Московский государственный университет печати

Проблемы энергетической электроники (преобразовательной техники) тесно связаны с проблемами электротехники конца XX в. Энергетическая электроника давно уже стала предметом совместных исследований и разработок специалистов в области промышленной электроники, электротехники, электромеханики и электроэнергетики. Достижения преобразовательной техники во многом определяют прогресс в названных областях техники. Однако внедрение силовых вентильных преобразователей в различные отрасли, в том числе в энергетику и, электротехнику, порождает ряд сложных проблем и в области электроэнергетики и электротехники, и в области электронной схемотехники.

Перечислим основные области применения силовых вентильных преобразователей.

Вентильные преобразователи широко применяются для преобразования электрической энергии, вырабатываемой и передаваемой в виде переменного напряжения стандартной частоты = 50 Гц в электрическую энергию другого вида - в постоянный ток или переменный ток с нестандартной (f < или f >) или изменяемой частотой. Почти половина энергии в нашей стране потребляется в преобразованном виде, прежде всего в виде постоянного тока. Электропривод постоянного тока, в том числе тяговый электропривод, мощные электротермические и электротехнологические установки - это наиболее энергоемкие потребители постоянного тока. Для их питания ток промышленной частоты преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей.

Растет группа потребителей электроэнергии, которые нуждаются в переменном токе повышенной или пониженной частоты, а нередко требуют использования регулируемой частоты (установки часточно-регулируемого электропривода переменного тока, индукционные установки, многие электротермические и электротехнологические потребители). Для питания таких потребителей применяют различные тиристорные преобразователи частоты. Преобразователи частоты делятся на непосредственные, в которых происходит однократное преобразование электрической энергии (как правило, на выходе формируется напряжение пониженной частоты f < 50 Гц), и преобразователи со звеном постоянного тока, которые состоят из выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, и автономного инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный ток повышенной, пониженной или изменяющейся частоты.

Таким образом, значительное число потребителей электроэнергии большой мощности подключается к промышленной сети через вентильные преобразователи различных типов. Вентильные преобразователи являются в настоящее время одним из самых распространенных потребителей электрической энергии в сетях, причем их суммарная мощность соизмерима с мощностью сети. Вентильные преобразователи являются нелинейной нагрузкой сети, и их работа сильно влияет на режимы сети и качество электрической энергии.

Обратимся к электроэнергетике. Важной областью применения вентильных преобразователей являются линии электропередачи в электрических сетях и системах. В первую очередь речь идет о линиях передач постоянного тока, которые экономически эффективны для передачи энергии на большие расстояния. Такая линия передач на входе содержит мощный тиристорный выпрямитель, преобразующий энергию тока частоты 50 Гц в постоянный ток. На выходе линии устанавливается мощный тиристорный инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный. Обычно линии передач постоянного тока отдают энергию в системы, которые содержат другие мощные источники переменного тока. Инвертор, работающий на сеть, в которой имеются мощные источники переменного тока, называется ведомым сетью (или зависимым) инвертором. Для повышения качества регулирования параметров электрической энергии и запаса устойчивости энергосистем в последние годы стали использовать так называемые вставки постоянного тока. Так же, как и описанная выше система передачи энергии постоянным током, такие устройства содержат выпрямитель и ведомый сетью инвертор, однако эти агрегаты располагаются рядом и линия постоянного тока между ними имеет очень небольшую длину.

Второй областью применения вентильных преобразователей в электроэнергетике являются тиристорные источники реактивной мощности, позволяющие вырабатывать и регулировать реактивную мощность для компенсации ее дефицита в энергосистеме.

Третьей областью применения вентильных преобразователей в электроэнергетике является использование преобразователей для обеспечения работы основного оборудования электростанций, в частности для возбуждения синхронных гидро- или турбогенераторов и компенсаторов (схемы тиристорного возбуждения), для частотного пуска мощных генераторов (например, гидрогенераторов).

И, наконец, в последние годы интенсивно разрабатываются новые способы получения электрической энергии. И здесь находят широкое применение вентильные преобразователи. Так МГД-электростанция нуждается в инверторах для преобразования постоянного тока, вырабатываемого МГД-генератором, в ток промышленной частоты. В работах по управляемому термоядерному синтезу, которые широко ведутся в настоящее время, также используются вентильные преобразователи. Преобразователи нужны и для таких нетрадиционных источников электроэнергии, как солнечные батареи, термохимические генераторы, генераторы, использующие энергию ветра, и т.п.

Здесь перечислены только основные области применения вентильных преобразователей в электроэнергетике и электротехнике, но и по этому перечню можно заключить, что специалист в этих областях постоянно сталкивается с вентильными преобразованиями, причем их работа существенно влияет на функционирование энергетического оборудования.

Выпрямители в мощных энергетических установках имеют ряд характерных особенностей:

1. Нагрузка имеет активно-индуктивный характер: такой тип нагрузка характерен для многих потребителей средней и большой мощности, при больших токах сопротивление индуктивности короткой сети, связывающей преобразователь с нагрузкой, становится соизмеримым с сопротивлением нагрузки.
2. Необходимо при анализе принимать во внимание индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.
3. Выпрямители большой мощности, как правило, выполняются трехфазными, поскольку технические параметры трехфазных выпрямителей выше (см. § 6.4-6.5) и они обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети.
4. Весьма часто необходимо регулировать или стабилизировать напряжение на выходе выпрямителей или передаваемую в нагрузку мощность, что требует применения управляемых выпрямителей.

Рассмотрение выпрямителей с учетом всех этих особенностей представляет сложности, поэтому сначала обратимся к рассмотрению однофазных выпрямителей, на примере которых выявим характерные черты выпрямителей средней и большой мощности, а затем распространим результаты анализа на трехфазные схемы.

Для изменения напряжения на выходе выпрямителей используют управляемые выпрямители, построенные на управляемых вентилях, наиболее часто на однооперационных тиристорах. Запирание тиристоров в таких выпрямителях происходит за счет изменения полярности напряжения в сети переменного тока. В этом случае процесс переключения вентилей называется естественной коммутацией. На рис. 6.1, а приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема). От рассмотренного ранее неуправляемого выпрямителя (см. рис. 5.2, а) данный выпрямитель отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами). Рассмотрим работу схемы при разном характере нагрузки, полагая трансформатор и вентили идеальными.

6.2.1. Работа на активную нагрузку ( = 0). При указанной на рис. 6.1, а полярности напряжения сети может пропускать ток тиристор V1 при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления . Сигнал управления подается на управляющий электрод тиристора со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол , называемый углом управления (рис. 6.2, а ). Моментом естественного отпирания называем момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (на рис. 6.2 это момент = 0 для тиристора V1).

До включения тиристора V1 (т.е. при ) напряжение на нагрузке = 0. При включении тиристора в момент напряжение возрастает скачком до значения поскольку на открытом тиристоре Ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и нагрузку: При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения (рис. 6.2, а). При протекании тока через нагрузку в нагрузке рассеивается активная мощность.

При ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор V1 запирается. До отпирания тиристора V2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку на интервале не передается. В момент подается управляющий импульс на тиристор V2, тиристор открывается, на этом интервале т.е. к нагрузке приложено напряжение нижней полуобмотки трансформатора. Ток протекает через нижнюю полуобмотку, тиристор V2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент происходит запирание тиристора V2.

