Преобразователь переменного тока в переменный. Преобразователи постоянного тока. Особенности применения

Преобразователи постоянного тока, именуемые также DC/DC-конвертерами, все чаще становятся неотъемлемой частью современных систем электропитания. Несмотря на их структурную и схемотехническую идентичность выпрямителям, есть ряд особенностей, которые необходимо учитывать при построении комплексных установок с несколькими номиналами выходного напряжения. В статье рассмотрены вопросы надежной работы защитных аппаратов, питаемых конвертерами цепей, приведены примеры расчетов и конструктивного исполнения.

ООО «Беннинг Пауэр Электроникс», г. Домодедово, МО

В различных системах электропитания постоянного тока, где раньше традиционно главенствовали достаточно консервативные, но тем не менее надежные решения, все чаще находят применение модульные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Это касается как выпрямителей, так и преобразователей постоянного тока (DC/DC), иначе называемых конвертерами. Особенно часто такие преобразователи стали использовать для резервного питания оборудования технологической связи, устройств контроля, сигнализации и различных вспомогательных устройств, устанавливаемых на главных распределительных щитах. Кроме того, современные преобразователи могут обеспечить режим полной гальванической развязки и резервирования при организации питания особо критичных нагрузок.

Хотя требования, предъявляемые к ка­честву электроснабжения таких элек­троприемников, не разработа­ны отдельно и в деталях, но, очевидно, его характеристики должны быть не хуже представленных в «Правилах применения оборудования электропитания средств связи» общих параметров установок постоянного тока.

Структурная схема и логика работы современных DC/DC-конвертеров аналогична импульсным выпрямительным модулям, построенным по ШИМ-технологии. Отличие только в одном: у конвертера аккумуляторная батарея подключена на входе, а не на выходе. А именно батарея на выходе выпрямителя обеспечивает не только соответствующие токи для надежного срабатывания защитных аппаратов фидерных цепей при коротких замыканиях, но и дополнительное сглаживание пульсаций напряжения, внося существенный вклад в обеспечение требуемой постоянной времени питаемых цепей.

Практически единственный выход – поиск иных источников, обеспечивающих требуемый ток короткого замыкании. Можно, конечно, умышленно занизить быстродействие конвертеров, усилив при этом выходной каскад, и воспользоваться энергией все той же батареи со стороны входа конвертера. Однако такое решение вряд ли можно считать рациональным. Более правильный подход – грамотное использование обычных электролитических конденсаторов в качестве дополнительного источника выходного тока.

В статье С. Е. Рыжикова «Особенности выбора и работы DC/DC устройств в СОПТ» была сделана попытка обосновать, что можно обойтись и без каких-либо конденсаторов. Но, похоже, не всегда. Ведь рассмотренные в примерах единичные случаи малых нагрузочных токов и, соответственно, невысоких токов срабатывания автоматических выключателей вряд ли можно распространить на все схемы построения электропитающих установок, когда время срабатывания может затянуться до сотен миллисекунд и даже секунд. Делать постоянный расчет на надежное срабатывание выключателей только от выходных токов конвертера в режиме стабилизации вряд ли допустимо, тем более что режим стабилизации тока сопровождается снижением напряжения, когда и остальные нагрузки подвергаются результатам действия короткого замыкания в единичном фидере, что неприемлемо. Основное требование – быстрое отключение фидера с коротким замыканием, при этом остальные нагрузки пострадать не должны. А это значит, что в соответствии с правилами необходимо обеспечить отключение с быстродействием не хуже 50 мс при снижении напряжения на 50 % и более.

Именно поэтому настоятельно рекомендуется использовать электролитические конденсаторы (или конденсаторные батареи), установленные на выходных шинах конвертеров. Если используется группа параллельно работающих конвертерных модулей (при резервировании N+1, например), то конденсаторы подключаются уже после объединяющих диодов.

Расчет емкости конденсаторов должен строиться исходя из следующих соображений.

Допустим, что нагрузочный фидер требует обеспечить напряжение питания 26 В, при этом для защиты используется автоматический выключатель с номинальным током 16 А и характеристикой расцепления по группе «К». В качестве источника питания применен модульный конвертер с импульсным преобразованием 220 В / 26 В. Чтобы ограничить падение напряжения, вызванное коротким замыканием в цепи, и не допустить сбоя остальных нагрузок, отключение должно произойти в течение 10…20 мс.

Это означает, что для надежного отключения автомата выбранного типа потребуется обеспечить кратность номинального тока не менее 15.

Требуется обеспечить ток Iкз = = Iн × 15 = 240 A.

