Разработка тиристорного преобразователя
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: Преобразовательная техника
“Проектирование тиристорного преобразователя”
Выполнил:
студент группы
ПЭ-932
Башмаков А. В.
Работу принял:
преподаватель
Пономаренко А. И.
СТАВРОПОЛЬ
1997
СОДЕРЖАНИЕ
СТР.
ВВЕДЕНИЕ ...................................... 2
1. Задание .................................... 3
2. Аналитический обзор ........................ 4
Силовая часть преобразователя .......... 4
Системы фазового управления ............ 29
Устройства защиты преобразователя ...... 41
Датчики тока ........................... 47
Разработка электрической принципиальной
схемы преобразователя ...................... 56
Расчет и выбор элементов схемы ............. 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................... 67
ЛИТЕРАТУРА .................................... 68
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые выпрямительные агрегаты нашли широкое применение в различных областях промышленности, на железнодорожном транспорте, судах самолетах и т. д. Они используются для питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности; для питания системы электропривода двигателей постоянного тока различного назначения и мощности; для возбуждения крупных электрических генераторов; для тяговых подстанций и магистральных электровозов переменного тока и для удовлетворения многих других потребностей народного хозяйства.
Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. В то же время значительная часть электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Это связано с тем, что часть потребителей может работать только на постоянном токе. Другая часть потребителей имеет на постоянном токе лучшие характеристики и параметры.
Для преобразования переменного тока в постоянный в настоящее время почти исключительно применяются полупроводниковые преобразователи электрической энергии - выпрямители.
Значительный прогресс в преобразовательной технике связан с созданием силовых полупроводниковых вентилей. Высокие электрические параметры, малые габариты и масса, простота конструкции и обслуживания, высокая эксплуатационная надежность полупроводниковых вентилей позволяют широко использовать их в схемах преобразования переменного тока в постоянный.
Возможности преобразователей существенно расширяются с разработкой и использованием тиристоров. Тиристроные выпрямители обеспечивают глубокое изменение выходных параметров в любом требуемом диапазоне; обладают высоким быстродействием и точностью автоматического регулирования; позволяют переводить преобразователь в инверторный режим и тем самым обеспечивать рекуперацию электроэнергии в сеть.
Указанные качества тиристорных преобразователей делают их весьма перспективными устройствами для питания систем электроприводов постоянного тока с плавным регулирование частоты варения в широком диапазоне, для возбуждения крупных электрических генераторов и других целей.
1. Задание
Разработать тиристорный преобразователь, обеспечивающий питание обмотки возбуждения двигателя постоянного тока или синхронной машины, мощность, отдаваемая в нагрузку P>д> = 5 кВт, номинальное выпрямленное напряжение U>d>>ном> = 235 В, напряжение питающей сети U>c>> >= 215 В. Индуктивность нагрузки равна L>d> = 0.25 Гн. Преобразователь должен обеспечивать минимальные низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения, а также содержать защиту от перегрева силовых вентилей.
ЛИТЕРАТУРА
Методические указания к лабораторным работам. Исследование СИФУ интегрирующего типа. По курсу ”преобразовательная техника”. Составитель: А. И. Пономаренко. Рецензент: П. М. Рыбаков.
Методические указания к лабораторным работам. Исследование СИФУ вертикального типа. По курсу “преобразовательная техника”. Составитель: А. И. Пономаренко. Рецензент: П. М. Рыбаков.
Полупроводниковые выпрямители/ Беркович Е. И., Ковалев В. Н., Ковалев Ф. И. И др.; Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. - 2-е изд., переработ. М.: Энергия, 1978.
Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А. В. Баюшков, А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1984.
Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник/ И. В. Новаченко, В. М. Петухов, И. П. Блудов, А. В. Юровский. - М.: КУбК-а, 1996.
Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/М. И. Богданович, И. Н. Грель, С. А. Дубина и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, Полымя. 1996.
Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. Пособие для приборостроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1991.
Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А. Л. Булычев, В. И. Галкин, В. А. Прохоренко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 1994.
Резисторы, конденсаторы, коммутационные устройства РЭА: Справочник/Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок - Мн.: Беларусь, 1994.
Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова, и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981.
Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник/ В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, В. М. Петухов. - М.: Радио и связь, 1987.
Силовые полупроводниковые приборы: Справочник/ О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недешовин. - 2 изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1985.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных работ спроектирован тиристорный преобразователь, обеспечивающий мощность нагрузки равную 5 кВт, номинальное выпрямленное напряжение U>d>>ном> = 235 В и минимальные низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения. В построенной схеме присутствует защита силовых вентилей от перегрева.
2. Аналитический обзор
2.1 Силовая часть преобразователя
Выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, показанной на рис. 1. Силовой трансформатор 1 служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Трансформатор одновременно электрически разделяет питающую сеть и сеть нагрузки. Блок вентилей 2 осуществляют функцию выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр 3 является звеном, уменьшающим пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки 4. В случае управляемого выпрямителя в структуру схемы входит еще блок 5, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования. Для защиты самого выпрямителя от повреждения в аварийных режимах в его схему входит еще система защиты и сигнализации 6.
Рис. 1. Структурная схема выпрямителя
Полупроводниковые выпрямители могут быть классифицированы по следующим основным признакам.
По входной мощности: установки малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой мощности.
По числу фаз источника питания: выпрямители однофазного тока; выпрямители трехфазного тока.
По возможности регулирования: неуправляемые выпрямители; управляемые выпрямители.
Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора схемы выпрямления, типа применяемых вентилей и метода расчета параметров элементов схемы.
Приведем описание и краткую характеристику существующих схем выпрямления переменного тока.
1. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора (рис. 2)
Основная область применения этой схемы установки малой мощности, где требуются минимальные потери напряжения в выпрямительной установке, она не реализуема без среднего отвода трансформатора.
Рис. 2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним выводом трансформатора
Работа схемы на чисто активную нагрузку (ключ К замкнут) представлена на временных диаграммах рис. 3
Рис. 3. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активную нагрузку
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m> - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 4
Рис. 4. Регулировочная характеристика при работе однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активную нагрузку
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
,
где
U>2>>ф> - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток, максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль соответственно равны:
,
,
,
где
K>f> - коэффициент формы тока в вентиле
Мощность первичной обмотки трансформатора равна:
;
где
U>1>>ф> - действующее значение фазного напряжения первичной обмотки трансформатора,
I>1н> - номинальный действующий ток первичной обмотки трансформатора,
- номинальная
мощность выпрямленного тока,
- коэффициент
трансформации трансформатора.
Мощность двух вторичных обмоток равна:
;
где
I>2>>н> - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
Расчетная мощность трансформатора S>т> равна:
Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) приведена на временных диаграммах рис. 5.
Рис. 5. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности
Вывод регулировочной характеристики выпрямителя при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности):
;
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m> - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 6.
Рис. 6. Регулировочная характеристика однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток может быть определен как
.
Мощность первичной обмотки трансформатора равна:
;
где
I>1н> - номинальный действующий ток первичной обмотки трансформатора,
- номинальная
мощность выпрямленного тока,
Мощность двух вторичных обмоток равна:
;
где
I>2>>н> - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
Расчетная мощность трансформатора S>т> равна:
.
Однофазная мостовая схема (рис. 7)
Основная область применения - установки малой мощности, но иногда применяется и в установках большой мощности.