Завершая рассмотрение временных диаграмм рис. 6.2, а, отметим, что ток первичной обмотки трансформатора на каждой половине периода повторяет форму вторичного тока проводящей полуобмотки. Напряжение на закрытом вентиле где потенциалы анода и катода определяются относительно вывода средней точки трансформатора; очевидно, что равно ЭДС на соответствующей полуобмотке трансформатора, т.е. . Таким образом, во время бестоковой паузы На интервале работы одного из вентилей на открытом вентиле на закрытом тиристоре

Найдем среднее значение ЭДС выпрямителя, равное при холостом ходе среднему значению выходного напряжения:

где - среднее значение ЭДС па выходе неуправляемого выпрямителя [сравните с (5.1)]. Уменьшение при увеличении угла управления иллюстрируется временными диаграммами рис. 6.3 . С увеличением растет интервал бестоковой паузы, на котором мощность от сети в нагрузку не передается. Зависимость называется регулировочной характеристикой, для активной нагрузки она представлена на рис. 6.4, а .

6.2.2. Режим прерывистого тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Индуктивность препятствует нарастанию тока (временные диаграммы рис. 6.2, б). После включения тиристора V1 в момент мощность передается из сети в нагрузку, направления напряжения и тока в нагрузке совпадают (рис. 6.1, б). Энергия запасается в индуктивности нагрузки. В момент напряжение меняет знак, но индуктивность стремится задержать спад тока и V1 продолжает проводить ток.

Теперь направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (рис. 6.1, б), - это означает, что нагрузка является источником энергии, т.е. возвращает энергию, накопленную в индуктивности, в питающую сеть. Часть этой энергии при этом теряется в активном сопротивлении . В момент запасенная в индуктивности энергия равна нулю, ток спадает к нулю и V1 запирается. После бестоковой паузы в момент подается управляющий импульс на вентиль V2, и процессы повторяются. Такой режим, когда между интервалами проводимости вентилей имеются бестоковые паузы, называется режимом прерывистого тока.

Появление отрицательных площадок в кривой во время возврата энергии из нагрузки в сеть приводит к тому, что среднее значение выходной ЭДС

оказывается меньше, чем значение, определяемое из (6.1).

Выходная ЭДС зависит не только от угла управления, но и от характера нагрузки (т.е. от поскольку длительность этапа возврата энергии, запасенной в индуктивности, зависит от соотношения индуктивности и активного сопротивления нагрузки.

При увеличении индуктивности или уменьшении длительность бестоковой паузы уменьшается, при достижении выпрямитель переходит в режим непрерывного тока.

6.2.3. Режим непрерывного тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Этот режим является наиболее характерным для мощных выпрямителей, в которых обычно При указанном соотношении параметров ток нагрузки непрерывен и хорошо сглажен, его мгновенное значение равно среднему (рис. 6.2, в). На временных интервалах направления тока и напряжения в нагрузке совпадают, энергия передается от сети к нагрузке, часть ее запасается в индуктивности. На интервалах энергия, накопленная в индуктивности, возвращается в питающую сеть, но в момент включения очередного вентиля энергия, накопленная в индуктивности, еще не равна нулю. В режиме непрерывного тока длительность протекания тока через вентиль т.е. в любой момент времени нагрузка подключена к одной из полуобмоток трансформатора. Среднее значение ЭДС выпрямителя в режиме непрерывного тока

Регулировочная характеристика выпрямителя в режиме непрерывного тока приведена на рис. 6.4, а, она представляет собой косинусоиду. При значениях угла управления энергия, запасенная в индуктивности, оказывается недостаточной для поддержания непрерывного тока нагрузки и выпрямитель переходит в режим прерывистого тока, при этом уменьшается отрицательный участок кривой (t) и растет (регулировочные характеристики показаны на рис. 6.4, а). При работе на чисто индуктивную нагрузку т.е. длительности этапа накопления энергии в индуктивности и этапа возврата из нагрузки в сеть равны.

Выбор вентилей и расчет трансформатора в управляемых выпрямителях производят по тем же зависимостям, что и в неуправляемых (см. § 5.2), поскольку наибольшие токи и напряжения на элементах схемы отмечаются в режиме = 0.

6.2.4. Коммутация тока в однофазных выпрямителях. Рассмотрим особенности работы выпрямителя в режиме непрерывного тока с реальными трансформаторами. В трансформаторах средней и большой мощности индуктивные сопротивления обмоток обусловленные потоками рассеяния, значительно выше их активных сопротивлений. Вынесем индуктивные сопротивления рассеяния вторичной и первичной обмотками трансформатора в анодные цепи вентилей: - приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки. Индуктивности показаны пунктиром на рис. 6.1, а.

Выше (в п. 6.2.3) при = 0 мы полагали, что ток тиристоров имеет прямоугольную форму. Если то индуктивность будет препятствовать быстрому нарастанию и спаду тока вентилей: при подаче управляющего импульса на тиристор V2 ток тиристора V1 будет спадать в течение времени, соответствующего углу коммутации (рис. 6.5, а ). В течение того же интервала будет нарастать ток тиристора V2. На интервале коммутации одновременно проводят ток два вентиля, и трансформатор оказывается подключенным к нагрузке, как это показано на схеме замещения рис. 6.5, б.

Из этой схемы следует: и одновременно Если ток нагрузки идеально сглажен, то Тогда получаем, что на интервале коммутации напряжение на нагрузке равно полусумме ЭДС на проводящих ток обмотках. В однофазном выпрямителе (см. рис. 6.5, a)

Поскольку на интервале коммутации мгновенное значение выходного напряжения уменьшается на величину , его среднее значение также уменьшается:

где определяется по (6.2), а

Учтем, что Перейдем к новым пределам интегрирования, поскольку при Тогда

Следовательно, из-за наличия индуктивностей рассеяния трансформатора среднее значение напряжения на нагрузке уменьшается с ростом тока , поскольку при этом растет длительность коммутационного интервала . Таким образом, в однофазном выпрямителе

На рис. 6.4, б приведены внешние характеристики управляемого однофазного выпрямителя, построенные по (6.3). В отличие от маломощных выпрямителей (см. § 5.5) наклон внешних характеристик выпрямителей большой и средней мощности обусловлен коммутационными процессами в режиме непрерывного тока нагрузки. На рис, 6.4, б показано, что при при увеличении (и уменьшении ) выпрямитель переходит в режим прерывистого тока и напряжение увеличивается в соответствии с ходом регулировочных характеристик (рис. 6.4, а).

Недостатком управляемых выпрямителей по сравнению с неуправляемыми является рост пульсации выходного напряжения при увеличении угла управления, которое обнаруживается при сравнении временных диаграмм рис. 5.3 и 6.2, Разложение в ряд Фурье кривой выходного напряжения позволяет найти 1-ю гармонику пульсации. В режиме непрерывного тока при пренебрежении коммутационными процессами отношение амплитуды 1-й гармоники пульсации к среднему значению , определяемому по (6.2), дает коэффициент пульсации

где - коэффициент пульсации при = 0, рассчитываемый по выражению (5.3). Приведенное выражение для расчета q() справедливо и для рассматриваемых ниже схем выпрямителей с m > 2.

Однофазный управляемый выпрямитель может быть выполнен по мостовой схеме (см. рис. 5.4, а), при этом все вентили заменяются на управляемые (тиристоры). Основные процессы в нулевых и мостовых однофазных выпрямителях аналогичны.

Инвертор, ведомый сетью (зависимый инвертор), передает энергию из сети постоянного тока в сеть переменного тока, напряжение и частота в которой заданы другими, более мощными источниками переменного тока. Однофазная нулевая схема зависимого инвертора представлена на рис. 6.6 . Сравнение ее со схемой управляемого выпрямителя рис. 6.1, а показывает полную идентичность их элементов; различие заключается только в том, что вместо нагрузочного резистора в инверторе включен источник энергии постоянного тока , полярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя. Поэтому одна и та же вентильная схема может использоваться и в выпрямительном, и в инверторном режиме, и речь идет не столько о различных преобразователях, сколько о выпрямительно-ииверторном преобразователе, способном функционировать в двух названных режимах, отличающихся направлением потока энергии: в выпрямителе энергия из сети переменного тока поступает в цепь постоянного тока , в инверторе - из сети постоянного тока в сеть переменного тока. Напряжение и ток в инверторе называются входными.