Зададим время отключения t = 10 мс.

Блок конденсаторов должен обеспечить ток Iк = 240 – 50 = 190 А.

Для этого требуется запасти и отдать в цепь энергию конденсатора P = 26 × 190 × 0,01 = 49,4 Дж.

Расчетная суммарная емкость конденсаторов:

Например, при использовании унифицированных электролитических конденсаторов стандартной емкостью 15,000 мкФ будет достаточно установить блок из 10 конденсаторов, как и показано на фотографии реальной установки (рис. 1).

Рис. 1. Установка с электролитическими конденсаторами мощностью 10 мкФ

Не следует бояться, что при подаче питания на установку импульс зарядного тока большой амплитуды у таких конденсаторов приведет к срабатыванию внутренних защит конвертера, так как в большинстве современных модулей обеспечено плавное нарастание выходного напряжения с экспоненциальной характеристикой заряда. Ручной предварительный заряд конденсаторов давно отошел в прошлое.

Для упрощения расчета и производства компания «Беннинг» использует единый типовой узел (рис. 2), где требуемая емкость определяется набором конденсаторов.

Рис. 2. Схема типового узла

Блок резисторов R1…R4 необходим для оперативного разряда конденсаторов при отключении всего устройства и для безопасности проведения ремонтных работ (рис. 3).

Рис. 3. Блок резисторов

Следует обратить внимание на расчет сечения шин, объединяющих конденсаторный блок, так как именно эта цепь должна обеспечить протекание тока короткого замыкания.

Подводя итоги, можно определить функциональное назначение и области применения конвертеров следующим образом:

Преобразование значения номинального питающего напряжения, что позволяет строить комплексные системы электропитания с несколькими выходными напряжениями;

Стабилизация, когда, несмотря на колебания напряжения на батарее в режимах заряда и разряда, можно получить стабильное напряжение на фидерах нагрузки;

2.1 Неуправляемые выпрямители

2.1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

На первичную обмотку (рис.9,а) подаётся синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке также будет синусоидальное напряжение

На рисунке 9,б показана диаграмма напряжений на трансформаторе и тока нагрузки.

На рисунке 9,в – диаграмма выпрямленного напряжения. Среднее выпрямленное напряжение равно

Геометрически среднее значение выпрямленного напряжения может быть представлено высотой прямоугольника (косая правая штриховка) с основанием, равным периоду 2π и площадью, равной площади, которая ограничивается кривой выпрямленного напряжения (косая левая штриховка).

Среднее значение тока нагрузки .

Во вторичной обмотке будет протекать пульсирующий ток , содержащий постоянную составляющую (рис.9,г).

На рисунке 9,д представлен первичный ток в предположении, что коэффициент трансформации , а ток холостого хода равен нулю.

Заштрихованные площади на диаграмме тока равны, что указывает на отсутствие постоянной составляющей тока. Таким образом, ток первичной обмотки отличается от тока вторичной обмотки на постоянную составляющую , т.е.

Магнитный поток будет иметь постоянную составляющую, которая будет увеличивать насыщение. Это вызывает возрастание намагничивающего тока и необходимость в завышении расчётной мощности трансформатора.

2.1.2 Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке 10,а. Трансформатор с двумя вторичными обмотками, имеющими равное число витков. Напряжения вторичных полуобмоток равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на 180˚. Нагрузка включается между средней (нулевой) точкой трансформатора и катодами вентилей.

Работа схемы на активную нагрузку . Ключ К замкнут. Напряжение вторичной полуобмотки

При полярности (без скобок) в течение времени 0 ÷ θ 1 проводит V1, V2 – выключен.

В следующий полупериод θ 1 ÷ θ 2 (полярность в скобках) V1- закрывается, ток нагрузкиначинает проходить через открывшийся V2.

Переход тока нагрузки с V1 на V2 носит название процесса коммутации. Так как переход тока произошёл под действием питающего напряжения , такая коммутация называется естественной и осуществляется в точках перехода через нуль вторичных напряжений.

Временные диаграммы напряжений и токов на различных участках схемы показаны на рисунке 10б, в, г, д.

Ток и напряжения ,пульсируют по величине с частотой в два раза превышающей частоту сети (т=2).

Подмагничивание трансформатора постоянным током отсутствует.

Количественные соотношения.

Средние значения выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока .

1) Максимальное обратное напряжение на вентиле

2) Максимальное значение тока вентиля

3) Среднее значение тока вентиля равно половине тока нагрузки

4) Действующее значение токов вентиля и вторичной обмотки

5) Коэффициенты будут равны

6) Токи трансформатора ,

где - коэффициент трансформации

7) Мощности обмоток трансформатора ,

где - номинальная мощность выпрямленного тока

8) Фактическая мощность, выделяемая в нагрузке

9) Коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора

Мощность трансформатора должна быть завышена на 20 % по сравнению с мощностью нагрузки.

Работа схемы на ОВ МПТ. Ключ К разомкнут. Форма тока через вентили (пунктир на рис.10,в) представляет собой прямоугольные импульсы длительностью 180 0 с амплитудой .

Ток поддерживается постоянным за счёт запаса электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности L В. Ток первичной обмотки также имеет прямоугольную форму (рис.10,г пунктир).

Формы кривых выпрямленного и обратного напряжений остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку (рис.10,б,д).

В связи с этим изменения количественных соотношений коснётся только токов. Обычно при выводе расчётных соотношений принимают L В = ∞. Однако они справедливы для .

1). Максимальное значение тока вентиля становится равным .

2). Действующие токи через вентиль и вторичную обмотку трансформатора будут

3). Действующий ток прямоугольной формы в первичной обмотке

4). Мощности трансформатора

Так как для постоянного тока, не содержащего пульсаций, мощности и равны, поэтому коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора будет равен К Пр = 1,34.

Таким образом, наличие достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки приводит к увеличению расчётной мощности трансформатора, но улучшает использование вентилей по току.

Работа выпрямителя на якорь МПТ.

Э.д.с. якоря направлена навстречу напряжению (рис.11,а). В связи с этим ток будет определяться разностью напряжения выпрямителя и э.д.с. Предположим вначале, что ключ К (рис.11,а) замкнут .

Откуда следует, что ток якоря из-за односторонней проводимости вентилей может проходить при условии , т.е. когда мгновенное выпрямленное напряжение больше э.д.с. двигателя. Вентили включаются в моменты и выключаются в моменты (рис.11,б). В результате выпрямленный ток якоря будет иметь прерывистый характер.

Первичный ток носит также прерывистый характер (рис.11,г ) и равен нулю, когда =0. Поэтому величины токов в элементах схемы также изменяются.

Форма и величина выпрямленного и обратного напряжения остаются прежними.

При включении достаточно большой индуктивности якоря цепи (ключ К разомкнут). Наличие противо э.д.с. приводит только к изменению среднего значения выпрямленного тока (при = I d ; ).

В данном режиме возможно протекание в якорной цепи тока даже при .

2.1.3. Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 12).

замкнут). В положительный полупериод напряжения ток проходит через вентили по пути , а вентили закрыты. В следующий полупериод вентили V1, V3 запираются, а вентили V2, V4 открываются. Ток протекает всегда по двум последовательно включённым вентилям.

Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.10, б, в, г , д). Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

¾ среднее выпрямленное напряжение

¾ коэффициент схемы

¾ максимальное значение обратного напряжения на вентилях

¾ максимальное значение тока вентиля

¾ среднее значение тока вентиля

¾ действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора:

¾ коэффициент превышения расчётной мощности К Пр =1;

¾ коэффициенты использования вентиля по напряжению и току

.

Основные схемы трёхфазных неуправляемых выпрямителей.

Основные достоинства трёхфазных схем по сравнению с однофазными следующие:

1) меньшая величина высших гармоник в кривой выпрямленного напряжения К П и кривой тока, потребляемого из сети ;

2) большая частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя, что приводит к снижению габарита и массы силовых фильтров;

3) лучшее использование трансформатора и вентилей;

2.1.4. Трёхфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой (рис. 13, а).

В момент времени ток начинает проводить вентиль V1 , присоединенный к фазе «а» . Через время 2π/3 () V1 запирается, а V2 открывается. Происходит коммутация тока нагрузки с вентиля V1 на V2. В точке 3 (рис. 13,в ) , вентиль V2 запирается, V3 начинает проводить ток и т.д.

Естественная коммутация тока нагрузки с вентиля на вентиль происходит в точке пересечения синусоид фазных напряжений. Поэтому точки 1, 2, 3 называются точками естественной коммутации вентилей.

Каждый вентиль проводит ток в течение 2π/3 каждого периода напряжения питающей сети.

Выпрямленное напряжение представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений (рис.13,г). При активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет по форме кривую напряжения . Частота пульсаций ,в три раза больше частоты сетевого напряжения (m = 3).

В непроводящую часть периода к вентилю прикладывается обратное напряжение (рис.13,е), которое формируется из фазных напряжений закрытого и проводящих вентилей.