Рис. 7. Однофазная мостовая схема симметричная (а), несимметричная схема 1 (б), несимметричная схема 2 (в)
Работа всех симметричных и несимметричных однофазных мостовых схем приведенных на рис. 7 при активной нагрузке (ключ К замкнут) одинакова и представлена временными диаграммами рис. 8.
Рис. 8. Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы на активную нагрузку
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m> - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 9
Рис. 9. Регулировочная характеристика однофазной мостовой схемы при работе на активную нагрузку
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
,
где
U>2>>ф> - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток, максимальные средний и действующий токи через вентиль соответственно равны:
,
,
.
Расчетная мощность трансформатора S>т> равна:
,
где
-
номинальная активная мощность
выпрямленного тока,
I>2>>н> - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
Работа симметричного однофазного мостового выпрямителя (рис. 7а) на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) при индуктивности нагрузки равной бесконечности представлена на временных диаграммах рис. 10
Рис. 10. Временные диаграммы работы симметричной однофазной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Вывод регулировочной характеристики выпрямителя при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности):
;
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m> - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 11.
Рис. 11. Регулировочная характеристика однофазной симметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
,
где
U>2>>ф> - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток, максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль соответственно равны
,
,
,
где
K>f> - коэффициент формы тока в вентиле.
Расчетная мощность трансформатора S>т> равна:
,
где
-
номинальная мощность выпрямленного
тока.
Рассмотрим работу несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7б) на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) при индуктивности нагрузки равной бесконечности. Временные диаграммы работы схемы показаны на рис. 12
Рис. 12. Временные диаграммы работы несимметричной мостовой схемы (рис. 7б) на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m> - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 13
Рис. 13. Регулировочная характеристика несимметричной однофазной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку
Работа несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7в) на активно-индуктивную нагрузку показана на временных диаграммах рис. 14, индуктивность нагрузки равна бесконечности.
Рис. 14. Временные диаграммы работы несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7в) на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m> - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид аналогичный предыдущей схемы рис. 13.
Исходя из временных диаграмм рис. 12 и рис. 14 можно сказать, что схема приведенная на рис. 7б обладает преимуществом по сравнению со схемой рис. 7в, так как среднее значение тока через все вентили в схеме рис. 7б имеют одинаковое значение, в то время как неуправляемые вентили в схеме рис. 7в находятся под большей нагрузкой по сравнению с неуправляемыми.
Средний и действующий токи через управляемые вентили в схеме рис. 7в равны:
;
.
Для
неуправляемых вентилей
;
.
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
.
Трехфазная схема со средней точкой (рис. 15)
Трехфазная схема со средней точкой используется в установках средней мощности. Недостатком данной схемы является наличие однополярного подмагничивания сердечника трансформатора из-за наличия постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора.
Рис. 15. Трехфазная схема со средней точкой
Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 16
Рис. 16. Временные диаграммы работы трехфазной схемы со средней точкой на активную нагрузку: режим непрерывных токов 0°£a£30°(а), режим прерывистых токов 30°£a£150°(б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме непрерывных токов (РНТ) (0°£a£30°):
,
где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>ф> - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 17а
Рис. 17. Регулировочная характеристика для трехфазного выпрямителя со средней точкой при работе на активную нагрузку: в режиме РНТ (а), в режиме РПТ (б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме прерывистых токов (РПТ) (30°£a£150°):
,где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>ф> - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Полученная регулировочная характеристика имеет вид рис. 17б.
Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:
,
где
U>2>>ф> - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
(при a<30°)
и
(при
a>30°)
Максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль (для случаев соединения обмоток Y/Y и D/Y) соответственно равны
,
,
где
I>d> - среднее значение выпрямленного тока.
Полные мощности первичной и вторичной обмоток в случае соединения трансформатора в группы Y/Y и D/Y соответственно равны:
;
.
Типовая мощность трансформатора равна:
,
где
-
номинальная мощность выпрямленного
тока.
Рассмотрим работу трехфазной схемы со средней точкой на активно-индуктивную нагрузку (ключ К в схеме рис. 15 разомкнут). Временные диаграммы представлены на рис. 18.
Рис. 18. Временные диаграммы работы трехфазной схемы со средней точкой на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности.
Среднее значение выпрямленного напряжения при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку:
,
где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>ф> - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 19
Рис. 19. Регулировочная характеристика трехфазной схемы со средней точкой при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Максимальное обратное и прямое напряжение на вентиле определяется формулами:
;
.
Трехфазная мостовая схема (рис. 20)
Трехфазная мостовая схема применяется в установках средней и большой мощности и обладает высокими технико-экономическими показателями. Трехфазная мостовая схема может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных схем со средней точкой, питаемых от одной обмотки трансформатора.
Рис. 20. Трехфазный симметричный мостовой выпрямитель
Рассмотрим работу трехфазного симметричного мостового выпрямителя на активную нагрузку. Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 21.
Рис. 21. Временные диаграммы работы трехфазной мостовой схемы на активную нагрузку: режим непрерывных токов 0°£a£60°(а), режим прерывистых токов 60°£a£120°(б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме непрерывных токов (РНТ) (0°£a£60°):
,
где
m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>л> - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 22а
Рис. 22. Регулировочная характеристика для трехфазного симметричного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку: в режиме РНТ (а), в режиме РПТ (б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме прерывистых токов (РПТ) (60°£a£120°):
,где
m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>л> - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Полученная регулировочная характеристика имеет вид рис. 22б.
Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:
,
где
U>2>>ф> - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Рассмотрим работу трехфазной симметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К в схеме рис. 20 разомкнут). Временные диаграммы представлены на рис. 23.
Рис. 23. Временные диаграммы работы трехфазной симметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности.
Среднее значение выпрямленного напряжения при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку:
,
где
m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>л> - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 24.
Рис. 24. Регулировочная характеристика трехфазной симметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Максимальное обратное и прямое напряжение на вентиле определяется формулами:
,
.
Максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль (для случаев соединения обмоток Y/Y и D/Y) соответственно равны
,
,
где
I>d> - среднее значение выпрямленного тока.
Типовая мощность трансформатора равна:
,
где
-
номинальная мощность выпрямленного
тока,
U>1>>ф> - действующее значение фазного напряжения первичной обмотки трансформатора,
I>1>>н> - действующее значение номинального тока первичной обмотки трансформатора.
Трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель (рис. 25)
В трехфазной мостовой схеме можно применять управляемые вентили в половинном количестве. Это может быть необходимо, когда не требуется рекуперация энергии в сеть, а уменьшение количества управляемых вентилей соответственно упрощает систему импульсно-фазового управления (СИФУ). Кроме того, особенностью данной схемы является то, что при угле управления равном 90° число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети m=6, а при углах управления отличных от нуля m=3.
Рис. 25. Трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель.
Рассмотрим работу трехфазного несимметричного мостового выпрямителя на активную нагрузку. Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 26.
Рис. 26. Временные диаграммы работы трехфазной несимметричной мостовой схемы на активную нагрузку: при 0°£a£60°(а), при a³60°(б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку при 0°£a£60°:
,
где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>л> - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 27
Рис. 27. Регулировочная характеристика для трехфазного несимметричного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку при 60°£a£180°:
,где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>л> - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Полученная регулировочная характеристика имеет вид рис. 27.
Рассмотрим работу трехфазной несимметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К в схеме рис. 25 разомкнут). Временные диаграммы представлены на рис. 28.
Рис. 28. Временные диаграммы работы трехфазной несимметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности
Среднее значение выпрямленного напряжения при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку:
,где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U>2m>>л> - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
,
отсюда
,
тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 29.
