1.2.1.1 Нереверсивні тиристорні перетворювачі напруги

Силові схеми керованих випрямлячів. Розглянемо спочатку силові схеми нереверсивних КВ. Для зручності порівняння силових схем цих перетворювачів, їх параметри і основні розрахункові співвідношення зведені в табл. 1.2.1.

Форми струмів та напруг в різних точках схем та співвідношення між електричними величинами залежать від характеру навантаження. В електроприводі найчастіше використовується робота ТП на обмотку збудження або якір машини постійного струму (проти-ЕРС), тобто на активно-індуктивне навантаження (в останньому випадку послідовно з якорем завжди вмикається велика згладжуюча індуктивність).

При нехтуванні комутаційними процесами і прийнятті умови, що індуктивний опір в колі випрямленого струму , випрямлений струм буде неперервним та ідеально згладженим, а струми через вентилі і обмотки трансформатора стають прямокутними. Практично при ( ‑ активний опір в колі постійного струму) можна вважати, що умови роботи реального перетворювача наближаються до ідеального варіанту.

Часові діаграми для випрямленої ЕРС та струмів у випадку ідеалізованого варіанту для m- фазної схеми (нехтують втратами у вен­тилях, трансформаторі та комутаційними процесами) показані на рис. 1.2.3.

Рис. 1.2.3

Табл. 1.2.1

Схема перетво- рювача	Вид навантаження							Закон регулювання напруги
								Активне навантаження			Індуктивне наванта- ження
								Безперервний режим		Переривчастий режим
Однофазна двопівперіод-на	Активне Індуктивне	0,9 0,9	3,14 3,14	0,785 0,707	1,48 1,34	0,667 0,667	- 0,9
Однофазна мостова симетрична	Активне Індуктивне	0,9 0,9	1,57 1,57	0,785 0,707	1,23 1,11	0,667 0,667	- 0,9
Трифазна з нульовим виводом	Активне Індуктивне	1,17 1,17	2,11 2,1	0,583 0,58	1,35 1,35	0,25 0,25	- 0,827	при	при
Трифазна мостова	Індуктивне	2,34	1,05	0,58	1,05	0,057	0,955	при	при

Рисунок 1.2.3 також ілюструє основне призначення СІФК ‑ перетворення неперервного постійного сигналу (в даному випадку різниці між напругою сигналу керування та напругою зміщення , що визначає початковий кут регулювання) в фазовий зсув кута α відкриваючого імпульсу для тиристорів: збільшення напруги призводить до зменшення кута регулювання α, а значить до зростання середнього значення випрямленої ЕРС.

Однофазні силові схеми КВ показані на рис. 1.2.4 Особливість двопівперіодної нульової схеми (рис. 1.2.4,а) полягає в тому, що вторинні півобмотки трансформатора відносно його середньої точки створюють систему напруг, які зміщені одна відносно іншої на кут . Силова схема цього перетворювача включає два тиристори. Необхідним елементом схеми є силовий трансформатор з нульовим виводом. Це обмежує використання нульових схем.

Рис. 1.2.4

Силові схеми однофазних мостових КВ (рис. 1.2.4,б,в,г) складаються з чотирьох силових вентилів. Якщо всі ці вентилі є керованими (рис. 1.2.4,б), така схема називається симетричною. В несиметричних схемах (рис. 1.2.4,в,г) поряд з керованими застосовуються некеровані вентилі. Силовий трансформатор для мостових схем не є обов’язковим елементом і використовується лише в разі необхідності узгодження напруги мережі живлення і навантаження.

Як показує порівняння однофазних силових схем КВ, з точки зору використання вентилів за струмом нульова (рис. 1.2.4,а) і мостова (рис. 1.2.4,б) схеми однакові. Ці схеми мають також однаковий гармонічний склад випрямленої напруги та динамічні показники. Мостова схема краща за нульову щодо використання трансформатора (відповідно k_т = 1,11 і k_т = 1,34) і вентилів за напругою (відповідно k_u = 1,57 і k_u = 3,14).

