Ошибка

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Категория: Электроприводы
Опубликовано 03.07.2011 09:09
Автор: Super User
Просмотров: 4675

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ряде случаев в нагрузке, питаемой переменным током от первичной сети, требуется осуществить плавное или ступенчатое изменение мощности без изменения частоты. Для этой цели наиболее подходят тиристорные преобразователи, основанные на применении коммутатора, состоящего из двух встречно-параллельно включенных обычных тиристоров (рис. 1, а), симистора (рис. 1, 6) или схем, включающих тиристоры и диоды (рис. 1, в, г). Естественно, что регулирование мощности в нагрузке производится только в сторону уменьшения от номинальной до нуля.

Рис. 1. Схема преобразователей переменного напряжения

Первая схема обеспечивает протекание тока в нагрузке в одну сторону при отпирании одного тиристора, например VD1, а в другую - при отпирании VD2. Во второй схеме роль двух тиристоров играет один симистор, способный проводить ток в обе стороны, но имеющий несколько более сложную схему управления, в третьей схеме могут использоваться тиристоры, не рассчитанные на работу под обратным напряжением, а в четвертой предусмотрен только один тиристор, но включаемый всегда последовательно с двумя диодами. Эта схема может работать только на активную нагрузку.


В зависимости от способа управления таким преобразователем и от способа формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров возможны различные способы регулирования: фазовый, ступенчатый, комбинированный фазо-ступенчатый, широтно-импульсный и некоторые другие.

Самым простым и создающим минимум помех является такой метод регулирования, когда тиристоры пропускают ток в течение нескольких периодов питающего напряжения, затем несколько периодов заперты и т. д. (рис. 2). При этом средние значения тока и мощности в нагрузке определяются относительной длительностью работы тиристоров за некоторый промежуток времени, который может быть установлен постоянным и равным нескольким (2 ... 10) периодам питающей сети. Тогда [image], где [image] ([image] - период).

Рис. 2. Диаграммы работы простейшего преобразователя переменного напряжения — НПЧ

Такая схема может играть роль простейшего преобразователя частоты, но в этом случае необходимо сначала пропускать в нагрузку несколько полуволн положительного напряжения, затем несколько полуволн отрицательного. Если не регулировать работу тиристоров в интервале проводимости ([image]), то в нагрузке будут формироваться прямоугольные импульсы напряжения (по среднему значению). Если изменять угол, то можно менять или среднее значение напряжения или даже его форму. На рис. 3 показаны три варианта работы схемы:


без регулирования ([image]); получается просто преобразователь частоты [image], [image] зависит от числа полупериодов, в течение которых работают по очереди тиристоры (рис. 3, а);

Рис. 3. Варианты работы схемы простейшего преобразователя частоты

с регулируемым [image], но с постоянным его значением в течение ряда периодов (амплитуда меняется) (рис. 3, б);

угол [image] меняется в течение периода формируемой частоты; если закон изменения [image], то на нагрузке формируется квазисинусоидальное напряжение с частотой [image] (рис. 3, в).

В преобразователях переменного напряжения при использовании фазового регулирования (при этом меняется длительность открытого состояния каждого тиристора в течение соответствующего полупериода питающего напряжения) можно получить процессы с отстающим (рис. 4, а), опережающим (рис. 4, б) и двухсторонним (рис. 4, в) углами регулирования.

Рис. 4. Диаграммы работы простейшего ППН с различными методами регулирования

Как видно из диаграмм, работа схемы напоминает работу управляемого выпрямителя, только здесь токи в нагрузке протекают в обе стороны.


При регулировании преобразователя с отстающим углом [image] запирание работающего тиристора происходит естественным путем после перехода кривой напряжения через нуль, а при опережающем или двухстороннем регулировании угла [image] работающий тиристор необходимо выключать принудительно, что требует использования или коммутирующих устройств, или двухоперационных тиристоров.