Когда проводит V2 к вентилю V1 приложено линейное напряжение , в момент включения V3 подаётся напряжение . Соответствующие напряжения на рисунке 13,в заштрихованы.

Форма первичного тока (рис.13,ж), построенная по кривым фазных токов вторичной обмотки, отклоняется от синусоиды.

За начало отсчёта примем момент прохождения напряжения фазы «а» (рис.13,в) максимального значения.

Среднее значение выпрямленного напряжения найдём путём интегрирования напряжения на вторичной обмотке в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:

Пределы интегрирования соответствуют времени проводящего состояния вентиля. Для схемы (рис. 13,а)

m = 3; тогда .

Среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке

.

Коэффициент схемы .

Коэффициент пульсации для ν – й гармоники равен , а частота пульсаций .

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения

Действующее значение напряжения вторичной обмотки, находим из выражения для :

Максимальное значение тока вентиля

Среднее значение тока вентиля .

При прохождении тока через вентиль и вторичную обмотку создаётся вынужденный поток (постоянная составляющая) подмагничивания сердечника. Эти потоки составляют 20-25 % от основного потока трансформатора. Это вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и соединяют в зигзаг (рис.13,б). При этой схеме на каждом стержне располагаются по две полуобмотки разных фаз, в которых токи протекают в противоположных направлениях. В результате постоянная составляющая магнитного потока становится равной нулю.

Токи первичных обмоток содержат только переменные составляющие, так как постоянные составляющие токов не трансформируются.

При работе на реальную нагрузку (ключ К на рис.13,а разомкнут) изменяется форма токов (становятся прямоугольными) в вентиле, нагрузке и в обмотках трансформатора (пунктир на рис.13,д,ж).

Соотношения для токов будут

Расчётные мощности обмоток

2.1.5. Трёхфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) (рис.14,а)

В момент времени Θ 1 (рис.14,б) в катодной группе проводить V1, а в анодной – V6. Переход тока с вентиля на вентиль в обеих группах происходит в точках естественной коммутации К 1 , К 2, K 3 ,…, А 1 , А 2 , А 3 и т.д.

Порядок вступления в работу вентилей соответствует их номерам и показан на рисунке 14,б.

Потенциал общих катодов по отношению к нулевой точке трансформатора изменяется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей фазных напряжений , , .

Мгновенное выпрямленное напряжение (рис.14,г ) равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, заключённым между верхней и нижней огибающими (рис.14,б).

Пульсации выпрямленного напряжения и тока при активной нагрузке происходят c шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через вентиль показана на рисунке 14,в,г . При активной нагрузке и работе выпрямителя на ОВ (пунктирная линия на рис.14,в).

Обратное напряжение имеет форму как в нулевой схеме, но в 2 раза меньшей амплитуды. Среднее выпрямленное напряжение при m = 6

Коэффициент схемы .

Выражение для справедливо для активной и индуктивной нагрузки. Остальные соотношения с индуктивной нагрузкой обмотки. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки.

Максимальный ток вентиля .

Средний ток вентиля .

Действующее значение тока вентиля .

Действующие значения тока обмоток, а также расчётные мощности обмоток трансформатора .

Коэффициенты использования элементов схемы .

Сравнительный анализ различных схем выпрямления приведён в таблице 1, рисунок 16.

2.1.6. Многомостовые схемы (рис. 15)

Можно выделить многомостовые схемы с одним трансформатором и многомостовые с двумя и более трансформаторами, имеющие разные группы соединения обмоток.

Основное назначение многомостовых схем - это уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и улучшение формы тока, потребляемого из питающей сети, приближение её к синусоидальной.

На рисунке 15,а,б представлены два варианта двух мостовых схем с параллельным соединением мостов. Первая состоит из трёхобмоточного трансформатора, соединённого по схеме Υ/Υ-Δ и двух трёхфазных мостов. Вторая схема имеет два двухобмоточных трансформатора, один из которых соединён по схеме Υ/Υ, а другой – по схеме Δ/Υ, и два трёхфазных моста.

Тиристорным преобразователем постоянного тока (ТП) является устройство для преобразования переменного тока в постоянный с регулированием по заданному закону выходных параметров (тока и напряжения). Тиристорные преобразователи предназначаются для питания якорных цепей двигателей и их обмоток возбуждения.

Тиристорные преобразователи состоят из следующих основных узлов:

Трансформатора или токоограничивающего реактора на стороне переменного тока,

Выпрямительных блоков,

Сглаживающих реакторов,

Элементов системы управления, защиты и сигнализации.

