт. Трехфазная нулевая схема в основном используется в диапазоне мощности от единицы до нескольких десятков киловатт. При большой мощности в основном применяется трехфазная мостовая схема.

Необходимо учитывать, что УВП, как потребитель энергии, забирают из сети несинусоидальный ток и, следовательно, является источниками тока высших гармоник.

Высшие гармонические составляющие кривой тока искажают форму напряжения в сети и неблагоприятно влияют на работу конденсаторных установок, синхронных машин и самих УВ. Важнейшим энергетическим показателем электроприемников является коэффициент мощности, характеризующий сдвиг по фазе тока в цепи. В тиристорных преобразователях кривая тока отстает от кривой напряжения, причем, с увеличением угла a фазовый сдвиг увеличивается. Иными словами, УВ потребляет из сети не только активную, но и реактивную мощность. Причем последняя увеличивается при возрастании угла a. Эти обстоятельства требуют принятия специальных мер по повышению коэффициента мощности.

Дата добавления: 2014-01-06