Вернемся к временным диаграммам рис. 6.2, в. На интервале полярность (t) и направление (t) совпадают (схема рис. 6.1, б), следовательно, мощность передается из цепи переменного тока в нагрузку. На интервале 0- ток течет в прежнем направлении, а напряжение меняет знак, следовательно, цепь постоянного тока возвращает энергию в сеть переменного тока (рис. 6.1, в). Очевидно, что в инверторном режиме второй интервал, при котором энергия передается в сеть переменного тока, должен быть длиннее первого, т.е. или

Выражение (6.4) - это первое условие осуществления инверторного режима. Второе условие - это работа цепи постоянного тона в режиме источника энергии, для этого полярность напряжения и направление тока должны быть противоположны.

Подключение источника минусом к катодам тиристоров приводит к возрастанию длительности протекания тока через тиристоры инвертора , и при осуществляется режим непрерывного тока.

На рис. 6.7, а представлены временные диаграммы при работе зависимого инвертора без учета процессов коммутации (полагаем Сравнение диаграмм рис.6.7, а и 6.2, в показывает, что в этих диаграммах различны только значения угла управления: в выпрямителе и в инверторе.

В момент подается управляющий импульс на тиристор V1, при открывании тиристора , ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и цепь постоянного тока . При этом напряжение и ток имеют одно направление и энергия передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. В момент изменяется полярность , начинается передача энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. Протекание тока через V1 при отрицательном напряжении на аноде обеспечивается приложением к катоду отрицательного потенциала источника . В момент управляющий импульс подается на V2, и процесс повторяется.

На рис. 6.8, а показана полная регулировочная характеристика вентильного преобразователя в режиме непрерывного тока. При и преобразователь является выпрямителем, при - осуществляется инверторный режим.

При рассмотрении инверторов используются обозначения: (показан на рис. 6.7, а) - угол опережения и - противо-ЭДC инвертора. Подставив в уравнение регулировочной характеристики (6.2) Зависимость называется регулировочной характеристикой ведомого сетью инвертора (рис. 6.8, б); она представляет собой симметричное отображение части характеристики рис. 6.8, а.

При отсутствии потерь в дросселе среднее значение напряжения должно быть равно напряжению источника . При увеличении возрастает ток . Учтем влияние анодных индуктивностей (см. § 6.2.4) на коммутационные процессы. Временные диаграммы представлены на рис. 6.7, б. Индуктивности трансформатора препятствуют нарастанию и спаду анодных токов, поэтому на протяжении угла коммутации V1 и V2 открыты одновременно, при этом (t) = 0. Как и в управляемом выпрямителе, коммутационное падение напряжения уменьшает положительную часть , среднее значение с ростом и уменьшается, a увеличивается.

Среднее значение напряжения рассчитаем по (6.3), поскольку данное выражение справедливо в режиме непрерывного, тока при любом . Подставив в (6.3) получим

Зависимость (рис. 6.8, б) называется входной характеристикой инвертора (ток - входной ток, напряжение - входное напряжение). Выражение (6.5) позволяет связать напряжение источника со средним значением :

При увеличении при = const увеличивается и увеличивается мощность, передаваемая в есть переменного тока. Если при увеличении необходимо поддерживать = const, надо увеличить , т.е. уменьшить ; при этом также возрастает мощность, передаваемая со входа инвертора в сеть переменного тока. Максимальное значение инвертируемой мощности достигается при Однако этот режим в реальных инверторах на однооперационных тиристорах, как показывается ниже, неосуществим и углы управления ограничены значениями

Рассмотрим кривую анодного напряжения на тиристоре V1 на временных диаграммах рис. 6.7, б. Для осуществления надежного запирания тиристора после того, как через него проходил ток, необходимо, чтобы в течение интервала, длительность которого не менее , к тиристору было приложено обратное напряжение. Время выключения является паспортным параметром тиристора (см. § 1.8). По диаграммам рис. 6.7, б видно, что отрицательное анодное напряжение поддерживается на тиристоре на интервале длительностью Следовательно, надежное запирание тиристоров выполняется при условии ограничивающем угол При невыполнении этого условия тиристор при появлении на аноде положительного напряжения вновь включится в работу без управляющего сигнала. Одновременная проводимость двух тиристоров инвертора приведет к короткому замыканию трансформатора и источника постоянного тока, дальнейшая коммутация тиристоров окажется невозможной и возникнет аварийный режим, называемый опрокидыванием инвертора.

Как видно из рассмотренного описания работы инвертора, коммутация вентилей, т.е. выключение одного из них при отпирании другого и переход на него тока , осуществляется, как и в выпрямителе, за счет переменного напряжения сети. Если это напряжение почему-либо исчезнет, например при коротком замыкании в сети, коммутация окажется невозможной и произойдет опрокидывание инвертора. Эта зависимость работы инвертора от напряжения сети отражена в его названии: инвертор, ведомый сетью, или зависимый инвертор.

В режиме = 0 угол коммутации максимальное значение , при котором возможна коммутация, При увеличении тока растет угол коммутации , увеличивается и уменьшается Зависимость называется ограничительной характеристикой ведомого инвертора, она показана на семействе входных характеристик рис. 6.8, в. Устойчивая работа инвертора без опасности опрокидывания возможна только при выборе таких значений тока и угла , которые соответствуют значениям , лежащим ниже ограничительной характеристики ОХ:

Ведомые сетью инверторы широко используются в преобразовательной технике. Наряду с инверторами, которые работают постоянно (например, на приемном конце линии передачи постоянного тока), существуют преобразователи, которые попеременно работают в выпрямительном и инверторном режиме. Например, перевод преобразователя для электропривода с двигателем постоянного тока в инверторный режим позволяет осуществить ускоренное торможение этого двигателя.

Применение многофазных выпрямителей позволяет:

1. создать равномерную нагрузку на все три фазы сети;
2. уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения;
3. уменьшить расчетную мощность трансформатора;
4. повысить коэффициент мощности (см. гл. 7).

На рис. 6.9, а приведена трехфазная нулевая схема выпрямления. При ее выполнении на тиристорах получается управляемый выпрямитель, при замене тиристоров на диоды - неуправляемый. Нагрузка включается между нулем звезды, образованной вторичными обмотками трансформатора и катодами вентилей. Будем рассматривать наиболее характерный для мощных преобразователей режим работы на активно-индуктивную нагрузку, при этом предположим, что индуктивность велика

На рис. 6.9, б приведена трехфазная система вторичных напряжений Кривые вторичных напряжений определяют изменение потенциалов анодов вентилей, подключенных к этим фазам, относительно нулевой точки звезды . На временных диаграммах представлен режим работы выпрямителя при = 0 (или работа неуправляемого выпрямителя). Трансформатор и тиристор полагаем идеальными.

Моменты соответствующие точкам пересечения двух синусоид вторичных напряжений, являются моментами естественного отпирания. Пусть в момент подан положительный управляющий импульс на тиристор V1, при его отпирании пойдет ток и на нагрузке установится напряжение Если выпрямитель выполнен на диодах, диод V1, подключенный к фазе , откроется в момент автоматически, так как а этот момент потенциал его анода станет выше, чем потенциалы анодов V2 и V3. Потенциал катода проводящего тиристора V1 (и всех других вентилей) относительно нулевой точки звезды Следовательно, к катодам всех тиристоров приложено наиболее положительное напряжение и тиристоры V2 и V3 на интервале заперты.