Трансформатор осуществляет согласование входного и выходного напряжений преобразователя и (так же, как и токоограничивающий реактор) ограничение тока короткого, замыкания во входных цепях. Сглаживающие реакторы предназначаются для сглаживания пульсаций выпрямленных напряжения и тока. Реакторы не предусматриваются, если индуктивность нагрузки достаточна для ограничения пульсаций в заданных пределах.

Применение тиристорных преобразователей постоянного тока позволяет реализовать практически те же характеристики электропривода, что и при использовании вращающихся преобразователей в (Г - Д), т. е. регулировать в широких пределах частоту вращения и момент двигателя, получать специальные механические характеристики и нужный характер протекания переходных процессов при пуске, торможении, реверсе и т. д.

Однако, по сравнению с вращающимися статические преобразователи имеют целый ряд известных преимуществ, поэтому в новых разработках крановых электроприводов предпочтение отдается статическим преобразователям. Тиристорные преобразователи постоянного тока наиболее перспективны для применения в электроприводах крановых механизмов мощностью свыше 50-100 кВт и механизмов, где требуется получение специальных характеристик привода в статических и динамических режимах.

Схемы выпрямления, принципы построения силовых цепей преобразователей

Тиристорные преобразователи выполняются с однофазными и многофазными . Существует несколько расчетных соотношений основных схем выпрямления. Одна из таких схем показана на рис. 1, а. Регулирование выпрямленного напряжения Ua и тока Ia производится путем изменения угла управления α . На рис. 1, б-д для примера показан характер изменения токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме выпрямления при активно-индуктивной нагрузке

Рис. 1. Трехфазная нулевая схема (а) и диаграммы изменения тока и напряжения в выпрямительном (б, в) и инверторном (г, д) режимах.

Показанный на диаграммах угол γ (угол коммутации), характеризует период времени, в течение которого ток протекает одновременно по двум тиристорам. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Ua от угла регулирования α называется регулировочной характеристикой.

Для нулевых схем среднее выпрямленное напряжение определяется из выражения

где m - число фаз вторичной обмотки трансформатора; U2 ф – действующее значение фазового напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Для мостовых схем Udo в 2 раза выше, так как эти схемы эквивалентны последовательному включению двух нулевых схем.

Однофазные схемы выпрямления используются, как правило, в цепях с относительно большими индуктивными сопротивлениями. Это цепи независимых обмоток возбуждения двигателей, а также якорные цепи двигателей небольшой мощности (до 10-15 кВт). Многофазные схемы используются в основном для литания якорных цепей двигателей мощностью свыше 15- 20 кВт и реже для питания обмоток возбуждения. По сравнению с однофазными многофазные схемы выпрямления имеют целый" ряд преимуществ. Основными из них являются: меньшие пульсации выпрямленного напряжения и тока, лучшее использование трансформатора и тиристоров, симметричная нагрузка фаз питающей сети.

В тиристорных преобразователях постоянного тока, предназначенных для крановых приводов мощностью свыше 20 кВт, наиболее оправдано применение . Это обусловлено хорошим использованием трансформатора и тиристоров, низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и тока, а также простотой схемы и конструкции трансформатора. Известным достоинством трехфазной мостовой схемы является и то, что она может быть выполнена не с трансформаторной связью, а с токоограничивающим реактором, габариты которого существенно меньше габаритов трансформатора.

В трехфазной нулевой схеме условия использования трансформатора при обычно применяемых группах соединения Y/Y и Δ/Y хуже из-за наличия постоянной составляющей потока. Это приводит к увеличению сечения магнитопровода и, следовательно, расчетной мощности трансформатора. Для исключения постоянной составляющей потока применяют соединение вторичных обмоток трансформатора в «зигзаг», что также несколько увеличивает расчетную мощность. Увеличенный уровень, пульсаций выпрямленного напряжения вместе с отмеченным выше недостатком ограничивает использование трехфазной нулевой схемы.

Шестифазная схема с уравнительным реактором целесообразна при использовании ее на низкое напряжение и большой ток, так как в этой схеме нагрузочный ток протекает параллельно, а не последовательно через два диода, как в трехфазной мостовой схеме. Недостатком этой схемы является наличие уравнительного реактора, имеющего типовую мощность около 70% выпрямленной номинальной мощности. Кроме того, в шестифазных схемах используется довольно сложная конструкция трансформатора.

