1.2.1.2 Реверсивні тиристорні перетворювачі напруги

Лекція 5. Реверсивні ТПН. Математична модель ТПН, розрахунок параметрів, статичні та динамічні характеристики.

Завдання на СРС. Розрахунок параметрів передаточної функції керованого випрямляча, побудова характеристики «Вхід-вихід», врахування нелінійностей у математичній моделі. Використання керованих випрямлячів в системах електроприводу.

Література: 1, с.28-43; 2, с.49-63; 9, с.29-64; 1а, с.237-252.

Питання для самоконтролю:

1. Реверсивні керовані випрямлячі. Схемні рішення, способи керування вентильними комплектами, логічний перемикаючий пристрій.

2. Статичні характеристики і динамічні властивості реверсивних і нереверсивних керованих випрямлячів.

3. Режими регулювання швидкості, електричного гальмування і реверсу двигуна постійного струму.

4. Синтез схеми логічного перемикаючого пристрою реверсивного керованого випрямляча з роздільним керуванням.

При необхідності зміни напрямку струму в навантаженні використовують реверсивні перетворювачі, їх поділяють на одно - і двокомплектні. Однокомплектні КВ з перемикачем (реверсором) реалізуються за схемами, які не відрізняються від схем нереверсивних перетворю­вачів. Полярність напруги на виході такого перетворювача (рис. 1.2.15) змінюється контактними або безконтактними апаратами КМВ і КМН; така схема забезпечує роботу перетворювача в режимах випрямлення і інвертування для обох полярностей випрямленої напруги.

До позитивних якостей однокомплектних реверсивних КВ з пе­ремикачем слід віднести простоту схем силових кіл, добрі масогабаритні показники і низьку вартість; їх недоліки: складність сполучення зовнішніх характеристик без стрибків при переході перетворювача із режиму випрямлення в інверторний режим і навпаки, невисока швидкодія.

Рис. 1.2.15

Рис. 1.2.16

Двокомплектні КВ складаються за зустрічно-паралельними або перехресними схемами. При зустрічно-паралельному вмиканні (рис. 1.2.16,а,б) обидва вентильних комплекти живляться від трансформатора з однією вторинною обмоткою; в перехресній схемі (рис. 1.2.16,г) кожний вентильний комплект живиться від окремої вторинної обмотки триобмоткового трансформатора.

Більш поширеною є зустрічно-паралельна схема з’єднання вентильних комплектів (рис. 1.2.16,б), що пояснюється такими їх перевагами: наявністю простого двообмоткового трансформатора з найменшою типовою потужністю (на 20% менша порівняно з трансформатором у перехресній схемі); можливістю живлення безпосередньо від трифазної мережі через струмообмежуючі реактори, а також можливістю максимальної уніфікації конструкцій реверсивних та нереверсивних перетворювачів. Проте порівняно із зустрічно-паралельними схемами, в перехресних схемах при одночасному вмиканні обох вентильних комплектів аварійні процеси відбуваються легше, тому у відповідальних електроприводах цілком обґрунтованим може виявитись застосування перехресної схеми.

Можливе використання двокомплектного перетворювача й за H - схемою (рис. 1.2.16,в). В цій схемі групи вентилів В забезпечують полярність випрямленої напруги одного знаку, а групи вентилів H - полярність випрямленої напруги іншого знаку.

У двокомплектних перетворювачах застосовуються два основних способи керування вентильними комплектами: сумісний та роздільний. У свою чергу, сумісне керування може бути узгодженим і неузгодженим.

При сумісному керуванні відкриваючі імпульси подаються одночасно на обидва вентильних комплекти. При цьому фазування імпульсів на одному з них відповідає режиму випрямлення, а на іншому – режиму інвертування. При узгодженому сумісному керуванні середні значення напруг обох комплектів рівні між собою при будь-яких кутах керування і протилежні за знаком. Цьому випадку відповідає рівняння:

(1.2.4)

де α ‑ кут керування випрямляча; β ‑ кут випередження інвертора.