Підвищення ефективності роботи ТП при активно-індуктивному навантаженні (зменшення енергії, яку споживає перетворювач, підвищення коефіцієнта потужності) досягається за рахунок підключення на виході перетворювача нульового (зворотного) діода VD₀ і замикання при закритих тиристорах через цей діод струму, який зумовлений ЕРС самоіндукції згладжуючого дроселя та індуктивності навантаження. Водночас при наявності нульового діода напруга перетворювача не може набути від’ємне значення, внаслідок чого схема втрачає здатність форсувати процес відключення струму при індуктивному навантаженні. Основний недолік схем з нульовим діодом ‑ збільшення викривлення форми струму, який споживається перетворювачем.

ТП по схемі рис. 1.2.4,б має можливість форсувати процес зменшення струму при індуктивному навантаженні. Схема керування чотирма тиристорами цього перетворювача більш складна; тому в тих випадках, коли не потрібно форсування процесу зменшення струму, доцільно використовувати мостові схеми, показані на рис. 1.2.4,в,г. Ці схеми не можуть працювати в інверторному режимі, але мають прості схеми керування, особливо мостова схема з об’єднаними катодами (рис. 1.2.4,в). За рахунок несиметричних схем перетворювачів також можна досягти збільшення коефіцієнта потужності КВ. В схемі рис. 1.2.4,г роль нульових діодів виконують послідовно ввімкнені вентилі VD₁ і VD₂; недолік цієї схеми полягає у необхідності гальванічної розв’язки ланцюгів керування тиристорами.

Багатофазні силові схеми КВ порівняно з однофазними схемами мають ряд переваг: меншу величину пульсацій випрямленої напруги і струму, симетричне навантаження фаз мережі споживання, краще використання трансформатора та вентилів.

Трифазна нульова схема (рис. 1.2.5,а) порівняно з однофазними схемами забезпечує (див. табл. 1.2.1) в 2 рази меншу амплітуду пульсацій випрямленої напруги і в 1,5 рази менше значення коефіцієнта використання вентилів за струмом; проте коефіцієнт використання вентилів за напругою тут в 1,33 рази більший. В цій схемі можливе форсування процесу зменшення струму при активно-індуктивному навантаженні, але магніторушійні сили стержнів трансформатора не врівноважують одна одну, внаслідок чого з’являється потік вимушеного намагнічування, що насичує осердя трансформатора. Це потребує збільшення перерізу стержнів магнітопроводу і відповідного збільшення типової потужності трансформатора.

Трифазну мостову схему (рис. 1.2.5,а) можна розглядати як з’єднання двох трифазних нульових схем; при цьому подвоюється значення випрямленої напруги при подвійній кількості вентилів.

Рис. 1.2.5

Це найбільш досконала схема з точки зору використання трансформатора і вентилів за напругою (k_T i k_u близькі до одиниці). Пульсації випрямленої напруги мають шестикратну частоту (300 Гц); тому побудовані за цією схемою перетворювачі інколи називають умовно ‑ шестифазними. Невелика амплітуда і достатньо висока частота пульсацій, ефективне використання трансформатора і низька зворотна напруга на вентилях, простота схеми і конструкції трансформатора, можливість інверторного режиму, високий ККД та інше зумовили переважне застосування трифазної мостової схеми (схеми Ларіонова) у системах автоматизованого електропривода. Певним позитивним показником трифазної мостової схеми є і те, що її можна застосовувати і в безтрансформаторному варіанті. До недоліків трифазної симетричної мостової схеми слід віднести підвищений рівень споживання реактивної енергії при глибокому регулюванні вихідної напруги. На відміну від трифазної нульової схеми (рис. 1.2.5,а) струм вторинної обмотки трансформатора в мостовій трифазній схемі не має постійної складової, тому в цій схемі відсутнє вимушене підмагнічення осердя трансформатора.