В момент наиболее положительным становится вторичное напряжение и отпирается диод V2 или, если V2-тиристор, то на него в момент подается управляющий импульс. При отпирании V2 этим потенциалом на катоде надежно запираются V1 и V3. В момент появляется возможность отпереть V3 и на нагрузке устанавливается Таким образом, в каждый момент проводит тиристор, потенциал анода которого наиболее положителен, в точках естественного отпирания происходит переход тока с одного вентиля на другой. Напряжение представляет собой кривую, образованную из отрезков синусоид фазных напряжений, имеющих на данном интервале наиболее положительный потенциал. Кривая пульсирует с периодом в 3 раза меньшим, чем период частоты сети, частота пульсации Коэффициент пульсации напряжения q может быть найден по формуле (5.3) при подстановке m = 3; получаем q = 0,25. Пульсация выходного напряжения в трехфазных выпрямителях меньше, чем в однофазных, а частота пульсации выше, что позволяет сгладить пульсацию фильтром с меньшей мощностью реактивных элементов.

Определим полезный эффект выпрямления - среднее значение выходной ЭДС за период пульсации. В показанной на рис. 6.9 системе координат период пульсации заключен в пределах Амплитуда тогда

При большой индуктивности в цепи нагрузки ток нагрузки хорошо сглажен а токи вентилей и вторичных обмоток имеют вид прямоугольных импульсов с амплитудой и длительностью Для выбора тиристора по току находим среднее значение тока за период:

Для выбора тиристора по напряжению найдем обратное напряжение. На неработающем тиристоре (например, на V2 при открытом V1) потенциал анода потенциал катода напряжение на вентиле Таким образом, к неработающему вентилю приложено линейное напряжение и его максимальное значение равно [с учетом (6.6)]

Ток вторичной обмотки трансформатора имеет постоянную составляющую, определяемую (6.7). Постоянная составляющая не трансформируется в первичную обмотку, поэтому ток первичной обмотки (рис. 6.9, б) определяется

где - коэффициент трансформации.

Наличие постоянной составляющей во вторичных токах трансформатора приводит к подмагничиванию его магнитопровода, из-за чего увеличивается намагничивающий ток. Это препятствует применению трехфазных нулевых выпрямителей в мощных установках, однако они находят широкое применение как составная часть более сложных выпрямителей (см. § 6.5, 6.6).

Как уже отмечалось, рассмотренный режим работы, иллюстрируемый диаграммами на рис. 6.9, б, в случае выпрямителя на тиристорах соответствует нулевому значению угла управления = 0.

При подаче управляющих импульсов на тиристоры схемы рис. 6.9, а с задержкой относительно моментов естественного отпирания на угол появляется возможность регулировать среднее значение выходного напряжения . Как и раньше, при работе V1 при включении V2 при работе V3 В режиме непрерывного тока нагрузки = 120° и напряжение на нагрузке в каждый момент времени соответствует ЭДС одной из фаз трансформатора (временные диаграммы при различных углах управления приведены на рис. 6.10 ).

Среднее значение выходного напряжения при в режиме непрерывного тока

где - выпрямленное напряжение при = 0.

Последнее выражение идентично (6.2): в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя имеет косинусоидальный характер независимо от числа фаз выпрямителя.

Рассмотрение диаграмм рис. 6.9 позволяет заключить:

1) отрицательные участки в кривой появляются при , поэтому при < 30° режим прерывистого тока невозможен при любой (в том числе активной) нагрузке;

2) при > 90°, как и в однофазном выпрямителе, возможен инверторный режим, если в цепь постоянного тока будет введен источник энергии, полярность которого противоположна полярности напряжения рассмотренного выше выпрямителя.

Трехфазная мостовая схема выпрямления является наиболее распространенной в области средних и больших мощностей. На рис. 6.11, а представлена схема мостового управляемого выпрямителя на тиристорах. При замене тиристоров на диоды получим схему трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя. Вентили схемы образуют две группы: V1, V3, V5 - катодную (у них объединены катоды), и V2, V4, V6 - анодную. Приняв потенциал общей точки звезды вторичной обмотки трансформатора за нуль, можно считать, что напряжение на нагрузке есть сумма выходных напряжений двух трехфазных нулевых схем выпрямления (§ 6.4), собранных на вентилях катодной и анодной групп. Напряжение на нагрузке - потенциал катодов вентилей катодной группы, а - потенциал анодов вентилей анодной группы.

6.5.1. Работа выпрямителя при = 0 (или работа неуправляемого выпрямителя). На рис. 6.11, б представлены временные диаграммы токов и напряжений в этом режиме. Как и в трехфазном нулевом выпрямителе, в каждый момент времени ток проводит один тиристор катодной группы, у которого напряжение на аноде наиболее положительно, и один анодной группы, у которого напряжение на катоде наиболее отрицательно. Моментами естественного отпирания тиристоров катодной группы являются точки пересечения синусоид при положительных напряжениях, для тиристоров анодной группы - точки пересечения тех же синусоид при отрицательных напряжениях. От моментов естественного отпирания отсчитывают углы управления . В момент , например, проводят ток V1 и V2, а ток замыкается по контуру обмотка - V1 - нагрузка - V2 - обмотка .

Через два проводящих тиристора нагрузка подключается на линейное напряжение, например, при работе V1 и V2 - на напряжение . После прекращения работы V1 и отпирания V3 к нагрузке приложено линейное напряжение и т.д. Таким образом, выходное напряжение имеет амплитуду, равную амплитуде линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора: - действующее значение фазного напряжения. На рис. 6.11, б построена кривая выходного напряжения представляющие собой верхнюю и нижнюю огибающие синусоид , выделены. Период повторения напряжения при выбранном на рисунке начале координат заключен между а среднее значение выходной ЭДС выпрямителя

По сравнению с (6.6) возросло вдвое, что и следовало ожидать, учитывая что на нагрузке в мостовой схеме суммируются напряжения двух нулевых выпрямителей.

Частоты пульсации а коэффициент пульсации найдем по (5.3), подставив число пульсации за период сети m = 6, получим q = 0,06. Снижение пульсации выходного напряжения и повышение частоты пульсации означают улучшение качества выходного напряжения мостового трехфазного выпрямителя по сравнению с нулевым.

На той же временной диаграмме показан ток (t). В типичном для мощных преобразователей режиме ток нагрузки постоянен: на диаграмме указаны номера тиристоров, через которые проходит ток нагрузки. Амплитуда анодного тока а длительность его протекания Как и в нулевой схеме, [сравните с (.6.7)].

Для выбора тиристоров помимо необходимо знать . Напряжение на неработающем тиристоре катодной (анодной) группы определяется где потенциал анода (катода) относительно общей точки звезды определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора, связанной с данным тиристором, а потенциал катода (анода) всех тиристоров данной группы равен потенциалу т.е. наиболее положительному (наиболее отрицательному) из . Таким образом, неработающего тиристора определяется линейным напряжением. На рис. 6.11, б заштриховано напряжение . Амплитуда обратного напряжения на тиристоре равна амплитуде линейного напряжения, тогда с учетом (6.9)

Сравнивая (6.10) с (6.8), видим, что при том же в мостовом выпрямителе вдвое меньше, но и тиристоров в 2 раза больше, чем в нулевом.

Ток вторичной обмотки фазы А складывается из тока тиристоров V1 и V4 и имеет форму, показанную на рис. 6.11, б. Ток не имеет постоянной составляющей, поэтому подмагничивания трансформатора не происходит: форма тока первичной обмотки такая же, как и во вторичной: - коэффициент трансформации.