Якщо (1.2.4) задовольняється, то забезпечується найкраще спо­лучення зовнішніх характеристик обох комплектів перетворювача (рис. 1.2.17,а). При врахуванні втрат напруги на вентилях на зовнішніх характеристиках (при переході перетворювача з режиму випрямлення до інвертування) з’являється стрибок, рівний 2U_в.

Рис. 1.2.17

При неузгодженому сумісному керуванні середнє значення напруги вентильного комплекту, який працює в інверторному режимі, перевищує напругу вентильного комплекту, який працює в режимі випрямлення; при цьому кут _i беруть незмінним і мінімальним. Зовнішня характеристика КВ при неузгодженому сумісному керуванні показана на рис. 1.2.17,б.

У двокомплектних перетворювачах із сумісним керуванням, навіть при рівності середніх значень напруг обох комплектів, миттєві значення напруг не дорівнюють одне одному. Це зумовлює протікання в контурі, який утворений тиристорними групами та обмотками трансформатора, статичного зрівнювального струму. При перехідних процесах, коли змінюються ЕРС обох комплектів, динамічний зрівнювальний струм може у багато разів перевищувати статичний. Основною причиною появи динамічного зрівнювального струму є властива тиристорам неповна керованість. Зрівнювальні струми створюють додаткові втрати в обмотках трансформатора, навантажують вентилі, а в ряді випадків, особливо при перехідних процесах, можуть призвести до аварійних режимів.

Для обмеження зрівнювального струму в схеми перетворювачів вво­дять зрівнювальні реактори (ЗР), індуктивність яких обирається такою, щоб величина зрівнювального струму не перевищувала 10% номінального випрямленого струму. З метою зменшення втрат конструкцією реактора передбачено, що він насичується робочим струмом працюючого вентильного комплекту і не насичується зрівнювальним струмом (тобто впливає лише на зрівнювальний струм непрацюючого вентильного комплекту).

В цілому, узгоджене керування дозволяє отримати кращі динамічні показники, але призводить до підвищення маси та габаритних розмірів електроприводу. Неузгоджене керування застосовується в електроприводах з невисокими вимогами до якості керування.

При роздільному способі керування керуючі імпульси подаються тільки на робочий комплект вентилів двокомплектного перетворювача. Це дає змогу позбутися зрівнювальних струмів і обійтись без зрівнювальних реакторів. Подача керуючих імпульсів на робочий комплект вентилів та зняття імпульсів з неробочого комплекту перетворювача здійснюється логічним перемикаючим пристроєм (ЛПП). Він визначає момент, коли струм перетворювача дорівнює нулю, блокує імпульси комплекту, який закінчує роботу і після паузи, яка може досягти 0,008...0,01 с, дозволяє подачу керуючих імпульсів на вентилі іншого комплекту. Поява безструмової паузи дещо збільшує тривалість перехідних процесів.

На рис. 1.2.18 показана схема реверсивного двокомплектного КВ з ЛПП. На схемі позначені: КВ1, КВ2 – комплекти вентилів; ДНС – датчики наявності струму; U ‑ сигнал завдання.

Рис. 1.2.18

Заборона (блокування) роботи вентильних комплектів здійснюється згідно умов запобігання аварійного режиму:

1. не припускається одночасна подача відкриваючих імпульсів на обидва вентильних комплекти;

2. забороняється включення одного вентильного комплекту при наявності струму в іншому;

3. забороняється зняття відкриваючих імпульсів з працюючого вентильного комплекту.