Послідовність відкривання тиристорів визначається чергуванням фаз трифазної системи напруг джерела живлення; на рис. 1.2.5,а тиристори перетворювача пронумеровані за порядком подачі відкриваючих імпульсів. Порядок комутації тиристорів трифазної мостової схеми ілюструється циклограмою рис. 1.2.6, на який показані ділянки сумісної роботи вентилів різних груп.

Рис. 1.2.6

В тих випадках, коли не виникає необхідність в інверторному режимі роботи КВ, трифазну мостову схему можна виконувати як несиметричну (рис. 1.2.4,в,г). Таке спрощення пов’язане із зменшенням частоти і збільшенням амплітуди пульсацій випрямленого струму. При індуктивному навантаженні доцільно вмикання нульового діода VD₀, який виконує таку саму роль, як і в схемі рис. 1.2.4,в. В схемі рис. 1.2.5,г роль нульового діода виконують послідовно включені вентилі VD2 ,VD5. Спрощені схеми (рис. 1.2.5,в,г) можна використовувати тільки в електроприводах з невеликим діапазоном регулювання швидкості і при відсутності рекуперативного гальмування.

Спеціальні схеми ТП. В трифазних схемах КВ для зменшення пульсацій випрямленої напруги і поліпшення форми струму, який споживають перетворювачі з мережі живлення, для електроприводів потужністю понад 1,5...3 МВт використовують умовно-дванадцятифазні (багато-мостові) схеми перетворення, які створюються з’єднанням двох трифазних мостових схем.

Серед спеціальних схем з'єднання випрямлячів можна назвати, наприклад, комбіновані схеми з паралельним чи послідовним з'єднанням трифазних мостових схем (відповідно рис. 1.2.7 та 1.2.8).

Рис. 1.2.7

Рис. 1.2.8

В схемі на рис. 1.2.8 два трифазні мости ввімкнені по відношенню до навантаження на паралельну роботу, причому мости живляться від вторинних обмоток силового трансформатора ТV, з'єднаних відповідно в зірку і трикутник. Між собою мости з'єднані не безпосередньо, а через зрівнювальні реактори і та (може бути застосований один, але більшої потужності реактор). Фазовий зсув напруг живлення та наявність зрівнювальних реакторів створюють дванадцятипульсну вихідну напругу ТП та рівномірний розподіл навантаження між мостами. Така схема є по суті еквівалентною дванадцятифазною схемою, яка забезпечує величину середнього значення випрямленої напруги такою же самою, як і в схемі Ларіонова, а величина випрямленого струму зростає вдвічі. Нумерація вентилів у схемі відповідає порядковій черговості вступу їх в роботу.

Схема на рис. 1.2.8 за своєю структурою аналогічна попередній, але відрізняється від неї тим, що трифазні мости ввімкнені послідовно. Це забезпечує дванадцятипульсність вихідної напруги, яка є в два рази більшою, ніж в схемі Ларіонова. Таким чином, і ця схема є еквівалентною дванадцятифазною схемою, але використовується вона для живлення споживачів з підвищеною напругою живлення, наприклад, для двигунів з напругою 1000 В.

Раніше були розглянуті схеми перетворення, в яких вентилі одночасно виконують як функцію випрямлення, так і функцію регулювання напруги. В деяких випадках для узгодження параметрів схеми перетворення з номінальними параметрами навантаження можливе включення тиристорів в первинні кола трансформатора; при цьому випрямлення здійснюється діодами, а регулювання випрямленої напруги ‑ тиристорами (рис. 1.2.9). У таких КВ збільшується коефіцієнт потужності, ККД, а також ефективність згладжуючого дроселя.

Як вже вказувалось раніше, при відсутності необхідності узгодження напруг мережі і навантаження, однофазні та трифазні КВ, за винятком нульових схем, можуть виконуватись і в безтрансформаторному варіанті (див. наприклад рис. 1.2.10), що дає змогу поліпшити їх масогабаритні показники. В таких схемах напруга на вентильний блок подається за допомогою автоматів через струмообмежуючі реактори СОР, які обмежують значення і швидкість наростання струмів у аварійних режимах.