Рис. 29. Регулировочная характеристика трехфазной несимметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
2.2 Системы импульсно-фазового управления
Включение тиристора (переход в состояние высокой проводимости) происходит при наличии положительного напряжения не его аноде и при наличии положительного сигнала на его управляющем электроде.
Действие управляющего электрода сводится к управлению только моментом включения тиристора. После включения тиристора форма и длительность управляющего сигнала (в определенных пределах) не оказывают решающего значения, поскольку ток тиристора в открытом состоянии определяется параметрами внешней силовой цепи. Это свойство тиристора используется в импульсно-фазовом способе управления, который заключается в следующем. Система управления (СУ) формирует импульсы, которые подаются на управляющий электрод и включают тиристоры в определенный момент времени. Мощность и длительность импульса выбираются достаточными для надежного включения любого стандартного тиристора данного типа.
Таким образом назначение системы импульсно-фазового управления (СИФУ) заключается в формировании импульсов управления с изменяющимся моментом подачи этих импульсов относительно момента естественной коммутации тиристора, то есть изменять момент включения тиристора. Иными словами СИФУ преобразует аналоговый сигнал (напряжение) в угол управления тиристорами.
Основные требования предъявляемые к СИФУ:
высокое быстродействие;
высокая устойчивость к импульсным помехам;
линейность регулировочной характеристики (U>d> =f(U>у>));
гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей.
Рассмотрим основные виды СИФУ.
Система импульсно-фазового управления вертикального типа
Функциональная схема СИФУ вертикального типа показана на рис. 30.
Рис. 30. Функциональная схема СИФУ вертикального типа
В нее входят:
устройство синхронизации (УС);
интегратор
(
);
элемент сравнения (ЭС) напряжения управления (U>у>) и напряжения развертки (U>р>);
компаратор;
формирователь длительности импульсов (ФДИ);
импульсный усилитель (ИУ);
гальваническая развязка (ГР) цепей управления и силовой цепи;
генератор импульсов (ГИ), который формирует прямоугольные импульсы высокой частоты, с помощью которых обеспечивается модуляция выходных управляющих импульсов и тем самым снижаются габариты выходного трансформатора.
Принцип работы СИФУ вертикального типа представлен на рис. 31.
Рис. 31. Временные диаграммы работы СИФУ вертикального типа
К достоинствам системы фазового управления (СФУ) вертикального типа относятся:
высокое быстродействие системы;
линейность коэффициента передачи;
Недостатками СИФУ вертикального типа являются:
низкая помехоустойчивость;
сложность реализации по сравнению с другими СФУ.
Система импульсно-фазового управления горизонтального типа
Функциональная схема СИФУ горизонтального типа представлена на рис. 32.
Рис. 32. Функциональная схема СИФУ горизонтального типа
В нее входят:
устройство синхронизации (УС);
интегратор
();
элемент сравнения (ЭС) опорного напряжения (U>о>) и напряжения развертки (U>р>);
компаратор;
формирователь длительности импульсов (ФДИ);
импульсный усилитель (ИУ);
гальваническая развязка (ГР) цепей управления и силовой цепи;
генератор импульсов (ГИ).
Принцип работы СИФУ горизонтального типа представлен на рис. 33.
Рис. 33. Временные диаграммы работы СИФУ горизонтального типа
Из временных диаграмм работы СИФУ горизонтального типа следует, что преобразование напряжения управления в угол управления осуществляется изменением (за счет изменения напряжения управления U>у> на входе интегратора) наклона напряжения развертки, при постоянном опорном напряжении U>о>, в отличие от системы вертикального типа, в которой наклон напряжения развертки неизменен, но меняется опорное напряжение, которое в этой системе является напряжение управления.
К достоинствам системы фазового управления (СФУ) горизонтального типа относятся:
высокая помехоустойчивость системы к импульсным помехам, так как интегратор обеспечивает сглаживание помех;
относительная простота реализации СФУ.
Недостатками СИФУ горизонтального типа являются:
низкое быстродействие;
нелинейность
коэффициента передачи, а именно его
зависимость от напряжения управления
.
Система фазового управления интегрирующего типа с интегрированием управляющего и синхронизирующего напряжения
Рис. 34. Функциональная схема СФУ интегрирующего типа
В нее входят:
элемент суммирования напряжения управления и напряжения синхронизации (ЭС1);
интегратор
();
элемент сравнения (ЭС) опорного напряжения (U>о>) и напряжения развертки (U>р>);
компаратор;
формирователь длительности импульсов (ФДИ);
импульсный усилитель (ИУ);
гальваническая развязка (ГР) цепей управления и силовой цепи;
генератор импульсов (ГИ),
устройство установки начальных условий (НУ), обеспечивающее одинаковое напряжение в начале и конце процесса интегрирования.
Принцип работы СИФУ интегрирующего типа представлен на рис. 35.
Рис. 35. Временные диаграммы работы СИФУ интегрирующего типа
При изменении напряжения управления U>у> от 0 до 0.7U>cm>, где U>cm> - максимальное напряжение синхронизации, угол управления a изменяется от 180° до 0°.
К достоинствам системы фазового управления (СФУ) интегрирующего типа по сравнению с двумя предыдущими системами относятся:
практически линейная зависимость угла управления от напряжения управления;
неизменность характеристик системы при нестабильности параметров элементов интегратора.
Примеры реализации функциональных узлов СИФУ
Как было описано ранее СИФУ состоит из следующих основных элементов:
синхронизирующего устройства (УС), обеспечивающего синхронизацию последовательности импульсов с сетевым питающим напряжением;
фазосдвигающего устройства (ФСУ), преобразующего управляющий сигнал в соответствующее фазовое положение последовательности импульсов относительно сетевого питающего напряжения;
устройства последовательного формирования, обработки и усиления управляющих импульсов. Это устройство выполняет различные логические операции, связанные с режимом работы силовой схемы выпрямителя и самой СУ; прекращение подачи управляющих импульсов в аварийных режимах, удвоение импульсов в случае использования узких управляющих импульсов, распределение импульсов по каналам управления и тик далее. Кроме того, оно предназначено для формирования импульсов заданной длительности и их усиления.
выходного устройства (ВУ), осуществляющего окончательное формирование и усиление импульсов управления.
Наличие всех указанных устройств или четкое разделение СУ на такие устройства не является обязательным, поскольку некоторые функции СУ могут быть объединены в одном элементе. Способы технической реализации указанных устройств могут быть различны как по типу применяемых элементов, так и по типу применяемых элементов, так и по принципу действия схемы.
Узел синхронизации
Узел синхронизации предназначен для формирования коротких импульсов в моменты естественной коммутации тиристоров. Один из способов реализации узла синхронизации представлен на рис. 36
Рис. 36. Устройство синхронизации
Временные диаграммы работы схемы на рис. 37
Рис. 37. Временные диаграммы работы устройства синхронизации
2. Генератор развертки
Генератор развертки выполняет функцию формирования пилообразного напряжения развертки. Схемы, реализующие данную задачу представлены на рис. 38.
Рис. 38. Генераторы развертки: на транзисторе (а), на операционном усилителе (б)
Генератор развертки рис. 38а используется в простейших схемах выпрямления, так как данная схема не обеспечивает высокой линейности напряжения развертки. Для преобразователей с улучшенными характеристиками применяются генераторы развертки на основе операционного усилителя (ОУ). Схема генератора развертки на ОУ приведена на рис. 38б. В данной схеме транзисторы VT1 и VT2 предназначены для установки начальных условий.