Регулировочная характеристика преобразователя [image] при активной нагрузке для фазового регулирования с отстающим или опережающим углами [image] может быть получена из соотношений

[image];

[image],

или в относительных единицах


[image],

где U - действующее значение переменного напряжения на входе схемы, при [image] [image].

Для двухстороннего фазового регулирования

Регулировочные характеристики для этих случаев приведены на рис. 5: 1 - для первых двух случаев, 2 - для последнего.

Рис. 5. Регулировочные характеристики ППН для разной нагрузки и разных методов регулирования

Если нагрузка преобразователя активно-индуктивная, то форма тока не повторяет форму напряжения, индуктивность нагрузки препятствует резким изменениям тока и затягивает длительность протекания тока через тиристор. Временная диаграмма напряжений и токов в преобразователе для случая [image] ([image]) показана на рис. 6, а, для [image] - на рис. 6, б.

Рис. 6. Диаграммы работы ППН при активно-индуктивной нагрузке


Как видно из диаграммы, в момент [image] управляющий импульс подается на тиристор VD1, он открывается, к нагрузке подается напряжение, соответствующее этому моменту (уже не равное нулю, если только [image]), и начинает нарастать ток нагрузки. На интервале до момента [image] мощность из сети поступает в нагрузку, энергия частично запасается в индуктивности. В момент [image] напряжение меняет знак, но ток продолжает протекать в прежнем направлении, VD1 остается открытым, следовательно, идет отдача запасенной индуктивностью энергии в сеть (угол [image]). В момент [image] этот процесс заканчивается и ток становится равным нулю, VD1 запирается. До момента отпирания VD2 имеет место бестоковая пауза, т. е. режим прерывистого тока. В момент [image] отпирается VD2 и процесс повторяется, только ток через нагрузку протекает в обратном направлении. При увеличении угла регулирования [image] интервал, в течение которого энергия подается к нагрузке, будет уменьшаться, и напряжение на ней уменьшается.

Так как бестоковый интервал в кривой выходного напряжения сокращается до значения [image], то

или


[image].

Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора определяется из следующей формулы:

[image],

где [image] - угол сдвига тока по отношению к напряжению, [image].

При чисто активной нагрузке (Lн = 0, [image], [image] это соотношение приобретает вид

[image].

т. е. кривая тока определяется синусоидой напряжения питания.

Если в формулу для iн при RL-нагрузке подставить [image], соответствующее iн = 0, получается уравнение


[image],

из которого можно найти значение угла [image].

При уменьшении угла регулирования [image] интервал проводимости тиристоров возрастает, и при его критическом значении [image] исчезает бестоковая пауза, т. е. ток iн спадает до нуля к моменту [image]. Иначе говоря, момент запирания одного тиристора совпадает с моментом отпирания второго, длительность проводящего состояния каждого из них становится равной 180°. Ток нагрузки становится непрерывным и синусоидальным, сдвинутым по отношению к напряжению на угол [image]. При этом

[image],

а ток можно определить из выражения

Для обеспечения указанного режима длительность сигнала управления на каждый тиристор должна быть достаточно большой (см. рис. 6), но не меньше [image], чтобы при малых [image] сохранить сигнал управления на открывающемся тиристоре до момента перехода тока через нуль. При дальнейшем изменении угла [image] от [image] до нуля характер работы преобразователя не изменяется, т. е. он становится неуправляемым, нагрузка постоянно связана с сетью.


Регулировочные характеристики преобразователя при различных вариантах его нагрузки приведены на рис. 5: кривая 3 - для RL-нагрузки, кривая 4 - для чисто индуктивной нагрузки.

При работе преобразователя на чисто активную нагрузку кривые тока, потребляемого от сети, и тока нагрузки iн совпадают по форме с кривой напряжения Uн и при [image] отличаются по форме от синусоиды. Поэтому для этих преобразователей, как и для выпрямителей, важное значение имеет коэффициент мощности [image], где k - коэффициент искажения формы кривой тока. При использовании способа регулирования, указанного на рис. 4, а, первая гармоника тока отстает от напряжения питания, при регулировании по схеме 4, б - опережает.