Схемы выпрямления на тиристорах обеспечивают работу в двух режимах - выпрямительном и инверторном. При работе в инверторном режиме энергия из цепи нагрузки передается в питающую сеть, т. е. в противоположном направлении по сравнению с выпрямительным режимом, поэтому при инвертировании ток и э. д. с. обмотки трансформатора направлены встречно, а при выпрямлении - согласно. Источником тока в режиме инвертирования является э. д. с. нагрузки (машины постоянного тока, индуктивности), которая должна превышать напряжение инвертора.

Перевод тиристорного преобразователя из выпрямительного режима в инверторный достигается изменением полярности э. д. с. нагрузки и увеличением угла α выше π/2 при индуктивной нагрузке.

Рис. 2. Встречно-параллельная схема включения вентильных групп. УР1- УР4 - уравнительные реакторы; РТ - токоограничивающий реактор; CP - сглаживающий реактор.

Рис. 3. Схема нереверсивного ТП для цепей обмоток возбуждения двигателей. Для обеспечения режима инвертирования необходимо, чтобы закрывающийся очередной тиристор успел восстановить свои запирающие свойства, пока на нем имеется отрицательное напряжение, т. е. в пределах угла φ (рис. 1, в).

Если это не произойдет, то закрывающийся тиристор может снова открыться, так как к нему прикладывается прямое напряжение. Это приведет к опрокидыванию инвертора, при котором возникнет аварийный ток, поскольку э. д. с. машины постоянного тока и трансформатора совпадут по направлению. Для исключения опрокидывания необходимо, чтобы выполнялось условие

где δ - угол восстановления запирающих свойств тиристора; β = π - α - угол опережения инвертора.

Силовые схемы тирсторных преобразователей, предназначенных для питания якорных цепей двигателей, выполняются как в нереверсивном (одна выпрямительная группа тиристоров), так и в реверсивном (две выпрямительные группы) исполнениях. Нереверсивные исполнения тиристорных преобразователей, обеспечивающих одностороннюю проводимость, позволяют работать в двигательном и генераторном режимах только при одном направлении момента двигателя.

Для изменения направления момента требуется или изменить направление тока якоря при неизменном направлении потока возбуждения, или изменить направление потока возбуждения при сохранении направления тока якоря.

Реверсивные тиристорные преобразователи имеют несколько разновидностей схем силовой цепи. Наибольшее распространение получила схема с встречно-параллельным подключением к одной вторичной обмотке трансформатора двух вентильных групп (рис. 2). Такая схема может быть выполнена и без индивидуального трансформатора с питанием тиристорных групп от общей сети переменного тока через анодные токоограничивающие реакторы РТ. Переход на реакторный вариант значительно сокращает размеры тиристорного преобразователя и снижает его стоимость.

Тиристорные преобразователи для цепей обмоток возбуждения двигателей выполняются в основном в нереверсивном исполнении. На рис. 3, а показана одна из применяемых схем включения выпрямительных элементов. Схема позволяет в широких пределах изменять ток возбуждения двигателя. Минимальное значение тока имеет место, когда тиристоры Т1 и Т2 закрыты, а максимальное, когда они открыты. На рис. 3, б, г показан характер изменения выпрямленного напряжения для этих двух состояний тиристоров, а на рис. 3, в для состояния, когда

Способы управления реверсивными тиристорными преобразователями

В реверсивных тиристорных преобразователях применяются два основных способа управления вентильными группами - совместный и раздельный. В свою очередь совместное управление выполняется согласованным и несогласованным.

При согласованном управлении отпирающие импульсы на подаются на обе группы вентилей таким образом, чтобы средние значения выпрямленного напряжения у обеих групп были равны между собой. Это обеспечивается при условии

где a в и a и - углы регулирования выпрямительной и инверторной групп. При несогласованном управлении среднее значение напряжения инверторной группы превышает напряжение выпрямительной группы. Это достигается при условии, если

Мгновенное значение напряжений групп при совместном управлении не равны друг другу во все моменты времени, вследствие чего в замкнутом контуре (или контурах), образуемых тиристорными группами и обмотками трансформатора, течет уравнительный ток, для ограничения которого в цепь тиристорного преобразователя включаются уравнительные реакторы УР1-УР4 (см. рис. 1).

Реакторы включают в контур уравнительного тока по одному или по два на группу, причем, их индуктивность выбирается такой, чтобы уравнительный ток не превышал 10% номинального тока нагрузки. При включении токоограничивающих реакторов по два на группу они выполняются насыщающимися при протекании тока нагрузки. Например, при работе группы В насыщаются реакторы УР1 и УР2, а реакторы УРЗ и УР4 остаются ненасыщенными и ограничивают уравнительный ток. Если реакторы включаются по одному на группу (УР1 и УРЗ), то они выполняются не насыщающимися при протекании тока нагрузки.