Таблиця істинності, складена згідно з умовами роботи ЛПП та відповідні логічні рівняння мають вигляд:

Таблиця 1.2.2

i	i	i	a	a
0	0	0	0	1
0	0	1	1	0
0	1	0	0	1
0	1	1	1	1
1	0	0	1	0
1	0	1	1	0
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

(1.2.5)

де a , a ‑ логічні сигнали заборони роботи СІФК відповідних вентильних комплектів; i ,i ‑ сигнали наявності струму у вентильних комплектах; i ‑ сигнал завдання знаку вихідної напруги реверсивного КВ (визначається полярністю U : i = 0 відповідає позитивному знаку U , i = 1 – негативному).

Принципова схема ЛПП, складена у відповідності з рівняннями (1.2.5), наведена на рис. 1.2.19.

Рис. 1.2.19

Застосування роздільного способу керування зменшує ймовірність перекиду інвертора, зменшує втрати і збільшує ККД перетворювача завдяки відсутності зрівнювальних струмів. Однак, роздільне керування ставить високі вимоги до надійності ЛПП, схема керування перетворювачем ускладнюється, в регулювальній і зовнішніх характеристиках спостерігається розрив внаслідок переривистого характеру струму, коли I_d близький до нуля.

Для пояснення особливостей роботи реверсивного КВ в системі електроприводу постійного струму розглянемо схему рис. 1.2.19, на який кожен з вентильних комплектів ВК1, ВК2 представлено регульованим джерелом ЕРС E , E і некерованим вентилем. Внутрішній опір випрямлячів імітується резисторами R , навантаження має активно-індуктивний характер (L , R ) та включає джерело проти-ЕРС E , що відповідає роботі КВ на якірне коло двигуна постійного струму. Безперервними лініями на схемі показано випадок, коли КВ1 працює в режимі випрямлення, а КВ2 – в режимі інвертування.

Рис. 1.2.19

З метою виключення проходження зрівнювальних струмів, ЕРС вентильних комплектів E та E підтримуються однаковими у всьому діапазоні зміни кутів регулювання тиристорів, що забезпечується СІФК. При зменшенні сигналу завдання КВ1, його ЕРС E стає меншою проти ЕРС двигуна E . В той же час і ЕРС E стає меншою E . Це призводить до запирання КВ1, струм навантаження I змінює свій напрямок і проходить через КВ2. Здійснюється рекуперативне гальмування двигуна з віддачею енергії до мережі. Швидкість і ЕРС двигуна зменшуються і коли E і E зрівняються, струм через КВ2 припиняється, гальмування закінчується і двигун знову працює в двигунному режимі, але з меншою швидкістю. Зменшуючи сигнал завдання до нуля, можна забезпечити рекуперативне гальмування двигуна до зупинки. Визначальною прикметою рекуперативного гальмування в інверторному режимі є проходження струму назустріч ЕРС перетворювача.

З метою обмеження пульсацій випрямленої напруги для всіх видів КВ застосовуються згладжуючи дроселі, які вмикаються послідовно в ланцюг випрямленого струму. Згладжуючий дросель збільшує габарити і масу перетворювача, знижує швидкодію КВ. Тому питання про раціональний вибір індуктивності згладжуючого дроселя дуже істотне. Критерієм для вибору індуктивності згладжуючого дроселя є наближення умов роботи двигуна (за комутацією і нагріванням) в тиристорному електроприводі до умов його роботи при живленні від генератора постійного струму.

Для забезпечення нормальної роботи двигуна пульсуюча складова якірного струму не повинна перевищувати 2% його середньоквадратичного значення. Якщо цю величину пульсуючої складової взяти до уваги, то індуктивність згладжуючого дроселя можна визначити за формулою

(1.2.6)

де e_е = E_e/U_do ‑ відносна величина діючого значення першої гармо­ніки випрямленої напруги; U_do ‑ вихідна напруга перетворювача при умовному холостому ході (  = 0); I_я.ном ‑ номінальний струм двигуна;  = 2fm ‑ кутова частота першої гармоніки випрямленої напруги; m ‑ кількість фаз перетворювача; і_е ‑ відносне значен­ня діючого значення першої гармоніки випрямленого струму; , , ‑ індуктивності відповідно якірного ланцюга, силового трансформатора і зрівнювального реактора (якщо вони використовуються). При користуванні формулою (1.2.6) рекомендується вважати = 0,02, а величину e_е знаходити із залежності .