Фазосдвигающий узел СФУ
Фазосдвигающий узел СФУ с интегрированием управляющего и синхронизирующего напряжений приведен на рис. 39. Временные диаграммы работы данной схемы представлены на рис. 40.
Рис. 39. Фазосдвигающий узел СФУ с интегрированием управляющего и синхронизирующего напряжения
Рис. 40. Временные диаграммы работы фазосдвигающего узла с интегрированием управляющего и синхронизирующего напряжения.
Угол управления в системе горизонтального типа стабилен и определяется только напряжениями синхронизации U>с> и управления U>у>. Условие формирования импульса управления:
,
отсюда
.
Таким образом, из полученной формулы следует, что момент формирования импульса управления, определяющий угол фазового сдвига a, не зависит от параметров интегратора. То есть, при изменении значений R и С a не меняется, при условии неизменности U>с> и U>у>. В связи с представленными свойствами данная схема используется для построения выпрямительных устройств с высокой симметрией углов управления по всем каналам СФУ.
Формирователь длительности импульсов
Возможные схемы построения формирователя длительности импульсов приведены на рис. 41.
Рис. 41. Формирователи длительности импульсов
Импульсный усилитель мощности с гальванической развязкой
На рис. 42 представлены возможные варианты построения импульсных усилителей
Рис. 42. Схемы импульсных усилителей
Недостатком схемы рис. 42а в наличии постоянно протекающего тока через резистор R>1> из-за поочередной работы транзисторов VT1 и VT2, поэтому ее применяют при малых токах. Данный недостаток устранен в схемах рис. 42б, в. Наилучшими свойствами с точки зрения рассеиваемой мощности является схема рис. 42в, так как в ней наименьшее число резисторов. Недостатком схемы рис. 42в является относительное большое остаточное напряжение, определяемое напряжениями на транзисторах VT1 и VT2.
На практике рационально применять двухкаскадный усилитель мощности, когда в нем оба транзистора работают одновременно. Подобная схема приведена на рис. 43.
Рис. 43. Импульсный усилитель
Диод VD1 служит для замыкания тока самоиндукции обмотки трансформатора. Стабилитрон VD2 ограничивает обратный выброс напряжения для ускорения завершения переходного процесса связанного с эффектом самоиндукции, что очень важно при высокой частоте следования управляющих импульсов.
2.3 Устройства защиты преобразователя
2.3.1 Общие положения
При возникновении эксплуатационных (технологичес-ких) перегрузок и аварийных режимов, являющихся следствием нарушений работы схемы, по электрическим цепям аварийного контура протекают токи, превосходящие номинальные значения, на которые рассчитано электрооборудование.
В результате воздействия аварийных токов и перегрева токопроводов нарушается электрическая изоляция, обгорают и плавятся контактные поверхности соединительных шин и электрических аппаратов. Электродинамические удары вызывают повреждение шин, изоляторов и обмоток реакторов.
Для ограничения амплитуды аварийных токов и длительности их протекания применяются специальные устройства и системы защиты электрооборудования. Устройства защиты должны отключить аварийную цепь раньше, чем могут выйти из строя отдельные ее элементы.
При больших перегрузках или коротких замыканиях устройства защиты должны сразу отключить всю электроустановку или часть ее с максимальным быстродействием для обеспечения дальнейшей работоспособности или, если авария является следствием выхода из строя одного из элементов цепи, предотвратить выход из строя другого электрооборудования.
В случае небольших перегрузок, не опасных для оборудования в течение определенного времени, система защиты может воздействовать на предупреждающую сигнализацию для сведения обслуживающего персонала или на систему автоматического регулирования для снижения тока.
Поскольку основным фактором, приводящим к выходу из строя электрооборудования, является тепловое действие аварийного тока, то по принципу построения защитные устройства делятся на токовые и тепловые.
Токовые защитные устройства контролируют значения или отношения значений протекающих через оборудование токов.
Тепловые защитные устройства измеряют непосредственно температуру электрооборудования.
Полупроводниковые приборы обладают низкой перегрузочной способностью по сравнению с другим силовым оборудованием, и к устройствам защиты полупроводниковых выпрямителей и других преобразователей предъявляются повышенные требования. Защитные устройства в установках с полупроводниковыми выпрямителями выбираются исходя из допустимых перегрузочных характеристик силовых диодов или тиристоров с учетом того, что при этом будет защищаться и другое оборудование, находящиеся в цепи аварии, поскольку оно обладает большей перегрузочной способностью.
Применение тех или иных средств защиты определяется параметрами силовой цепи преобразователя и перегрузочной способностью полупроводниковых приборов.
Независимо от параметров установки и типа применяемых защитных аппаратов и систем выделяют следующие общие требования к защите.
Быстродействие - обеспечение минимально возможного времени срабатывания защиты, не превышающего допустимого.
Селективность. Аварийное отключение должно производится только в той цепи, где возникла причина аварии. А другие участки силовой цепи при этом должны оставаться в работе.
Электродинамическая стойкость. Максимальный ток, ограниченный защитными устройствами, не должен превышать допустимого для данной электроустановки значения по электродинамической стойкости.
Уровень перенапряжений. Отключение аварийного тока не должно вызывать перенапряжений, опасных для полупроводниковых приборов.
Надежность. Устройства защиты не должны выходить из строя при отключении аварийных токов.
Помехоустойчивость. При появлении помех в сети собственных нужд и в цепях управления устройства защиты не должно ложно срабатывать.
Чувствительность. Защита должна срабатывать при всех повреждениях и токах, опасных для полупроводниковых приборов, независимо от места и характера аварии.
2.3.2 Виды защиты зависимых преобразователей
1. Ограничение токов в силовой части.
Параметрический способ ограничения тока.
Ограничение токов в устройстве защиты достигается применением активных сопротивлений. Такой тип защиты применяется в маломощных установках (до 100 Вт), в установках с большей мощностью наличие дополнительных сопротивлений приводит к значительному увеличению рассеиваемой в установке мощности. Пример подобной схемы защиты представлен на рис. 44.
Рис. 44. Схема защиты с использованием параметрического ограничения тока силовой части преобразователя
В преобразователях большой мощности на стороне переменного тока ставят ограничительные реакторы (индуктивности). Также роль ограничительных реакторов может выполнять силовой трансформатор выпрямительной установки преобразователя.
Ограничение тока за счет угла управления a
При данном способе защиты также необходимо применение ограничительной индуктивности, но значительной меньшей по значению.
Часто применяют ограничение тока по замкнутой системе автоматического регулирования (ограничения). В этом отношении реверсивный преобразователь наиболее универсальный.
Аварийные способы защиты
Эти способы защиты направлены на отключение преобразователя от сети или переводе преобразователя в инверторный режим с выдачей сигнализации. Отключение преобразователя достигается за счет снятия импульсов управления, однако, такой способ не всегда применим. В режиме непрерывных токов полностью управляемых преобразователей снятие импульсов управления недопустимо, так как в этом случае происходит срыв инвертирования, то есть наступает длительный аварийный режим. В таких случаях необходимо быстро перевести импульсы управления в область инвертирования (a » 140°¸160°).
Особенно недопустимо снятие импульсов управления в ведомых сетью инверторах, преобразующих энергию постоянного тока в энергию переменного тока, например, при разрядке аккумулятора. В последнем случае необходимо предусматривать защиту от пропадания сети переменного тока. Для этого применяют коммутационный аппарат, разрывающий цепь разряда аккумулятора или выполняют принудительной отключение вентилей инвертора.