Не вдаваясь в подробности определения [image] и k, следует отметить, что окончательный результат приводит к выводу: [image], т. е. в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент [image] линейно зависит от относительного напряжения на нагрузке (кривая 1, рис. 7). Если же нагрузку питать от двух параллельно работающих преобразователей, выполненных по схемам 4, а, б, тогда коэффициент [image] может быть существенно выше (кривая 2, рис. 7).


Рис. 7. График коэффициента мощности ППН

Схемы трехфазных преобразователей переменного напряжения с фазовым регулированием выполняют по аналогии с однофазными. Наиболее распространенные схемы таких преобразователей приведены на рис. 8, а их работу студенты могут проанализировать самостоятельно. Отметим только, что к схеме 8, а вывод нулевого провода может отсутствовать и один из тиристоров в каждой паре может быть заменен диодом, что недопустимо в однофазной схеме. Вместо пары тиристоров, включенных встречно-параллельно, с успехом могут использоваться симисторы. На рис. 8, г приведена реверсивная схема регулирования асинхронного электродвигателя АД.

Рис. 8. Трехфазные ППН

В современной технике иногда возникает необходимость получать регулируемый переменный ток относительно высокого напряжения. Применение высоковольтных тиристоров с гальванически связанным с ними схемами управления (даже с импульсными трансформаторами) не всегда целесообразно. В этих случаях выгоднее использовать схему, приведенную на рис. 9: преобразователь переменного напряжения включен в цепь первичной обмотки повышающего трансформатора, т. е. в сеть с относительно невысоким напряжением, а нагрузка - во вторичную обмотку этого же трансформатора. При этом может быть снижена стоимость силовых элементов и упрощены требования к схеме управления. Иногда эта же схема применяется и при обратной ситуации - когда во вторичную цепь приходится включать параллельно большое количество вентилей на большой ток при низком напряжении.


Рис. 9. ППН для высоковольтной нагрузки

Еще один вариант применения преобразователей переменного напряжения показан на рис. 10. Как видно из схемы, вторичная обмотка трансформатора имеет дополнительный отвод (их может быть несколько), а нагрузка питается от двух групп преобразователей VD1-VD2, VD3-VD4, подключенных к выводам трансформатора. При так называемом ступенчатом регулировании работает либо одна (VD1-VD2), либо обе группы преобразователей, причем угол регулирования [image]. Если работает VD1-VD2, то к нагрузке подводится переменное напряжение [image]. Если сигналы управления подаются и на VD3-VD4, то на нагрузке напряжение увеличивается до [image], а тиристоры VD1 и VD2 не работают, так как находятся под обратным напряжением ([image]).

Рис. 10. Схема ступенчатого регулирования в ППН

Недостаток схемы - ступенчатый характер регулирования, достоинство - отсутствие искажений в кривой потребляемого тока и его фазового сдвига при чисто активной нагрузке.

Недостаток дискретного характера регулирования можно устранить (ценой ухудшения указанных выше качеств) фазовым регулированием сначала низшей, а затем и высшей групп тиристоров. Если, например, не подавать управляющих сигналов на VD3 и VD4, а регулировать [image] для VD1 и VD2, то напряжение на нагрузке можно плавно изменять от нуля до [image]. Затем, сохраняя [image] для этих тиристоров, изменять [image] для VD3 и VD4, которые будут, открываясь в нужные моменты, шунтировать тиристор нижней группы и подавать к нагрузке регулируемое от [image] до [image] напряжение в функции своего угла регулирования. Наличие VD1 и VD2 позволяет более плавно осуществлять регулирование в первом диапазоне, чем при использовании только VD3 и VD4. Схемы с большим количеством ступеней применения не нашли ввиду их сложности.