В регульованих електроприводах постійного струму використовують всі розглянуті силові схеми і способи керування реверсивних КВ. При припустимій тривалості зміни полярності напруги на виході перетворювача 0,1 с і більше в розімкнених системах керування можна рекомендувати однокомплектні перетворювачі з перемикачем (реверсором). Якщо потрібна висока швидкодія, то використовують схеми з двокомплектними перетворювачами; при цьому узгоджене сумісне керування забезпечує максимальну швидкодію, в той час як при роздільному керуванні тривалість зміни полярності напруги на виході перетворювача досягає 0,01 с. За масогабаритними параметрами кращі показники мають однокомплектні перетворювачі з реверсором, потім двокомплектні з роздільним керуванням, найбільш низькі ‑ в перетворювачів з узгодженим сумісним керуванням.

Системи імпульсно-фазового керування ТП. Як вже вказувалось вище, регулювання вихідної напруги КВ полягає в затриманні вмикання тиристора відносно моменту прикладання до нього позитивної напруги за рахунок зміни кута керування α. Вмикання тиристорів здійснюється імпульсними сигналами малої тривалості з крутим переднім фронтом. Таким чином, система імпульсно-фазового керування (СІФК) призначена для перетворення постійної напруги керування U на вході перетворювача в послідовність імпульсів регульованої фази, які подаються на керуючі електроди тиристорів силових вентильних комплектів.

Найбільш поширеними є напівпровідникові СІФК, які діють за так званим вертикальним принципом зміни фази керуючого імпульсу. При вертикальному принципі керування постійна напруга керування порівнюється із змінною (косинусоїдальною, пилкоподібною, трикутною). У момент, коли ці дві напруги стають рівними одна одній, формується передній фронт керуючого імпульсу. Для регулювання фази імпульсу змінюють значення постійної напруги. Інформаційна частина сучасних СІФК базується на інтегральних мікросхемах, а також на гібридних інтегральних схемах.

В залежності від кількості каналів формування імпульсів СІФК поділяються на одно ‑ та багатоканальні.

Типова функціональна схема одноканальної СІФК (рис. 1.2.20) включає:

• пристрій синхронізації ПС (трансформатор напруги TV);

• фільтр Ф;

• пороговий елемент ПЕ;

• генератор пилкоподібної напруги ГПН;

• пристрій порівняння ПП (компаратор);

• формувач імпульсів ФІ;

• підсилювач імпульсів ПІ;

• кільцевий розподільник імпульсів РІ (комутатор);

• ввідні пристрої ВП.

Рис. 1.2.20

Робота СІФК полягає у наступному. Пристрій синхронізації ПС виробляє змінну опорну напругу, фаза якої співпадає з фазою напруги мережі, а також здійснює гальванічне розділення системи керування і силової мережі. Опорна напруга надходить на фільтр Ф, який захищає СІФК від високочастотних перешкод, а також здійснює зсув по фазі сигналу синхронізації на 30 електричних градусів для трифазних КВ у зв’язку з переносом точки відліку кута α від початку позитивної півхвилі напруги до моменту рівності напруг двох суміжних фаз. Пороговий елемент ПЕ здійснює перетворення цієї синусоїдальної опорної напруги в прямокутну імпульсну, якою періодично запускається генератор пилкоподібної напруги ГПН, синхронно з опорною напругою. З виходу ГПН напруга пилкоподібної форми надходить на пристрій порівняння ПП, де порівнюється з напругою керування U (див. рис. 1.2.20). В момент рівності цих двох напруг ПП виробляє імпульс, який запускає формувач імпульсів ФІ. Останній виробляє керуючий імпульс з крутим переднім фронтом який, після підсилення ПІ, подається на кільцевий розподільник імпульсів РІ. Комутатор РІ здійснює послідовну подачу керуючих імпульсів на пари тиристорів силового блоку СБ у відповідності з циклограмою комутації, наведеною на рис. 1.2.20. Ввідні пристрої ВП, призначені для подачі керуючих імпульсів безпосередньо на тиристори та гальванічної розділення ланцюгів керування і силової мережі за допомогою імпульсного трансформатора T.