Для расчета трансформатора найдем действующее значение тока , учитывая, что этот ток имеет форму разно-полярных прямоугольных импульсов с амплитудой и длительностью на полупериоде 120°:

В данной схеме форма токов и напряжений первичной и вторичной обмоток одинаковы, поэтому равны и расчетные мощности этих обмоток. Расчетная мощность трансформатора с учетом (6.9)

К достоинствам мостовой схемы по сравнению с нулевой схемой можно отнести малую величину и большую частоту пульсации, малую расчетную мощность и отсутствие подмагничивания трансформатора, а также вдвое меньшее по сравнению с нулевой схемой отношение что позволяет получать достаточно высокие напряжения при использовании тиристоров того же класса.

6.5.2. Работа при При подаче импульсов управления на тиристоры выпрямителя (рис. 6.11, а) с задержкой относительно моментов естественного отпирания на угол управления в режиме непрерывного тока кривая выходного напряжения состоит из отрезков линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Временные диаграммы при различных углах управления приведены на рис. 6.12 . Среднее значение выходной ЭДС выпрямителя находим, интегрируя эти кривые:

По-прежнему в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя описывается выражением (6.2) и имеет косинусоидальный характер.

При углах управления < 60° отрицательный участок в кривой (t) отсутствует и выпрямитель при любой нагрузке работает в режиме непрерывного тока. При > 90° возможна работа преобразователя в инверторном режиме, для этого в цепи постоянного тока включается источник энергии, полярность которого противоположна выходной ЭДС выпрямителя .

6.5.3. Коммутационные процессы и внешние характеристики трехфазного мостового выпрямителя. В реальных трансформаторах большой мощности необходимо учитывать индуктивности рассеяния обмоток. Как и в однофазном выпрямителе (§ 6.2.4), вынесем индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток во вторичную цепь: Индуктивность обмотки трансформатора препятствует скачкообразным изменениям токов поэтому эти токи имеют не прямоугольную, как упрощенно предполагалось ранее, а трапецеидальную форму (временные диаграммы напряжений и токов в мостовом выпрямителе при учете приведены на рис. 6.13 ).

В результате влияния анодных индуктивностей ток с вентиля на вентиль переходит не мгновенно и на интервале, определяемом углом коммутации , ток проводят одновременно два тиристора одной группы (анодной или катодной). В момент , показанный на рис. 6.13, ток в V3 нарастает, а в V1 падает, при их одновременной работе потенциал

На интервале коммутации выходное напряжение преобразователя уменьшается на величину , это напряжение приложено к анодной индуктивности. На интервалах между коммутациями ток проводит только один тиристор и форма выходного напряжения остается неизменной.

Среднее значение выходного напряжения за счет коммутационных процессов снижается:

Значение может быть найдено как среднее значение на интервале повторяемости, который равен так как в мостовом трехфазном выпрямителе за период сети происходит шесть коммутаций: три в анодной группе, три - в катодной группе вентилей. Следовательно,

Учитываем, что Заменим пределы интегрирования, поскольку при Получим

Внешняя характеристика трехфазного выпрямителя имеет такой же вид, как внешняя характеристика однофазного выпрямителя (см. рис. 6.4, б), количественные отличия заключаются только в значении напряжения холостого хода и в наклоне кривых, который зависит от пульсности выходного напряжения m.

На рис. 6.13 показана форма тока , потребляемого выпрямителем из сети. В этой кривой есть две важные особенности. Во-первых, ток, потребляемый выпрямителем из сети, несинусоидален, и это характерно и для других типов выпрямителей (см. рис. 5.4, б, 6.2, а-в, 6.9, б), которые поэтому могут быть охарактеризованы как нелинейная нагрузка для питающей сети. Вторая особенность - это фазовый сдвиг первичного тока относительно напряжения сети, который характерен для всех управляемых выпрямителей (см. также рис. 6.2, a-в). Обе эти особенности играют важную роль в преобразовательной технике и в энергетике, ими обусловлено влияние вентильных преобразователей на питающую сеть, рассмотрению которого посвящена гл. 7.

Мощные выпрямительно-инверторные агрегаты применяются, в частности, для питания обмоток возбуждения синхронных гидро- и турбогенераторов (схемы тиристорного возбуждения). Обмотка возбуждения представляет собой индуктивную нагрузку с малыми потерями, необходимая для возбуждения мощность составляет 0,3-3% от мощности синхронной машины. Установленный на валу синхронной машины синхронный возбудитель связан с обмоткой возбуждения через выпрямитель, ток которого регулируется при изменении углов управления тиристоров в зависимости от величины и характера нагрузки генератора. При индуктивном характере сети и при возрастании нагрузки ток возбуждения увеличивается. В зависимости от тока возбуждения может изменяться реактивная мощность генератора. Режим, при котором реактивная мощность соответствует нулю, называется режимом полного или нормального возбуждения. При увеличении тока возбуждения (режим перевозбуждения) синхронная машина генерирует реактивную мощность для сети с активно-индуктивной реакцией. В режиме холостого хода такой генератор для сети эквивалентен емкости и называется синхронным компенсатором.

Для быстрого прекращения тока возбуждения преобразовательный агрегат переводится в инверторный режим при этом накопленная в обмотке возбуждения энергия возвращается в питающую сеть. Таким образом, управление тиристорным преобразователем схемы возбуждения позволяет реализовать основные режимы работы синхронного генератора.

При построении трехфазного мостового выпрямителя на шести вентилях в нагрузке можно получить наибольший ток выпрямленное напряжение При использовании наиболее мощных вентилей, выпускаемых промышленностью, можно получить в нагрузке мощность порядка мегаватта. Однако в электротехнике и энергетике требуются выпрямители и зависимые инверторы, мощность которых на несколько порядков выше названной величины, достаточно вспомнить вентильные преобразователи для линий передач постоянного тока. В преобразователях, рассчитанных на большие токи (на практике - единицы килоампер и выше), применяют параллельное соединение вентилей, а в преобразователях на большие напряжения (единицы киловольт и выше) - последовательное соединение вентилей.

При параллельном соединении вентилей к ним прикладывается одинаковое прямое напряжение. Сопротивления вентилей при прохождении прямого тока имеют значительный разброс, поэтому прямой ток в параллельных ветвях может распределяться неравномерно, что приведет к перегрузке по току и выходу из строя тиристора, имеющего наименьшее сопротивление. Для выравнивания токов в статических и динамических режимах используют индуктивные делители тока, показанные на рис. 6.14, а .

При последовательном соединении тиристоров через все тиристоры протекает один и тот же обратный ток. Сопротивления вентилей в обратном направлении также имеют разброс, поэтому обратное напряжение распределится на них неравномерно. Вентиль, имеющий наибольшее сопротивление, примет на себя большую часть напряжения и может быть пробит. Для выравнивания напряжений в статических и динамических режимах используют делители напряжений. Один из вариантов показан на рис. 6.14, б.

Делители тока и напряжения снижают КПД преобразователя за счет потерь в активных элементах. Они не обеспечивают полного выравнивания напряжений и токов, поэтому параметры тиристоров в преобразователе выбираются с большим запасом, что приводит к увеличению числа используемых тиристоров и повышению стоимости преобразователя.

В области больших мощностей широко применяют параллельное и последовательное подключение к нагрузке нескольких однотипных вентильных комплектов, что позволяет не только получить требуемые напряжение и ток нагрузки, но и добиться ряда преимуществ.

Рассмотрим основные варианты составных преобразователей. Ограничим рассмотрение работой преобразователей при = 0 (или работой неуправляемых выпрямителей). Анализ управляемых выпрямителей повторяет результаты, полученные в § 6.2-6.5.