Защита от длительной перегрузки по току (интегральная защита)
Такая защита предусматривается в тиристорных электроприводах при пуске машины, при кратковременных увеличениях механических нагрузок и тому подобное. Интегральная защита должна работать в функции подсчета ампер-секундной площади.
Функциональная схема интегральной защиты представлена на рис. 45
Рис. 45. Функциональная схема интегральной защиты
В схему на рис. 45 входят следующие блоки:
система фазового управления СФУ;
силовая часть выпрямителя СЧ;
датчик тока ДТ;
интегратор
;
элементы сравнения ЭС;
компаратор К;
триггер Тг;
элемент световой сигнализации (ЭСС).
Работа схемы заключается в следующем. При превышении напряжения на выходе интегратора U>инт> значения U>оп2> срабатывает компаратор К и включается триггер Тг. Сигнал с выхода триггера поступает в СФУ для снятия импульсов управления или для перевода преобразователя в инверторный режим с целью быстрого гашения тока.
Если
необходимо реализовать защиту от
кратковременной перегрузки большим
токам, например, при коротком замыкании
(КЗ), то функциональная схема в отличие
от приведенной на рис. 45 будет вместо
интегратора
иметь
сглаживающий фильтр, который предназначен
для защиты функционального блока от
импульсных помех. Параметры фильтра
выбираются из компромиссных условий
обеспечения быстродействия и
помехоустойчивости защиты.
Защита от перегрева силовых элементов
Защита такого вида основана на непосредственном контроле температуры нагрева силовых вентилей. Для получения информации о температуре используются датчики температуры (Дt°С). В качестве датчиков температуры могут использоваться терморезистор, полупроводниковый датчик, термопара и др. Недостатком приведенных датчиков является нелинейность их рабочих характеристик, что неудобно в серийном производстве, так как каждый преобразователь приходится настраивать отдельно. Часто в качестве датчиков тока находят применение полупроводниковые терморезисторы с релейной характеристикой (позисторы), при этом исключается особая настройка преобразователя.
Функциональная схема защиты силовых вентилей от перегрева представлена на рис. 46.
Рис. 46. Функциональная схема защиты силовых вентилей от перегрева
Схема защиты от перегрева силовых вентилей включает в себя следующие компоненты:
система фазового управления СФУ;
силовая часть выпрямителя СЧ;
датчик температуры Дt°C;
элементы сравнения ЭС;
компаратор К;
триггер Тг;
элемент световой сигнализации (ЭСС).
2.4 Датчики тока
Для получения информации о состоянии параметров объекта регулирования применяются датчики. Основная задача датчика выдавать информацию о каком-либо параметре объекта в форме удобной для дальнейшей обработки. Основное требование, предъявляемое к датчику - стабильность его характеристик в рабочем режиме, ибо при непредсказуемом изменении параметров датчика происходит значительное снижение точности регулирования, либо процесс регулирования становится совсем невозможным. Кроме того, большое внимание уделяется линейности передаточной характеристика датчика, так как при выполнении этого условия значительно облегчается процесс преобразования сигнала, получаемого с датчика.
В преобразовательной технике широко используются датчики тока как для построения устройств защиты преобразователя, так и для замкнутых систем автоматического регулирования, в которых основным регулируемым параметром является значение тока нагрузки. Рассмотрим основные виды датчиков тока применяемых в вентильных преобразователях.
2.4.1 Датчик тока на основе шунта
Схема включения шунта представлена на рис. 47.
Рис. 47. Датчик тока на основе шунта
Падение напряжения на шунте определяется по закону Ома:
,
где
I>d> - ток, текущий через шунт;
R>ш> - сопротивление шунта.
Коэффициент передачи шунтового датчика тока:
.
Из полученной формулы следует, что коэффициент передачи датчика тем выше, чем выше сопротивление шунта, но с энергетической точки зрения большое сопротивление шунта невыгодно из-за больших потерь мощности.
Стандартные шунты имеют нормированный выходной сигнал при номинальном токе равный 75 мВ.
На практике часто необходимо гальваническое разделение силовых цепей и цепей управления в этом случае датчик тока значительно усложняется.
С целью гальванической развязки применяют оптопары, однако в режиме пропорциональной передачи оптопара имеет большую нестабильность коэффициента передачи (например, при изменении температуры), поэтому для построения датчиков на основе оптронов применяют дифференциальные оптроны, то есть оптроны, выполненные в одном корпусе с взаимной температурной компенсацией.
Для повышения стабильности оптронную пару используют в ключевом режиме, то есть в режиме насыщения или отсечки, а сам преобразователь выполняют по принципу широтно-импульсной модуляции сигнала.
2.4.2 Датчики тока на основе трансформатора переменного тока (ТА)
Для измерения значения переменного тока необходим трансформатор переменного тока. Отличие трансформатора тока (ТА) от трансформатора напряжения (TV) заключается в режиме использования. Трансформатор напряжения должен питаться от источника ЭДС, а трансформатор тока от источника тока, следовательно, трансформатор напряжения является источником напряжения, а трансформатор тока - источником тока. Исходя из допустимых условий работы источника тока и источника напряжения следует, что трансформатор напряжения не допускает коротких замыканий, а трансформатор тока не допускает режима холостого хода. Обозначение трансформатора тока и трансформатора напряжения приведено на рис. 48.
Рис. 48. Трансформаторы тока (а) и напряжения (б)
Для трансформатора тока справедлив принцип ампер-витков, вытекающий из закона полного тока:
,
где
I>1> - ток первичной обмотки трансформатора,
I>2> - ток вторичной обмотки трансформатора,
I>m> - намагничивающий ток трансформатора,
w>1> - число витков первичной обмотки трансформатора,
w>2> - число витков вторичной обмотки трансформатора,
F - намагничивающая сила сердечника трансформатора.
Схема замещения трансформатора тока показана на рис. 49.
Рис. 49. Схема замещения трансформатора
Исходя из того, что питание трансформатора тока осуществляется от источника тока, то можно в схеме замещения пренебречь сопротивлением и индуктивностью рассеяния первичной обмотки трансформатора, тогда мы получим упрощенную схему замещения трансформатора тока рис. 50.
Рис. 50. Упрощенная схема замещения трансформатора тока
При конструировании трансформатора тока выбирают ферромагнитный сердечник, числа витков, электромагнитную индукцию таким образом, чтобы выполнялось условие:
.
Тогда величиной МДС (F) можно пренебречь, поэтому
,
отсюда
,
где
k>т> - коэффициент трансформации.
Напряжение на нагрузке определяется по закону Ома:
.
Погрешность трансформаторного датчика тока
Физически погрешность датчика тока на основе ТА определяется величиной тока намагничивания (намагничивающей силой F, которая должна быть мала). Из закона электромагнитной индукции следует:
,
где
L>m> - индуктивность цепи намагничивания трансформатора, зависящая от числа витков обмоток, материала и габаритов сердечника трансформатора),
U>m> - напряжение приведенное к цепи намагничивания.
Из приведенного выражения следует, что значение намагничивающего тока зависит от параметров самого трансформатора тока, а также от величины напряжения намагничивания
.
Из выражения для U>m> следует, что при заданных параметрах трансформатора тока значение напряжения U>m>, влияющего на погрешность, можно менять с помощью сопротивления R>н>. При уменьшении R>н> повышается точность датчика тока, но одновременно уменьшается величина полезного сигнала, снимаемого с сопротивления нагрузки, поэтому необходимо выбирать R>н> таким, чтобы по возможности обеспечивалась высокая точность датчика и необходимая величина полезного сигнала.