Вимоги, які ставляться до СІФК перетворювачів, визначаються типом вентилів, режимом роботи перетворювача (випрямлення, інвертування; реверсивний, нереверсивний), характером навантаження КВ.

СІФК повинна забезпечити:

• керування постійною напругою U стандартної величини +10…-10 В для реверсивних ТП і 0…+10 В для нереверсивних ТП;

• достатню для надійного відкривання вентилів амплітуду напруги і струму керуючого імпульсу (для серійних силових тиристорів 10…20 В, 200...400 мА);

• крутість фронту керуючих імпульсів до 10 В/мкс та 10 А/с;

• широкий діапазон регулювання кута керування α в межах 20…160 ел. градусів;

• симетрію керуючих імпульсів за фазами (для найбільш поширених систем керування асиметрія імпульсів не повинна перевищувати 1,5…2,5 ел. градусів);

• достатню тривалість керуючого імпульсу для досягнення анодним струмом тиристора величини струму утримання (практично 10…15 ел. градусів);

• максимальну швидкодію (стала часу СІФК не повинна перевищувати 0.005 с).

Статичні характеристики КВ. Основною статичною характеристикою КВ, як ланки системи автоматичного керування, є характеристика “Вхід-вихід”, тобто залежність вихідної випрямленої напруги від вхідної напруги U . Ця характеристика може бути побудована за допомогою регулювальної характеристики силового блоку, яка в більшості випадків описується залежністю , а також характеристики “Вхід-вихід” СІФК . В свою чергу, залежність визначається формою напруги, яка надходить від ГПН.

При пилкоподібній формі напруги ГПН (рис. 1.2.21,б) характеристика СІФК лінійна і визначається залежністю

де ‑ кутовий інтервал лінійної робочої ділянки опорної напруги, рад; ‑ максимальне значення опорної напруги на кінцях лінійної дільниці, В.

В цьому випадку

і лише при

.

Тобто результуюча характеристика керування перетворювача при пилкоподібній опорній напрузі виявляється нелінійною, має синусоїдальний характер і тільки при наближається до лінійного вигляду. Позитивною якістю СІФК з пилкоподібною опорною напругою є мала чутливість до спотворень форми кривої напруги живлення.

а) б)

Рис. 1.2.21

При косинусоїдальній формі опорної напруги (рис. 1.2.21,а) ха­рактеристика СІФК визначається виразом:

тоді

Таким чином, результуюча характеристика “Вхід-вихід” перетворю­вача при косинусоїдальній опорній напрузі має лінійний характер. Проте, діапазон регулювання кута керування  при косинусоїдальній формі опорної напруги зменшується і в зоні великих значень, близьких до , виникав небезпека перевищення керуючою напругою значення і зникнення відкриваючих імпульсів. Для виключення цього явища на криву опорної напруги накладають бар’єрні піки.

Графічна побудова статичної характеристики “Вхід-вихід” КВ показана на рис.1.2.22. Суцільними лініями показані характеристики перетворювача при пилкоподібній напрузі ГПН, переривчастими – при косинусоїдальній формі.

Рис. 1.2.22

Динамічні властивості ТП. З точки зору динамічних властивостей тиристорний перетворювач напруги являє собою нелінійну дискретну систему. Миттєва зміна випрямленої напруги КВ може не відповідати зміні фази відпираючого імпульсу. Це пояснюється тим, що відкритий тиристор не сприймає команди на зміну кута керування до моменту його природної комутації. В результаті випрямляючому комплекту КВ властиве чисте запізнення.

