Выбор силовой схемы преобразователя

Силовая схема управляемого тиристорного преобразователя (ТП) используется в качестве выпрямителя или инвертора. Выпрямитель − предназначен для преобразования переменного тока любой частоты в постоянный. Инвертор является преобразователем постоянного тока в переменный. В качестве исходных данных при проектировании обычно берут средние значения выпрямленного напряжения и тока нагрузки и диапазон регулирования выходного напряжения. При использовании ТП для питания якорных цепей электродвигателей задаются диапазон регулирования скорости вращения и режим работы двигателя.

Силовые схемы преобразователей, применяемые в электроприводе, отличаются числом фаз (однофазные и трехфазные), способом подключения вентилей к вторичной обмотке трансформатора (мостовые, нулевые, нереверсивные, реверсивные). Выбор схемы преобразователя зависит от использования силового трансформатора по мощности, вентилей по току и напряжению, энергетических показателей преобразователя, гармонического состава выходного напряжения и тока, мощности двигателя, диапазона и точности регулирования, режима работы.

В связи с дискретностью работы вентилей в силовой цепи возникают пульсации тока, которые вызывают дополнительные потери в обмотках электрических машин и аппаратов, увеличивают нагрев, ухудшают условия коммутации двигателя.

Частота пульсаций тока и напряжения на нагрузке зависит от числа фаз выпрямителя, а амплитуда пульсаций – от индуктивности силовой цепи и глубины регулирования напряжения. Следовательно, для сглаживания тока силовой цепи необходимо увеличивать либо индуктивность силовой цепи, либо число фаз преобразователя.

Увеличение индуктивности силовой цепи является наиболее простым способом снижения пульсаций тока до требуемой величины. Однако включение дополнительных дросселей приводит к увеличению веса и габаритов преобразователя и ухудшению динамических свойств привода.

Снижение пульсаций выходного тока и напряжения за счет увеличения числа фаз выпрямителя приводит к усложнению, как силовой схемы преобразователя, так и системы управления. Однако при этом сохраняются высокие динамические свойства привода, уменьшаются искажения тока и напряжения питающей сети и повышается коэффициент мощности системы.

Поэтому при выборе схемы преобразователя приходится решать противоречивую задачу выбора рационального числа фаз выпрямителя и оптимальных габаритов индуктивности сглаживающего фильтра.

Наиболее часто применяемые нереверсивные силовые схемы ТП приведены на рис. 1.1.

Рис. 1.1.

В нулевых схемах (рис. 1.1а, 1.1в, 1.1c) нагрузка включается между общей точкой вентилей и нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора.

В мостовых схемах (рис. 1.1d, 1.1e) вентили с общим анодом образуют анодную группу, а вентили с общим катодом – катодную группу. Нагрузка включается между общими точками анодной и катодной групп вентилей, а источник питания – в диагональ моста, образованного вентилями.

Различают симметричные мостовые схемы, которые содержат только управляемые вентили, и несимметричные или полууправляемые мостовые схемы, в которых одна группа содержит управляемые вентили, а другая – неуправляемые. Опыт практического использования преобразователей для приводов постоянного тока позволяет сделать следующие рекомендации по выбору силовой схемы ТП без выполнения технико-экономического расчета вариантов.

Однофазные двухполупериодные схемы выпрямления просты, имеют малые внутренние потери, в них отсутствует вынужденное намагничивание трансформатора. В однофазной нулевой схеме (рис. 1.1a) мало вентилей, но большая типовая мощность трансформатора и высокое значение обратного напряжения. Преимущества однофазной мостовой схемы (рис. 1.1b) – малые типовая мощность трансформатора и обратное напряжение. Однофазные схемы являются несимметричной нагрузкой трехфазной сети и создают большие по сравнению с другими схемами пульсации тока и напряжения нагрузки.

Эти схемы могут быть рекомендованы для приводов небольшой мощности (до 1,0 кВт), работающих в длительном режиме, при невысоких требованиях к статическим и динамическим характеристикам, с небольшим диапазоном регулирования скорости ().