Особенности построения трансформаторных датчиков тока вентильных преобразователей (ВП)
Для симметричных ВП наиболее целесообразно включать трансформатор тока в цепь переменного тока рис. 51.
Рис. 51. Включение датчика тока в симметричных ВП
Для несимметричных и симметричных схем с обратным вентилем датчик тока нельзя включать на стороне переменного тока, так как при наличии индуктивности в цепи нагрузки трансформатор тока вносить большую погрешность, ввиду неполной величины протекающего через него тока нагрузки. Тем не менее при работе на чисто активную нагрузку, применение датчика тока на стороне переменного тока вполне реально.
Для несимметричных мостовых выпрямителей применяют трансформатор тока с двумя первичными обмотками, которые включают непосредственно в разрыв вентильных цепей рис. 52.
Рис. 52. Схема включения трансформатора тока с двумя первичными обмотками в однофазную мостовую схему
Для симметричных трехфазных преобразователей также допустимо включение трансформатора тока на сторону переменного напряжения. С целью полного контроля тока трехфазного ВП применяют три или два трансформатора тока. Иногда можно применять только один датчик тока в случае полной симметрии трехфазного выпрямителя.
Схема включения датчика тока в трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель показана на рис. 53.
Рис. 53. Включение датчика тока в трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель
Намагничивание трансформатора тока в данной схеме несимметричное из-за разной длительности импульсов прямого и обратного тока. Так как трансформатор тока, согласно закона электромагнитной индукции, не позволяет учитывать постоянную составляющую то необходимо использование искусственных мер, дающих возможность решить данную проблему. В схеме рис. 53 учет постоянной составляющей достигается нарушением симметрии диодного моста при помощи резистора R>д>.
Повышение точности трансформаторного датчика тока с помощью транзисторов
Для повышения точности трансформаторного датчика используются транзисторы в качестве преобразователей тока в напряжение. Для обеспечения стабильного преобразования тока в напряжение применяется схема включения транзистора с общей базой. Подобная схема представлена на рис. 54.
Рис. 54. Применение транзистора, включенного по схеме с общей базой для повышения точности датчика тока.
Транзистор VT1 позволяет значительно уменьшить погрешность датчика тока при значительном увеличении тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки и при отсутствии транзистора VT1 происходит пропорциональное увеличение выходного напряжения датчика тока и снижается точность датчика тока, поэтому применяется транзистор VT1, так как при данной схеме включения падение напряжения на нем мало зависит от входного тока, что и обеспечивает стабильность точности датчика.
Более совершенная схема решающая проблему повышения точности датчика представлена на рис. 55.
Рис. 55. Схема повышения точности датчика с использованием двух транзисторов
Достоинства данной схемы по сравнению с предыдущей:
меньшее количество элементов;
только два элемента определяют падение напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока.
Применение датчика тока с использование транзисторов в трехфазном несимметричном мостовом выпрямителе рис. 56.
Рис. 56. Датчик тока с повышенной точностью в трехфазной несимметричной мостовой схеме
Диод VD9 и резистор R>б> в данной схеме предназначены для компенсации падения напряжения на одном из переходов VT1 или VD3, с целью выравнивания вольт-секундных площадей вторичной обмотки трансформатора тока при неискаженном токе вторичной обмотки.
3. Разработка электрической принципиальной схемы преобразователя
В данном разделе осуществим качественный выбор отдельных элементов проектируемого преобразователя, а именно: силовой части; типа СФУ и узлов в нее входящих, а также составных частей устройства защиты.
Для построения силовой части преобразователя выбираем, исходя из требуемой мощности, однофазную несимметричную мостовую схему рис. 7б. Используем несимметричный выпрямитель, так как проектируемый преобразователь не должен обладать свойством рекуперации энергии в сеть, кроме того, это позволит значительно упростить СФУ из-за уменьшения количества управляемых вентилей. В нашем случае, с учетом выбранной силовой части система фазового управления будет содержать два канала, управляющих включением двух тиристоров однофазной несимметричной мостовой схемы.
Ввиду того, что проектируемый преобразователь должен обладать минимальными низкочастотными (НЧ) пульсациями выпрямленного напряжения, то выбираем в качестве СФУ систему импульсно-фазового управления горизонтального типа с интегрированием управляющего и синхронизирующего напряжения. Данная схема позволит исключить процесс симметрирования каждого канала управления тиристорами, ибо она обладает свойством независимости момента формирования управляющего импульса от параметров элементов фазосдвигающего устройства.
Выбираем элементы, входящие в состав СИФУ. Для построения фазосдвигающего устройства используем схему рис. 39. С целью обеспечения требуемой для включения тиристора длительности управляющего импульса используем ФДИ, представленный на рис. 57. Так как для управления тиристорами необходима определенная мощность управляющего сигнала, то для усиления импульсов управления применяем усилитель мощности, схема которого приведена на рис. 43. Кроме того, для снижения габаритов проектируемого устройства в целом и импульсного трансформатора, используемого для гальванической развязки устройства управления и силовой части, в частности применяем генератор импульсов высокой частоты (высокочастотного заполнения) рис. 58.
Рис. 57. Одновибратор на микросхеме 564АГ1.
Рис. 58. Генератор ВЧ заполнения
Для возможности модуляции управляющих импульсов сигналом, генерируемым генератором ВЧ заполнения, а также для обеспечения блокировки управляющих импульсов при поступлении сигнала от устройства защиты применяем логический элемент “И”.
При построении устройства защиты используем функциональную схему рис. 46. В качестве Тг в данной схеме применяем триггер рис. 59.
Рис. 59. Триггер на транзисторах
Для подачи питания на микросхемы, а также импульсные усилители строим дополнительный узел с использованием трансформатора, диодного моста и интегрального стабилизатора напряжения (КР142ЕН6А). Так как импульсные усилители не критичны к слаженности питающего напряжения, то их питание осуществляем с выхода диодного выпрямителя.
Расчет и выбор элементов схемы
Определение основных параметров силового трансформатора
Исходя из обобщенной формулы для определения максимального выпрямленного напряжения находим минимально необходимое амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора
,
отсюда
В, где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети.
Так как существуют разброс напряжения сети и потери напряжения в обмотках трансформатора, то напряжение вторичной обмотки должно быть выше минимально необходимого. Номинальное амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора определяется по формуле:
В.
Принимаем U>2>>н> = 461.421 В.
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора равно
В.
Коэффициент трансформации равен
.
Номинальный выпрямленный ток равен
А.
Если считать ток нагрузки идеально сглаженным, то действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора равен
А.
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора
А.
Габаритная мощность трансформатора
В×А,
где
k>p> - коэффициент использования трансформатора.
Выбор силовых вентилей для выпрямителя
Выбор вентилей (тиристоров и диодов) осуществляем по значению максимального среднего тока через вентиль:
А, где
m>0> = 2 - число вентилей в схеме выпрямителя, имеющих общую точку.
Из справочника [11] выбираем тиристоры Т222-20 их параметры:
пороговое напряжение - 1.15 В;
отпирающее постоянное напряжение управления - 7.5 В;
ток включения при I>упр.и>=0.18 А - 0.13 А;
повторяющееся обратное импульсное напряжение - 100-1200 В;
максимально допустимое постоянное обратное напряжение - 60-720 В;
максимально допустимый средний ток в открытом состоянии - 20 А;
минимально допустимый импульсный ток управления - 0.55 А.