Преобразователи с несогласованным управлением имеют меньшие габариты реакторов, чем при согласованном управлении. Однако при несогласованном управлении снижается диапазон допустимых углов регулирования, что приводит к худшему использованию трансформатора и уменьшению коэффициента мощности установки. Одновременно нарушается линейность регулировочных и скоростных характеристик электропривода. Для полного исключения уравнительных токов используется раздельное управление вентильными группами.

Раздельное управление заключается в том, что управляющие импульсы подаются только на ту группу, которая в данный момент должна работать. На вентили неработающей группы управляющие импульсы не подаются. Для изменения режима работы тиристорного преобразователя используется специальное переключающее устройство, которое при равенстве нулю тока тиристорного преобразователя сначала снимает управляющие импульсы с ранее работающей группы, а затем после небольшой паузы (5-10 мс) подает управляющие импульсы на другую группу.

При раздельном управлении нет необходимости включения уравнительных реакторов в цепи отдельных групп вентилей, возможно полное использование трансформатора, снижается вероятность опрокидывания инвертора вследствие уменьшения времени работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме, уменьшаются потери энергии и соответственно увеличивается к. п. д. электропривода из-за отсутствия уравнительных токов. Однако раздельное управление предъявляет высокие требования к надежности устройств для блокирования управляющих импульсов.

Сбой в работе блокирующих устройств и появление управляющих импульсов на нерабочей группе тиристоров приводят к внутреннему короткому замыканию в тиристорном преобразователе, так как уравнительный ток между группами в этом случае ограничен только реактансом обмоток трансформатора и достигает недопустимо большого значения.

Союз Советских

Социаттистических

f61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) 3айвлен923,08.76 (2I) 2399215/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) ОПУбликовано 050278,6толлетень № 5 (45) Дата оп бликовании описании 2601.78 (51) N. Кл.

ГввтхвРвтввннкн 88кнтвт

0888тв МнннвтР88 ССОР

88 двлнк вввбрвтвннй

8 втнрктнй (53) УДК 621.316.722 (088 ° 8) P2) Авторы изобретении

Э.Н.Гречко, В.Б.Павлов, О.С.Якимов и О.И.Фирсов (78) 3аивитель

Институт электродинамики AH Украинской ССР (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТСЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям постоянного напряжения, обеспечивающим управляемое питание нагрузки постоянным током.

Известны тиристорные преобразователи постоянного напряжения,которые классифицируют как преобразователи с последовательной коммутацией и независимым контуром перезаряда коммутирующего конденсатора (1, Г2) и (31 .

Наиболее близким к изобретению является преобразователь (3 3, содержащий силовой тиристор, включенный последовательно с ним линейный дроссель связанный через дополнительный дроссель с катодом дополнительного тиристора и анодом диода, причем анод дополнительного тиристора и катод диода. соединены между собой и с общей точкой коммутирующего конденсатора и -вспомогательного, дросселя, включенного последовательно со вспомогательным диодом.

Недостатком известной схемы является то, что для раскачки напряжения на коммутирующей емкости до напряжения большего, чем напряжение источника питания, в цепи протекания рабочего тока нагрузки необходимо включать индуктивность с пониженной добротностью с целью рассеивания необходимой энергии на коьетутирующем конденсаторе, что естественно приводит к ухудшению энергетических показателей схемы. В то же время, так как не осуществляется необходимая раскачка напряжения в достаточной мере на коммутирующем конденсаторе, то ста80 вится под угрозу процесс принудитель-, ной коммутации главного тиристора преобразователя. Таким образом, энергетические показатели узла коммутации преобразования в значительной т6 степени влияют на надежность его работы.

Целью изобретения является повышение надежности преобразователя, а также улучшение его энергетических по.80 казателей.

Указанная цель достигается тем, что линейный и дополнительный дроссе.ли выполнены с промежуточным отводом, причем промежуточный отвод линейного дросселя соединен с концом дополнительного дросселя, промежуточный отвод которого соединен с катодом до- полнительного тиристора.

Схема преобразователя представЗ0 лена на чертеже.