Рис. 1.2.9 Рис. 1.2.10

Регулювальні характеристики нульових і мостових схем КВ при різних кратностях пульсацій m показані на рис. 1.2.11; рівняння регулювальних характеристик для основних схем КВ наведені в табл. 1.2.1.

Рис. 1.2.11

Рис. 1.2.12

Рівняння зовнішньої характеристики КВ можна записати у вигляді:

(1.2.1)

де U_d0 ‑ середнє значення випрямленої напруги перетворювача при  = 0; U_R ‑ падіння напруги на внутрішньому активному опорі пе­ретворювача; U_B ‑ падіння напруги на вентилях; ΔU ‑ зниження середнього значення випрямленої напруги за час комутації. Згідно з (1.2.1) вихідна напруга КВ знижується при збільшенні струму навантаження I_d.

Режим переривчастих струмів. Зовнішні характеристики КВ, які мають при безперервному струмі лінійний характер, значно видозміню­ються в переривчастому режимі; останній з'являється при відносно малих струмах навантаження, коли через обмежене значення індуктивності навантаження неможливо підтримувати безперервний струм. Зона цього режиму в площині U_d і I_d обмежується еліпсом (рис. 1.2.12). При побудові зовнішніх характеристик інверторного режиму перетворювача використовують не кут керування , а кут випередження =-, який відлічують вліво від точки природної комутації.

У діапазоні кута керування 0/3 випрямлений струм безперервний незалежно від характеру навантаження; кут  = /3 відповідає при активному навантаженні гранично-безперервному режиму; при   /3 і активному навантаженні настає режим роботи перетворювача з переривчастим випрямленим струмом.

Наявність індуктивності у колі постійного струму L_d призводить до того, що після проходження вхідної напруги через нуль, відкритий раніше вентиль буде продовжувати пропускати струм за рахунок енергії, накопиченої в індуктивності. При достатньо великій індуктивності L_d вентиль буде проводити струм доти, поки не буде поданий керуючий імпульс на наступний вентиль, тобто струм I буде мати безперервний характер.

Якщо енергії, накопиченої в індуктивності L_d на інтервалі, коли U_d>0, не вистачає, то вентиль, який проводить цей струм, закривається раніше, чим буде поданий керуючий імпульс на іншій вентиль. Такий режим роботи називають переривчастим. Відповідно, режим роботи схеми, коли струм у вентилях спадає до нуля в момент вмикання чергового вентиля, називають граничним.

При порівнянні з режимом безперервного струму режим переривчастого струму для трансформатора і вентилів схеми більш важкий, тому що при однаковому випрямленому струмі діюче значення струмів в елементах схеми збільшується. Отже, для КВ з широким діапазоном змінювання кута керування  індуктивність L_d вибирають згідно з умовою забезпечення безперервного випрямленого струму.

Мінімальна додаткова індуктивність для одержання початково-безперервного струму

(1.2.2)

де I_dгр ‑ мінімальне значення випрямленого струму (початково-безперервний струм); m ‑ кількість фаз перетворювача;  ‑ кутова частота першої гармоніки випрямленої напруги;  - кут керування; ‑ індуктивний опір мережі живлення; ‑ індуктивність якоря двигуна та зрівнювальних реакторів, якщо вони застосовуються.

Інверторний режим роботи КВ. Розрізняють два режими роботи перетворювача: випрямлення та інвертування. При роботі в режимі випрямлення потік енергії спрямований з мережі змінного струму в коло постійного струму. Напрям ЕРС перетворювача E_d збігається з напрямом струму I_d (див. рис. 1.2.13,а); при цьому ЕРС кола постійного струму E (самоіндукції або якоря двигуна) спрямована назустріч ЕРС перетворювача. Середнє значення струму визначається різницею ЕРС:

I_d = (E_d – E) / R_d (1.2.3)

де R_d ‑ опір кола випрямленого струму.