Из справочника [12] выбираем диоды Д112-25 их параметры:
максимально допустимый средний прямой ток - 25 А;
максимально допустимый импульсный ударный ток - 330 А;
максимально допустимое обратное напряжение-100-1400 В;
пороговое напряжение - 0.9 В;
дифференциальное сопротивление - 6.1 Ом.
Осуществляем проверку правильности выбора силовых тиристоров. Определяем мощность, рассеиваемую на тиристоре в классификационной схеме
Вт, где
U>0> = 1.15 В - пороговое напряжение вентиля,
I>вср> = 20 А - справочное значение допустимого тока через вентиль,
k>фкл> = 1.57 - коэффициент формы выпрямленного тока для классификационной схемы,
Ом -
дифференциальное сопротивление тиристора
в проводящем состоянии.
Определяем мощность, рассеиваемую на тиристоре в используемой схеме выпрямления
Вт, где
U>0> = 1.15 В - пороговое напряжение вентиля,
I*>вср> = 10.64 А - реальное значение тока через вентиль,
- коэффициент
формы выпрямленного тока для используемой
схемы,
r>д> = 0.02 Ом - дифференциальное сопротивление тиристора в проводящем состоянии.
Так
как
,
то тиристоры выбраны верно.
Осуществляем проверку правильности выбора силовых диодов. Определяем мощность, рассеиваемую на диоде в классификационной схеме
Вт, где
U>0> = 0.9 В - пороговое напряжение диода,
I>вср> = 25 А - справочное значение допустимого тока через вентиль,
k>фкл> = 1.57 - коэффициент формы выпрямленного тока для классификационной схемы,
r>д> = 6.1 Ом - дифференциальное сопротивление диода в проводящем состоянии.
Определяем мощность, рассеиваемую на диоде в используемой схеме выпрямления
Вт, где
I*>вср> = 10.64 А - реальное значение тока через вентиль,
- коэффициент
формы выпрямленного тока для используемой
схемы,
Так
как
,
то диоды выбраны верно.
Определяем необходимую длительность импульса управления тиристорами
Схема замещения выпрямителя при коммутации тока имеет вид рис. 60.
Рис. 60. Схема замещения выпрямителя при коммутации
тока
Переходной процесс в данной схеме описывается уравнением
,
где
Е>0> = (0.3¸0.4)U>2>>н> =(0.3¸0.4)×461.421=(138.423¸184.568) В,
Ом - активное
сопротивление нагрузки.
Решением приведенного дифференциального уравнения является выражение вида
.
Так как длительность импульса должна быть такова, чтобы ток через тиристор мог достигнуть значения достаточного для нормального включения вентиля - I>вкл>, то исходя из приведенного выше выражения можно найти требуемую длительность импульса
с, где
I>вкл> = 0.13 А - ток включения тиристора.
Расчет и выбор элементов ФДИ
Для надежного включения тиристоров необходимо чтобы длительность формируемого ФДИ импульса соответствовала выражению
.
В выбранном ФДИ (рис. 57) длительность импульса определяется из формулы
.
Принимаем R>1> = 10 кОм, тогда значение С>1> определяем из выражения
Ф.
Выбираем для R>1> резистор С2-1-0.25-10 кОм±1% [9]. Для C>1> берем конденсатор К10-47 вариант “а” - 51 нФ±1% с рабочим напряжением 50 В [9].
Выбираем элементы генератора ВЧ заполнения
Для снижения габаритов импульсного трансформатора используем модуляцию управляющего импульса, генерируемого ФДИ прямоугольными импульсами высокой частоты. Для возможности модуляции частота генерируемых импульсов должна быть 50-100 кГц. Исходя из этого условия определяем параметры генератора (рис. 58). Частота генерируемых импульсов определяется по формуле:
.
Принимаем R>1>=2 кОм, R>2>=2 кОм. Тогда для f = 50 кГц значение емкости С>1> определится по формуле
нФ.
Выбираем для R>1> и R>2> резистор С2-1-0.25-2 кОм±1%, для С>1> конденсатор К10-47 вариант “а” - 5.1 нФ±1% с рабочим напряжением 250 В [9].
4.6
Рассчитываем и выбираем элементы для
построения импульсного усилителя
Схема импульсного усилителя представлена на рис. 43.
Для определения параметров импульсного усилителя, обеспечивающих нормальное включение тиристоров, строим диаграмму управления тиристором, используя график зависимости U>у>(I>у>) для выбранного тиристора рис. 61
Рис. 61. Диаграмма управления тиристором
Исходя из построенной нагрузочной характеристики имеем:
I>кз> = 1.2 А - ток короткого замыкания цепи управления тиристором,
U>хх> = 12 В - напряжение холостого хода цепи управления тиристором.
Точке А отвечает наибольший потребляемый ток от выходного формирователя, поэтому производим расчет формирователя на ток I>ф>’=0.9 А.
Определяем необходимый коэффициент трансформации импульсного трансформатора TV1
,
где
U>пит> = 24 В - принятое напряжение питания усилителя.
С учетом полученного коэффициента трансформации находим ток в первичной обмотке трансформатора TV1.
А.
Тогда сопротивление резистора R>3> в схеме рис. 43 равно
Ом.
Принимаемиз
таблицы номиналов сопротивлений R>3>
= 56 Ом.
Действующее значение тока через резистор R>3> определяется следующим образом
мА, где
T>с> = 1/f>c> = 1/50 = 20 мс - период напряжения питающей сети,
t>и> = 2.36×10-4 с - длительность управляющего импульса.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R>3> равна
Вт.
Выбираем для R>3> резистор С2-1-0.25-56 Ом±1% [9].
С целью ограничения обратного выброса напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора используем для VD2 стабилитрон Д815Е с напряжением стабилизации U>ст> = 15 В и максимальным током стабилизации I>ст> = =550 мА > 0.45 А [4]. Для замыкания тока самоиндукции применяем для VD1 диод Д229Ж с допустимым средним прямым током I>дср>= 700 мА > 0.45 А [4].
Выбираем транзистор VT2 рис. 43 из условий:
U>кэмакс> ³ U>пит> + U>ст> = 24+15 = 39 В;
I>кмакс> ³ I>ф> = 0.45 А.
Приведенным требованиям удовлетворяет высокочастотный транзистор КТ626Б, его параметры [10]:
U>кэмакс> = 60 В; h>21>>э> = 30-100;
I>кб0> = 1.5 мкА; I>кмакс> = 0.5 А;
f>гр> = 75 МГц.
Находим значение сопротивления R>1> в схеме рис. 43
кОм.
Выбираем для R>1> резистор С2-1-0.25-150 кОм±1% [9].
Выбираем транзистор VT1 рис. 43 из условий:
U>кэмакс> ³ U>пит> = 24 В,
этому требованию удовлетворяет высокочастотный транзистор КТ625А, его параметры [10]:
U>кэмакс> = 40 В; h>21>>э> = 20-200;
I>кб0> = 30 мкА; I>кмакс> = 1 А;
f>гр> = 20 МГц.
Рассчитываем сопротивление R>2> схемы рис. 43
Ом.
Принимаем R>2> = 1.5 кОм.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R>2> равна
мВт.
Выбираем для R>2> резистор С2-1-0.25-1.5 кОм±1% [9].
Так как в построенной схеме преобразователя усиливаемые импульсы поступают на импульсный усилитель с логических микросхем КМДП типа, у которых уровень логического нуля определяется напряжением около 3 В, а уровень логической единицы напряжением близким к напряжению питания, а нашем случае это 15 В, то при подаче импульсов на импульсный усилитель необходимо ограничить величину входного тока, при выходном напряжении микросхемы соответствующем уровню логической единицы и обеспечить закрытое состояние транзисторов импульсного усилителя при поступлении на его вход сигнала логической единицы. Это можно обеспечить используя резисторы R’ и R’’ в схеме рис. 43.