На рис. 6.15, а показан двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором, который состоит из двух трехфазных нулевых выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

Подключение вторичных обмоток трансформатора по схеме двойной звезды обеспечивает фазовый сдвиг напряжений первого нулевого выпрямителя (V1, V2, V3) относительно напряжения второго нулевого выпрямителя (V4, V5, V6) на 60°. При работе первого нулевого выпрямителя формируется выходное напряжение и ток , форма которых показана на верхней диаграмме на рис. 6.15, б. На второй сверху диаграмме показана форма напряжения и тока второго нулевого выпрямителя. При построении токов полагали, что Токи обоих выпрямителей равны: через нагрузку протекает суммарный ток

Форма напряжений и их среднее значение также одинаковы, однако эти напряжения сдвинуты относительно друг друга на 60° и их мгновенные значения различны. Разницу мгновенных значений принимает на себя реактор , напряжение на котором показано на рис. 6.15, б. Мгновенное значение напряжения на нагрузке

Форма приведена на рис. 6.15, б. Частота пульсации этого напряжения равна Коэффициент пульсации q, получаемый при постановке в (5.3) m = 6, равен 0,06, т.е. качество выходного напряжения такое же, как и в мостовом трехфазном выпрямителе.

В первичной обмотке трансформатора происходит сложение токов, индуцированных из вторичных обмоток, в результате ток (рис. 6.15, б) симметричен относительно оси , постоянного подмагничивания трансформатора в схеме нет.

Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором во многом напоминает мостовой трехфазный выпрямитель, только в нем нулевые вентильные комплекты подключаются к нагрузке не последовательно, а параллельно. Поэтому такой выпрямитель находит широкое применение при работе на нагрузку, потребляющую большие токи при сравнительно невысоких напряжениях. Наиболее энергоемкие нагрузки этого типа встречаются в электротехнологии.

Составные 12-пульсные (m = 12) выпрямители можно создать при параллельном или последовательном соединении двух мостовых трехфазных выпрямителей (рис. 6.16, а, б ). В выпрямителе по рис. 6.16, а вентильные комплекты подключены к нагрузке последовательно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений двух мостов: Выходной ток первого моста протекает через нагрузку, а затем замыкается через второй выпрямительный мост, поэтому мгновенные значения токов также и средние значения токов связаны соотношением

В выпрямителях рис. 6.16 применяют схемы подключения комплектов через трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена в треугольник, а другая в звезду. Равенство средних значений выходных напряжений обеспечивается выбором числа витков вторичных обмоток, соединенных в звезду и треугольник по соотношению

Система вторичных напряжений а, b, с сдвинута относительно системы вторичных напряжений (а', b', с') на угол 30°. Поэтому и выходные напряжения вентильных комплектов сдвинуты на 30°, временные диаграммы этих напряжений приведены на рис. 6.17 . При суммировании этих напряжений на нагрузке в схеме рис. 6.16, а получаем напряжение , показанное на рис. 6.17 и имеющее пульсации с частотой Коэффициент пульсации в соответствии с (5.3) при m = 12 равен q = 0,014, следовательно, качество выходного напряжения лучше, чем у мостовой схемы, рассмотренной в § 6.5. Обратное напряжение на вентилях равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, при учете (6.10) Схема рис. 6.16, а широко применяется в выпрямителях с высокими значениями выходного напряжения.

При больших значениях выходного тока применяется схема рис. 6.16, б, в которой вентильные мосты подключены к нагрузке параллельно. Через нагрузку протекает сумма токов двух мостов: Та же зависимость связывает и средние значения токов:

За счет фазового сдвига на 30° мгновенные значения напряжений не равны (см. рис. 6.17), разница между ними приложена к реактору . Мгновенное значение напряжения на нагрузке показано на рис. 6.17:

Среднее значение напряжения на нагрузке - действующее значение фазового напряжения на вторичных обмотках трансформатора. Как и в трехфазном мостовом выпрямителе, в схеме рис. 6.16, б Качество выходного напряжения в схемах с параллельным и последовательным соединением мостов (рис. 6.16) идентично.

На рис. 6.17 показаны также токи вторичных обмоток обоих комплектов (они имеют одинаковую форму в каждой из схем рис. 6.16). При соединении вторичных обмоток в звезду ток соответствует рис. 6.11, б. Ток в обмотках, соединенных в треугольник, имеет прямоугольную форму, показанную на рис. 6.17 (ток ). В первичную обмотку трансформируется сумма токов обеих вторичных обмоток. Временная диаграмма тока приведена на рис. 6.17; она представляет собой ступенчатую фигуру, больше приближающуюся к синусоиде, чем первичные токи ранее рассмотренных преобразователей. Поэтому 12-пульсные преобразователи по отношению к сети являются нагрузкой, свойства которой близки к линейной. Преимущества такой формы первичного тока показаны в гл. 7.

Таким образом, в составных 12-пульсных преобразователях рис. 6.16 достигается не только увеличение мощности, отдаваемой в нагрузку по сравнению с мощностью одного комплекта, но и улучшается гармонический состав выходного напряжения и тока, потребляемого из сети. Эти преимущества обусловили весьма широкое применение составных 12-импульсных преобразователей в области больших мощностей.

В табл. 6.1 обобщены сведения о вентильных преобразователях различных типов.

Таблица 6.1. Основные показатели   выпрямителей (RL - нагрузка, )

№ рисунков	Тип выпрямителя	Пульсность m	Число* вентилей	q0
6.1, а	Однофазный нулевой	2	2	0,67	0,50	3,14	1,34
5.4, а	Однофазный мостовой	2	4	0,67	0,50	1,57	1,11
6.9, а	Трехфазный нулевой	3	3	0,25	0,33	2,09	1,34
6.11, а	Трехфазный мостовой	6	6	0,06	0,33	1,05	1,05
6.15, а	Двойной трехфазный с уравнительным реактором	6	6	0,06	0,17	2,09	1,26
6.16, а	12-пульсный	12	12	0,014	0,33	0,52	1,05
6.16, б	"	12	12	0,014	0,17	1,05	1,05

* Указано минимальное число вентилей (без последовательного и параллельного соединения).

Реверсивными называются преобразователи, позволяющие изменять полярность постоянного напряжения и тока в нагрузке. Реверсивные преобразователи используются, главным образом, в электроприводе для изменения на правления вращения двигателей постоянного тока.

Структурная схема реверсивного выпрямителя приведена на рис. 6.18, а . Преобразователь состоит из двух вентильных комплектов ВК1 и ВК2, подключенных к нагрузке встречно-параллельно. Каждый из комплектов может быть построен на основе любой рассмотренной схемы управляемых выпрямителей (см. § 6.1-6.6). При работе ВК1 ток в нагрузке протекает в положительном направлении. При работе ВК2 полярность тока изменяется на противоположную.

В зависимости от способа управления вентильными комплектами реверсивные преобразователи бывают двух видов:

1. Реверсивные преобразователи с раздельным управлением, при котором управляющие импульсы приходят только на один из комплектов, проводящих ток. Импульсы управления на второй комплект в это время не подаются, и его вентили заперты. Реактор в схеме может отсутствовать.

2. Реверсивные преобразователи с согласованным управлением, при котором импульсы управления поступают одновременно на вентили обоих вентильных комплектов с определенным согласованным углом управления: - углы управления ВК1 и BK2 соответственно. В схеме рис. 6.18 имеется реактор .

Рассмотрим работу реверсивного преобразователя при раздельном управлении, предположив, что нагрузкой вместо R является двигатель постоянного тока М с независимым возбуждением (рис. 6.18, а). При отпирании ВК1 полярность напряжения и направление тока соответствуют указанным на рис. 6.18, а. Для реверсирования тока в момент (рис. 6.17, б) снимаем импульсы управления с BK1. При этом ток спадает до нуля со скоростью, определяемой индуктивностью сглаживающего дросселя . Спустя время паузы, достаточное для прекращения тока при подаем отпирающие импульсы на BK2 с углом управления . В силу инерции двигателя с нагрузкой частота вращения n и напряжение на якоре Е за время паузы практически не изменяются. Так как при BK2 работает в инверторном режиме, двигатель переходит в генераторный режим, т.е. выступает в роли источника энергии. Ток BK2 создает в машине тормозной момент, что приводит к быстрому снижению скорости n и ЭДС в цепи якоря Е. Торможение двигателя с возвратом в питающую сеть энергии, запасенной во вращающихся массах, называется рекуперативным. Скорость убывания угла управления из при торможении часто выбирают такой, чтобы инвертирование в условиях снижающегося Е проходило при номинальном токе .