а) б)

Рис. 1.2.13

У випадку зміни напрямку ЕРС кола постійного струму E на протилежний (рис. 1.2.13,б), КВ переходить в інверторний режим. Для інвертора мережа змінного струму є навантаженням, тому вентилі повинні відкриватися в момент часу, коли напруга мережі на протязі більшої частини часу провідності кожного вентиля виконує роль проти-ЕРС (направлена зустрічно до напрямку протікання струму), що має місце при 90 ел. град ≤α ≤180 ел. град. У зв’язку з цім інверторний режим можливий, якщо величина додаткової ЕРС в колі постійного струму, під дією якої струм буде проходити крізь вентилі при негативної напрузі, прикладеної до них, перевищує ЕРС інвертора. Невиконання цієї умови залишає інвертор в підготовленому стані, але струм інвертування буде рівним нулю. Комутація вентилів в інверторі примусова під дією напруги, яка інвертується.

В інверторному режимі напрям струму збігається з напрямом ЕРС кола постійного струму, тобто електрична енергія з кола постійного струму передається в мережу змінного струму. Інверторний режим виникає при роботі КВ на індуктивне навантаження внаслідок дії ЕРС самоіндукції за рахунок встановлення певного значення кута α>90 ел. град. (ЕРС самоіндукції обмотки збудження змінює знак). Ця ЕРС підтримує проходження струму через тиристори після прикладання до них негативної напруги мережі, тобто миттєве значення потужності змінює свій знак на протилежний, що відповідає поверненню енергії, накопиченої індуктивністю, до мережі живлення. Цей вид інвертування енергії має місце в нереверсивних симетричних схемах КВ.

В той же час при роботі ТП на якір двигуна крім зміни кута α необхідно ще перемкнути полярність ЕРС машини, яка при гальмуванні зберігає свій напрям. Таким чином інверторний режим КВ при роботі на проти-ЕРС двигуна постійного струму безконтактним способом може бути здійснений лише в схемах реверсивних КВ, які будуть розглянуті далі.

При значеннях кута керування   180^o, умови закривання тиристора порушуються, тому що при відкриванні чергового тиристора до вентиля, через який до цього проходив струм, не може бути прикладена закриваюча зворотна ЕРС. При цьому струм весь час буде протікати через один тиристор і через нього до навантаження буде прикладена синусоїдальна фазова вхідна напруга. Такий режим називається перекидом інвертора, супроводжується збільшенням струму в силових ланцюгах і розглядається як аварійний. Щоб уникнути перекиду інвертора, вдаються до обмеження максимального значення кута керування на 15...30 ел. град.

При роботі КВ на джерело проти-ЕРС E₀ з внутрішнім опором R_н струм i_d в колі навантаження починає протікати, коли миттєве значення випрямленої напруги U_d перевищує E₀. Цей струм можна визначити з рівняння:

Отже з ростом проти-ЕРС тривалість проходження струму через вентилі протягом кожного півперіоду зменшується. Це призводить до того, що при рівних середніх значеннях струмів їх діючі значення будуть більшими в режимі з меншими кутами провідності (більшими значеннями E₀ ). Це погіршує використання вентилів за струмом. Водночас погіршується використання трансформатора.

Аналіз силових схем нереверсивних КВ дає змогу зробити такі висновки:

• трифазні силові схеми за використанням потужності трансформатора і вентилів за напругою, величиною пульсацій випрямленої напруги мають незаперечні переваги порівняно з однофазними схемами перетворення;

• мостові силові схеми за використання потужності трансформатора і вентилів за напругою, а також частотою та амплітудою пульсацій випрямленої напруги кращі нульових силових схем перетворювачів;

• безтрансформаторні схеми мають кращі масогабаритні показники порівняно з трансформаторними схемами перетворення;

• найбільш раціональною для електроприводів постійного струму є трифазна мостова силова схема перетворення.