Тривалість запізнення залежить від частоти мережі живлення, схеми випрямлення і моменту часу, в який подається керуючий імпульс. В свою чергу, кожна схема випрямлення при одній і тій самій частоті мережі живлення характеризується максимальним часом запізнення, який дорівнює граничній тривалості роботи кожного тиристора в схемі

Середньостатистична величина запізнення:

, (1.2.7)

де f ‑ частота мережі живлення, m – число фаз еквівалентного перетворювача (для однофазних схем випрямлення m=2, для трьохфазної нульової m=3, для трьохфазної мостової m=6).

Якщо КВ розглядати як джерело середнього значення випрямленої напруги, то його можна описати ланкою з передаточною функцією

(1.2.8)

де ‑ коефіцієнт підсилення перетворювача за напругою, який визначається по характеристиці “Вхід-вихід” ТП (рис. 1.2.22) поблизу робочої точки (орієнтовно може бути прийнятим ; τ ‑ середньостатистичне запізнення перетворювача; ‑ стала часу СІФК.

Вираз для передаточної функції КВ (1.2.8) можна спростити, враховуючи що

.

Тоді

, (1.2.9)

де = . Величина називається некомпенсованою сталою часу ТП і для реальних перетворювачів складає 0,01 с.

Передаточні функції (1.2.8) і (1.2.9) не враховують нелінійність характеристики “Вхід – вихід” КВ і обмеження його напруги величиною . Для уточненого моделювання КВ з урахуванням вказаних нелінійностей можна застосовувати моделі, показані на рис. 1.2.23. Спрощена модель враховує лише обмеження напруги КВ величиною: - для реверсивного ТП і ‑ для нереверсивного ТП. В уточненій структурній схемі рис. 1.2.23 безпосередньо закладена характеристика силового блоку , тому вона враховує як нелінійність характеристики “Вхід – вихід”, так і обмеження вихідної напруги ТП. Величина коефіцієнта передачі СІФК згідно рис. 1.2.22 дорівнює π/20.

Рис. 1.2.23

Енергетичні характеристики КВ. При зростанні кута керування  збільшується реактивна потужність, яку споживає перетворювач з мережі живлення, а його коефіцієнт потужності стає меншим. Помітне зменшення коефіцієнта потужності при глибокому регулюванні ‑ істотний недолік КВ.

Для зменшення споживання реактивної потужності КВ, можна використовувати несиметричні схеми, схеми з нульовими (зворотними) вентилями, узгоджено-зустрічним керуванням, штучною комутацією. Крім цього, коефіцієнт потужності можна значно збільшити при використанні таких зовнішніх засобів компенсації реактивної потужності, як конденсатори і синхронні компенсатори, а також при застосуванні в перетворювачі трансформатора з відводами на різні напруги (замість збільшення кута керування  перемикають вентильний комплект на відвід трансформатора з більш низькою напругою). Використання конденсаторів або синхронних компенсаторів пов’язане з встановленням додаткового обладнання, а трансформатора з відводами - із зменшенням надійності роботи, дискретною зміною випрямленої напруги, ускладненням керування перетворювачем.

У змінному струмі, яким живиться КВ, виникають вищі гармоніки, спектр та величина яких залежать від силової схеми, характеру навантаження і режиму роботи перетворювача. Ці гармоніки негативно впливають на роботу КВ і призводять до додаткових втрат енергії. Для покращення гармонічного складу напруги застосовуються багатофазні схеми випрямляння та сгладжуючі дроселі на стороні випрямленого струму.

Коефіцієнт корисної дії керованого випрямляча визначається із співвідношення:

(1.2.10)

де ‑ втрати активної потужності відповідно в трансформаторі, вентилях і допоміжному обладнанні (дроселях, реакторах тощо).

Нині виготовляються керовані випрямлячі з ККД = 0,8…0,98.