При угол управления скорость n = 0, E = 0, т.е. двигатель останавливается. Продолжая уменьшать разгоняем двигатель до номинальной скорости в противоположном направлении (момент ). При этом ВК2 работает в выпрямительном режиме и полярность выходного напряжения изменяется на обратную.

Для торможения двигателя теперь надо снять импульсы управления с BK2 и, выждав паузу, включить ВК1 в инверторном режиме при На интервалах 0- (рис. 6.18, б) ВК1 работает в выпрямительном режиме, на интервале BK2 - в инверторном режиме, а на интервале BK2 работает выпрямителем и т.д.

При раздельном управлении между интервалами работы ВК1 и BK2 необходима бестоковая пауза, в течение которой восстанавливаются запирающие свойства тиристоров. При отсутствии паузы возможно образование короткозамкнутого контура из-за одновременного включения ВК1 и BK2. Необходимыми элементами систем управления реверсивными преобразователями с раздельным управлением являются датчики тока нагрузки, которые позволяют точно зафиксировать момент спада тока к нулю и исключить возможность короткого замыкания вентилей преобразователя. При согласованном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на ВК1 и ВК2, причем для углов управления комплектов выполняется равенство Один из комплектов работает в выпрямительном режиме, другой в это же время - в инверторном режиме. Выходные ЭДС комплектов равны, но противоположны по знаку - при учете показанных на рис. 6.18, а стрелок, указывающих принятую за положительную полярность

Поскольку ЭДС ВК1 и ВК2 направлены навстречу и равны, постоянный ток в контуре, включающем оба комплекта, отсутствует при любом значении напряжений. Однако мгновенные значения отличаются друг от друга за счет разницы углов управления Разность мгновенных значений напряжений прикладывается к уравнительному реактору , выполняющему примерно ту же функцию, что и в схемах рис. 6.15, а, 6.16, б.

Допустим, что из-за увеличения момента на валу двигателя он начинает тормозиться, скорость n и ЭДС Е уменьшаются. Тогда и в цепи якоря увеличивается ток ВК1. Этот ток будет создавать дополнительный вращающий момент, и двигатель ускорится. В результате двигатель будет работать в установившемся режиме, когда его вращающийся момент равен моменту сопротивления на валу. При этом BK1 работает в выпрямительном режиме, ВК2 закрыт, поскольку

При уменьшении угла управления возрастет ЭДС ВК1 , следовательно, растут ток, вращающий момент двигателя, его скорость и ЭДС Е. При резком увеличении угла противо-ЭДС якоря Е окажется больше, чем , и будет препятствовать прохождению тока через тиристоры ВК1, ток спадет к нулю. Затем в работу вступит ВК2, у которого при соответствующем уменьшении выходная ЭДС уменьшилась. При этом комплект ВK2 работает инвертором и ток , протекая через машину в указанном на рис, 6.18, а направлении, создает тормозной момент, скорость снижается и уменьшается значение Е. При согласованном управлении нагрузка оказывается как бы зажатой между двух источников напряжения , ведущих нагрузку.

Если значение Е увеличивается сверх заданного значения, (например, при уменьшении момента сопротивления на валу), машина будет отдавать энергию через один из вентильных комплектов (в зависимости от направления вращения), работающий как инвертор, если же Е снижается, то двигатель получает энергию от другого вентильного комплекта, работающего как выпрямитель. Таким образом в реверсивном преобразователе с согласованным управлением напряжение на нагрузке следует за средним значением внутренней ЭДС вентильных комплектов.

Рассматриваемая схема рис. 6.18,а может работать в циклическом режиме, при котором внутренняя ЭДС преобразователя будет изменяться по синусоидальному закону. В таком случае получаем непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Рассмотрим работу НПЧ с раздельным управлением вентильными комплектами. Внутренняя ЭДС обоих комплектов в соответствии с (6.2)

Для того чтобы выходная ЭДС преобразователя изменялась по синусоидальному закону необходимо изменять углы управления вентильных комплектов по закону.

где коэффициент v задает значение выходного напряжения.

На рис. 6.19 показаны кривые выходной ЭДС, выходного тока НПЧ и изменения углов управления BK1 и ВК2.

Из-за индуктивного характера нагрузки ток нагрузки отстает от напряжения на угол . Поэтому ВК1 работает в выпрямительном режиме ВР от момента вступления его в работу до момента , после чего угол управления и внутренняя ЭДС BK1 изменяет знак. ВК1 начинает работать в инверторном режиме ИР, а энергия, запасенная в реактивных элементах цепи нагрузки, возвращается в питающую сеть. При ток нагрузки спадает к нулю, вступает в работу ВК2 в выпрямительном режиме и ток начинает нарастать, но уже в противоположном направлении. Энергия запасается в реактивных элементах нагрузки. В момент направление внутренней ЭДС ВК2 изменяется но ток продолжает течь в прежнем направлении и ВК2 работает в инверторном режиме.

На рис. 6.19 видно, что мгновенные значения внутренних ЭДС ВК1 и ВК2 имеют пульсации, которые увеличиваются при снижении отношения При питании НПЧ от сети промышленной частоты диапазон выходных частот простирается от 0 до 20-25 Гц. Выше этих частот качество выходного напряжения ухудшается, а при Гц работа НПЧ становится невозможной: при таких частотах вентили должны выключаться несколько раз за период выходной частоты, а при естественной коммутации однооперационных тиристоров это неосуществимо. НПЧ с трехфазным выходом создается на основе трех НПЧ с однофазным выходом (рис. 6.18, а), взаимный сдвиг выходных напряжений обеспечивается системой управления.

НПЧ находят применение в электроприводах на основе асинхронных и синхронных машин, а также для питания ряда мощных электротермических и электротехнологических установок.

Мощность реверсивных преобразователей и НПЧ в настоящее время достигает нескольких десятков мегаватт и выше.

Изменение мощности, подводимой к потребителям переменного тока промышленной частоты, осуществляют с помощью регулируемых преобразователей переменного напряжения (рис. 6.20, а ). Преобразователь состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

В зависимости от способа управления преобразователем (закона формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров) возможны два способа регулирования: широтно-импульсный и фазовый.

При широтно-импульсном регулировании на пониженной частоте оба тиристора находятся во включенном и выключенном состоянии в течение интервалов, больших, чем период частоты питающего напряжения, т.е. преобразователь работает в режиме "включено-выключено" (рис. 6.20, б). При подаче управляющих импульсов на тиристоры они пропускают обе полуволны напряжения в нагрузку и выполняют роль ключа, проводящего ток в двух направлениях. При снятии управляющих импульсов с тиристоров они не включаются: ключ разомкнут, напряжение и ток в нагрузке равны нулю. При редком включении и отключении нагрузки преобразователь выполняет функцию бесконтактного пускателя для подключения различных потребителей;

двигателей, электротермических установок и т.д. При периодическом включении и отключении ключа появляется возможность регулирования мощности в нагрузке за счет изменения длительности включенного состояния тиристоров относительно периода повторения циклов Т: Средняя за период Г мощность в нагрузке

где - мощность в нагрузке при отсутствии регулирования.