Резистор R’ ограничивает входной ток транзистора VT1 и может быть определен из выражения
кОм.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R’ равна
мВт.
Выбираем для R’ резистор С2-1-0.25-20 кОм±1% [9].
Резистор R’’ обеспечивает закрытое состояние транзистора VT1 при наличии на входе импульсного усилителя напряжения логического нуля и может быть определен из выражения
Ом.
Выбираем для R’’ резистор С2-1-0.25-2.2 кОм±1% [9].
CLS
INPUT "Введите число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети "; m
INPUT "Введите номинальное выпрямленное напряжение Udн, В"; Udn
INPUT "Введите действующее значение напряжения сети Uc, B"; Us
INPUT "Введите номинальную мощность выпрямителя Pdн, Вт"; Pdn
INPUT "Введите индуктивность нагрузки Ld, Гн"; Ld
INPUT "Введите число вентилей, имеющих общую точку в выпрямителе"; m0
INPUT "Введите величину, обратную коэфф. мощности трансформ. для данного выпрямителя"; Kp
pi = 3.141592654#
St = Kp * Pdn
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Габаритная мощнсть трансформатора Sт = "; St; "ВA"
U2min = Udn * pi / (m * SIN(pi / m))
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Минимальное амплитудное напряжение на "
PRINT "вторичной обмотке трансформатора U2min = "; U2min; "B"
U2na = U2min / .8
U2nb = U2min / .85
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Номинальное амплитудное напряжение на"
PRINT "вторичной обмотке трансформатора U2ном = "; U2nb; "B -"; U2na; "B"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
INPUT "Введите принятое U2ном, В"; U2n
Kt = Us * SQR(2) / U2n
Idn = Pdn / Udn
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Номинальный выпрямленный ток Idн = "; Idn; "A"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Коэффициент трансформации трансформатора Kт = "; Kt
Ivsr = Idn / m0
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Средний ток через вентиль в схеме выпрямления Iвср* = "; Ivsr; "A"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
INPUT "Введите справочное значение порогового напряжения вентиля U0, B"; U0
INPUT "Введите справочное значение среднего тока через вентиль Iвср, A"; Ivsrs
INPUT "Введите справочное знечение дифф. сопротивления вентиля rd, Ом"; rdif
IF rdif = 0 THEN rdif = (.35 * U0) / Ivsrs
kf = pi / 2
Pkl = U0 * Ivsrs + (kf ^ 2) * (Ivsrs ^ 2) * rdif
Pr = U0 * Ivsr + (kf ^ 2) * (Ivsr ^ 2) * rdif
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Дифференциальное сопротивление вентиля rдиф ="; rdif; "Ом"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Классификационная мощность вентиля Pкл ="; Pkl; "Вт"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Реальная мощность вентиля Pр="; Pr; "Вт"
IF Pr > Pkl THEN PRINT "ВЕНТИЛИ ВЫБРАНЫ НЕВЕРНО!!!" ELSE PRINT "ВЕНТИЛИ ВЫБРАНЫ ВЕРНО!!!"
Rd = Pdn / (Idn ^ 2)
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Активное сопротивление цепи нагрузки Rd ="; Rd; "Ом"
E0a = .3 * U2n
E0b = .4 * U2n
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Напряжение источника в схеме замещения E0 = "; E0a; "B - "; E0b; "B"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
INPUT "Введите принятое E0, B"; E0
INPUT "Введите ток включения тиристора Iтир, A"; Itir
ti = (Ld / Rd) * LOG(1 / (1 - (Itir * Rd / E0)))
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Необходимая длительность импульса для влючения тиристора tи = "; ti; "c"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
INPUT "Введите принятое сопротивление для ФДИ R1, Ом"; Rfdi1
Cfdi1 = 2 * ti / Rfdi1
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Емкость для ФДИ C1 = "; Cfdi1; "Ф"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
INPUT "Введите необходимую частоту для генератора ВЧ заполнения fг, Гц"; fgr
INPUT "Введите сопротивления R1 и R2 генератора ВЧ заполнения, Ом"; Rg1, Rg2
Cg1 = 1.443 / ((2 * Rg2 + Rg1) * fgr)
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
PRINT "Емкость для генератора ВЧ заполнения C1 = "; Cg1; "Ф"
PRINT "------------------------------------------------------------------------"
END
1. Аналетический обзор силовой части
1.1 Однофазные мостовые схемы
Каждая из этих схем будет работать с управлением.
Эти схемы несиметричные (полу-управляемые) мостовые
1.1.2
Это-симметричная (полностью упровляемая) мостовая схемка. Данная схема требует более сложную силовую часть и схему управления ,в отличии от предыдущих схем.
1.2 Трехфазный однополупериудный выпрямитель со средней точкой трансформатора.
Только при правильном включении вентелей схема схема будет работать, то есть раньше момента естественной коммутации включения не будет.
1.3 Трехфазный нессиметричный полууправляемый выпрямитель.
Эта схема имеет упрашенную схему управления по сравнению с полность управляемой.
Особенности схемы м=6 при @=0
м=3 при @ не равном 0
1.4 Однофазный симметричный (полностью управляемый) мостовой преобразователь на RL-нагрузку.
Инвертьровать энергию могут только полностью управляемые схемы.
1.5 Двухполупериудный выпрямитель с RL-нагрузкой и обратным (нулевым) вентелем.
За счет обратного вентеля форма Uc совподает с формой такогоже выпрямителя, только на активную нагрузку.
Следовательно регулеровочная хорактеристика так-же
совподает:
1.6 Однофазный нессимметричный мостовой выпрямитель на RL-нагрузку.(1-я схема)
В режиме отдачи энергии .......... в Ld Токнагрузки ......... по короткому пути от ЭДС сомоиндукции El через
Rd и вентили V1, V2.
Следовательно ............... энергия в Ld периходит в тепловую энергию рассеиваемую в активном сопративление.
Таким образом ............. энергия не возвращается в сеть и нессимметричные схемы не обладают свойством инвертирования.
1.7 Однофазный нессимметричный мостовой выпрямитель при работе на RL-нагрузку (2-я схема)
На интервале отдачи энергии ............ в Ld токи i1, i2 (токи Тр.) ровны нулю. Следовательно временные диаграммы этих токов совподают с временными диаграммоми для симметричной схемы с нулевым вентелем.
В отличие от предыдущий схемы здесь все токи в вентилях одинаковы.
Форма Ud(t) и регулировочная хорактеристика Ud(@) совпадает со случаем активной нагрузки.
1.8 Трехфазный однополупериудный выпрямитель с RL-нагрузкой.
Ud=f( , )
Cледовательно регулировочная хорактеристика зависит не только от угла @, но также зависит и от угла проводимости лямда.
1.9 Трехфазный симметричный мостовой преоброзователь с RL-нагрузкой.
1.10 Трехфазный однополупериудный выпрямитель с RL-нагрузкой, с обратным (нулевым вентелилем).
1.11 Трехфазный симметричный мостовой выпрямитель с RL-нагрузкой и обратным вентилем.
Регулеровочная хорактеристика Ud(t) имеет такой-же вид что и для активной нагрузки, т.к форма ........ Ud(t)’ при ......... V0 для R-..... и RL-..... совподают.
Трехфазный нессимметричный мостовой выпрямитель с RL-нагнузкой.