Преобразователь содержит источник питания 1, силовой тиристор 2, нагрузку 3, шунтированную обратным диодом 4, дополнительный тиристор 5, шунтированный полуобмоткой дополнительного линейного дросселя 6 и диодом 7, линейный дроссель 8, коммутирующий конденсатор 9, вспомогательный линейный дроссель 10 и вспомогательный диод 11.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном положении коммутирующий конденсатор 9 заряжен до напряжения, несколько превышающего напряжение источника питания 1. Пусть от- i5 крыт силовой тиристор 2, и к нагрузке приложено напряжение питания. Для коммутации тока нагрузки подается импульс управления на дополнительный тиристор 5, в результате чего к. у3 обмотке Ю линейного дросселя 8 че-. рез обмотку% дополнительного дросселя 6 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора 9. Величина индуктивности обмотким, дополнительного дросселя 6 выбирается, исходя из условия ограничения резкого броска тока через тиристор 5 в момент подачи на него отпирающего импульса до величины тока нагрузки, протекающего через линейный дроссель 8. По сравнению с индуктивностью обмотки W дросселя 8 величина индуктивности обмотки Ю дросселя 6 значительно меньше, поэтому Фактически все напряжение коммутирующего конденсатора 9 прикла- 35 дывается к обмотке w дросселя 8.

Непосредственно на дросселе 8 за счет магнитной связи обмоток Uf и W наводится напряжение, превышающее напряжение источника питания. Выбор 40. числа витков обмотки W линейного дросселя 8 приводится, исходя из необходимого обратного напряжения, прикладываемого к силовому тиристору 2, от величины которого, как известно, в значительной степени зависит время восстановления тиристоров. Тиристор

2 при этом восстановит управляющие свойства. Ток нагрузки 3 замкнется через диод 4. В дальнейшем конденсатор 9 через тиристор 5, обмотку дросселя 6 и обмотку Ф, дросселя

8 перезарядится до обратного напряжения, после чего начнется новый перезаряд конденсатора через обмотку

w, дросселя 8, обе обмотки W, и А дросселя 6 и диод 7 до исходной полярности напряжения на пластинах. Необ-. ходимое обратное восстанавливающее.напряжение для тиристора 5 создается за счет падения напряжения на обмот- 60 ке W дросселя 6 и падения напряжег ния на диоде 7. По окончанию перезаряда конденсатора 9 до исходной полярности, начнется доэаряд конденсатора через вспомогательный дрос@ель

10 и диод 11. Если обозначить напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 в момент начала доэаряда через О;... то можно сделать вывод, что это йапряжение будет несколько меньше напряжения источника питания за счет конечных добротностей дросселей 8 и 6. Поэтому при дальнейшем доэаряде конденсатора 9 от источника питания через вспомогательный линейный дроссель 10 будем иметь некоторое превышение напряжения на коммутирующем конденсаторе над величиной напряжения источника питания, однако оно не будет существенным из-за того,что

РазниЦа (Е - UeÄ) то же не особенно велика и, кроме того, контур дозаряда коммутирующего контура также имеет конечные добротности элементов.

Таким образом, практически можно говорить о том, что конечное напряжение дозаряда конденсатора равно величине напряжения источника питания.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного тока в постоянный, содержащий силовой тиристор, включенный последовательно с ним линейный дроссель, связанный через дополнительный дроссель с катодом дополнительного тиристора и анодом диода, причем анод дополнительного тиристора и катод диода соединены между собой и с общей точкой коммутирующего конденсатора и вспомоГательного дросселя, включенного последова-. тельно со вспомогательным диодом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и.Улучшения энергетических показ,ателей, линейный и дополнительный дроссели выполнены с промежуточным отводом, причем промежуточный отвод линейного дросселя соединен с концом до-, полнительного тиристора.

Источникч информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Глазенко T.д. Принципы построения и расчета тиристорных широтноимпульсных преобразователей систем электропривода постоянного тока.

Книга Устройства преобразовательной техники..Вып.2, . Наукова думка, К., 1969. с. 194-205.

2. Бирзиенко Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока, М., Энергия, 1974,с. 182-183.

3. Жа net R., Efecttonichet G eiehstготпз1еИе f Й » йе Ge windigkeitstev u ф elaktr1s&e Treibfolhc tete.-Sfeenee

Ze1tlhvift . 19бб, Мб, S.729-73Ъ

Составитель И. Галиева

Техред Н.Андрейчук

Корректор C.Ямалова

Редактор В. Фельдман

Филиал ППП йатент, r. Ужгород, ул. Проектная 4

Закаэб07/49 Тираж Н8

Подписное

I1HHHIIH Государственного комитета Совета Министров СССР

IIo делам иэобретений и открытий

113035,Иосква,)K-35, Раушская наб., д. 4/5