Подобное регулирование мощности осуществляется, например, в электрических печах, имеющих большую тепловую постоянную времени.

При фазовом регулировании изменяют фазу импульсов управления относительно момента естественного отпирания вентилей, при этом также регулируется длительность подключения нагрузки к питающей сети (рис. 6.20, в-д), но эта длительность не превышает половину периода частоты сети. Этот способ позволяет получить более плавную и быстродействующую регулировку мощности и используется в сварочных аппаратах, для регулирования освещения, управления асинхронными двигателями, регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора в высоковольтных выпрямителях, выполненных на диодах.

Рассмотрим работу преобразователя переменного напряжения с фазовым управлением при активной нагрузке При положительной полуволне напряжения сети PC вентиль V2 оказывается под обратным напряжением и пропускать ток не может. Тиристор V1 находится под прямым напряжением и отпирается в момент (рис. 6.20, в), при этом нагрузка подключается к сети и Напряжение возрастает скачком, ток повторяет форму напряжения. В момент полярность напряжения сети меняется, ток спадает к нулю и тиристор V1 запирается. До отпирания V2 в момент напряжение и ток в нагрузке отсутствуют. При подаче в момент управляющего импульса на V2, он отпирается, напряжение на нагрузке вновь становится равным напряжению сети йц== =е^. В момент происходит запирание V2. При работе V1, V2 мощность передается из сети в нагрузку. При запертых тиристорах мощность от сети не потребляется.

Мощность, в активной нагрузке можно рассчитать через действующее значение напряжения на нагрузке :

При увеличении угла управления интервал передачи мощности от сети к нагрузке уменьшается, мощность в нагрузке падает. Регулировочная характеристика преобразователя переменного напряжения приведена для активной нагрузки на рис. 6.21 .

Если нагрузка активно-индуктивная то индуктивность нагрузки препятствует резким изменениям тока и затягивает длительность протекания тока через тиристор На рис. 6.20, г приведены временные диаграммы напряжений и токов в преобразователе при

В момент управляющий импульс подается на V1, он открывается, на нагрузке устанавливается напряжение и начинает нарастать ток нагрузки На интервале мощность передается из сети в нагрузку и частично запасается в индуктивности. В момент напряжение сети изменяет свой знак, но индуктивность задерживает уменьшение тока и V1 остается открытым. Начиная с момента направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (см. рис. 6.1, а), т.е. индуктивность цепи нагрузки отдает накопленную энергию. В момент энергия в индуктивности исчерпана, ток = 0. До включения V2 следует бестоковая пауза (режим прерывистого тока). В момент управляющий импульс подается на вентиль V2, на интервале энергия снова передается из питающей сети в нагрузку.

При увеличении угла управления а интервал, на котором энергия передается в нагрузку, будет уменьшаться и действующее значение напряжения на нагрузке будет снижаться.

При уменьшении угла управления интервал, на котором в нагрузку передается энергия из сети, возрастает, при напряжение на нагрузке в течение всего периода и бестоковая пауза в нагрузке исчезает. Ток нагрузки имеет синусоидальную форму и сдвинут относительно напряжения на угол , тиристоры открыты поочередно в течение и нагрузка накоротко подключена к сети. Таким образом, в режиме непрерывного тока управляющее действие преобразователя теряется.

При дальнейшем уменьшении изменить величину и форму тока невозможно, так как в любой момент времени нагрузка связана с сетью. Ток через V1 начинает протекать в момент а через V2 - в момент Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы в эти моменты на указанных вентилях были управляющие импульсы, которые, следовательно, должны иметь достаточную длительность. В противном случае вентиль не откроется и работа преобразователя нарушится, В процессе работы характер нагрузки изменяется, меняется и угол , поэтому для предотвращения срыва работы преобразователя при подаче импульсов управления в моменты система управления формирует длинные импульсы (см. рис. 6.20, д). Тиристоры в этом режиме включаются не в моменты подачи импульса, а в моменты перехода тока через нуль. Поэтому область углов не может быть использована для регулирования напряжения в нагрузке. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения при работе на активно-индуктивную нагрузку приведены на рис. 6.21. При работе на индуктивную нагрузку и область регулирования напряжения на нагрузке охватывает углы управления В этом случае импульсы управления должны иметь длительности не менее .

Действующее значение напряжения на нагрузке при работе на активно-индуктивную нагрузку

Это напряжение зависит не только от напряжения сети и угла управления, но и от характера нагрузки: чем больше угол , тем больше затягивается интервал прохождения тока через тиристор , тем большее время напряжение на нагрузке повторяет напряжение сети и тем больше . Зависимость выходного напряжения от характера нагрузки характерна для работы преобразователей в режиме прерывистого тока (см. § 6.2.2).

Для расчета параметров тиристоров, необходимых для их выбора, следует знать параметры нагрузки: наибольшие ток и напряжение. Средний ток через тиристор рассчитываем по режиму наибольшего тока через нагрузку в режиме и считаем, что имеет синусоидальную форму, тогда

Максимальное напряжение на тиристоре равно амплитуде ЭДС сети:

6.1. По каким соотношениям рассчитывают действующие и средние значения несинусоидальных напряжений и токов?

6.2. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие в однофазном управляемом выпрямителе при = 45° и активной нагрузке, при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока.

6.3. Нарисовать временные диаграммы в однофазном управляемом выпрямителе (активно-индуктивная нагрузка) при = 120° и зависимом инверторе при = 120°. Объяснить различие в этих диаграммах.

6.4. Вывести уравнение регулировочной характеристики однофазного преобразователя при активной нагрузке и при активно-индуктивной нагрузке (режим непрерывного тока), объяснить различие в величинах при одинаковом угле управления.

6.5. Объяснить процессы коммутации в однофазном управляемом выпрямителе и ведомом инверторе, вывести уравнение внешней характеристики выпрямителя и входной характеристики инвертора. Почему первая из них при увеличении имеет падающий характер, а вторая - возрастающий (объяснить с помощью временных диаграмм )?

6.6. Как можно регулировать мощность, передаваемую через инвертор? Почему ограничивается максимальное значение угла (минимальное значение угла )?

6.7. Построить кривую анодного напряжения вентиля в однофазном выпрямителе при = 60° в режиме непрерывного тока и в режиме прерывистого тока нагрузки (R и RL-нагрузка), объяснить скачки в кривой.

6.8. Какой ток и напряжение в нагрузке можно получить в трехфазном нулевом выпрямителе, собранном на трех вентилях 10-го класса, рассчитанных на средний ток 1000 А каждый?

6.9. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие напряжения в трехфазном нулевом и мостовом выпрямителях с RL-нагрузкой.

6.10. Объяснить влияние индуктивности рассеяния на процессы в трехфазных выпрямителях. Вывести формулу внешней характеристики трехфазного нулевого выпрямителя.

6.11. Объяснить форму кривой первичного тока трехфазного нулевого и мостового выпрямителей. Какое влияние на форму первичного тока оказывает угол управления и коммутационные процессы?

6.12. Построить временные диаграммы трехфазного нулевого выпрямителя при = 60° (режим непрерывного тока нагрузки).

6.13. Объяснить принцип действия выпрямителя по схеме рис. 6.15, а и кривые выходного напряжения, напряжения на уравнительном реакторе и первичного тока.

6.14. Объяснить, как получены цифровые данные в трех нижних строках табл. 6.1.

6.15. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие в преобразователе переменного напряжения действующие значения среднее значение анодного тока и действующее значение тока в нагрузке при и активной нагрузке, Как изменятся эти выражения при активно-индуктивной нагрузке?

6.16. Объяснить регулировочную характеристику преобразователя переменного напряжения при активной, активно-индуктивной и чисто индуктивной нагрузках. Почему в преобразователях данного типа импульсы управления должны быть широкими?