Трехфазная нулевая схема (рис. 1.1c) проста и содержит мало вентилей. Однако из-за больших значений действующих анодных токов и обратных напряжений, наличия токов вынужденного намагничивания трехфазные нулевые схемы целесообразны при соединении обмоток звезда − звезда и треугольник − звезда для тиристорных приводов мощностью 5−30 кВт. Для приводов большей мощности 50−100 кВт необходимо применять трансформатор с обмотками звезда или треугольник – двойной зигзаг, что обеспечивает компенсацию токов вынужденного намагничивания и менее падающую внешнюю характеристику.

Трехфазная мостовая схема Ларионова (рис. 1.1d) обладает достаточно жесткой внешней характеристикой. Она имеет высокий коэффициент использования типовой мощности трансформатора. Если ее сравнивать с предыдущей схемой, то она обеспечивает меньшие пульсации и обратные напряжения, имеет более высокий коэффициент мощности и меньшую зону прерывистых токов.

Поэтому для приводов мощностью свыше 10,0 кВт применяется в основном трехфазная мостовая схема. При небольших диапазонах регулирования и отсутствии рекуперативного торможения иногда находит применение полу-управляемая схема, у которой три вентиля управляемые и три неуправляемые.

Трехфазная однополупериодная схема с уравнительным реактором (рис. 1.1e) имеет шестифазные пульсации, но требует дополнительного реактора, типовая мощность которого возрастает с ростом угла регулирования.

Для реверсивных электроприводов с рекуперативным торможением применяются, как правило, двухкомплектные преобразователи, один из комплектов которых работает в выпрямительном, а другой в инверторном режиме.

В зависимости от порядка работы комплектов различают системы с раздельным и с совместным управлением.

При раздельном управлении работает только один комплект преобразователя, обеспечивающий требуемое направление и величину скорости вращения двигателя. Другой комплект находится в выключенном состоянии. Для изменения режима работы комплектов используется специальное логическое переключающее устройство, которое обеспечивает требуемую последовательность отключения ранее работавшего комплекта и включения другого. Поэтому при раздельном управлении в установившихся режимах характеристики привода не отличаются от работы с однокомплектным нереверсивным преобразователем.

Достоинством раздельного управления является отсутствие контура уравнительного тока, что позволяет более полно использовать силовой трансформатор, нет необходимости включать токоограничивающие реакторы, уменьшаются потери энергии, вес и габариты преобразователя.

Вместе с тем при раздельном управлении из-за необходимой выдержки времени при переключении комплектов увеличивается длительность переходных процессов. При раздельном управлении возникает режим прерывистых токов преобразователя, что приводит к резкому увеличению скорости двигателя при малых нагрузках.

В реверсивных преобразователях с совместным управлением оба комплекта вентилей работают одновременно: один в выпрямительном, а другой в инверторном режиме. Вследствие этого в схеме образуется контур, по которому протекает уравнительный ток. Величина и характер уравнительного тока определяются законом управления комплектами. Ограничение уравнительных токов осуществляется уравнительными реакторами.

Вид механических и скоростных характеристик электропривода зависит от способа согласования углов управления  выпрямительной группы и опережения управления инверторной группы.

При линейном согласованном управлении средние значения напряжения на выходе выпрямительного и инверторного комплектов

 

.

.................

Недостатком схем с линейным согласованием является наличие уравнительных токов, дополнительно нагружающих вентили и трансформаторы. Введение уравнительных дросселей увеличивает электромагнитную постоянную времени, что ухудшает динамические свойства привода.

При линейном согласовании не полностью используется трансформатор, так как для предотвращения опрокидывания инвертора необходимо вводить ограничение по минимальному углу управления тиристорами.

Однако благодаря тому, что совместное управление при линейном согласовании позволяет получить наилучшие динамические показатели привода, однозначные статические характеристики и обеспечивает наиболее простой переход из одного режима в другой, преимущества этого способа управления реверсивными преобразователями оказываются более существенными, чем его недостатки. Поэтому на практике такое управление нашло преимущественное распространение. Для ограничения уравнительного тока применяют уравнительные реакторы. Индуктивность реактора выбирают такой, чтобы уравнительный ток не превышал 10 % номинального. Для уменьшения веса и габаритов реакторов в приводах малой и средней мощности допускают увеличение уравнительного тока до 30 % номинального.

Для уменьшения уравнительных токов в ряде случаев используют нелинейное (несогласованное) совместное управление, при котором сумма углов .Такое управление приводит к уменьшению массогабаритных показателей уравнительных реакторов, но усложняет настройку системы управления и ухудшает статические и динамические характеристики электропривода.