Управляемые выпрямители. Области применения преобразователей средней и большой мощности

Лекция 10

Управляемые выпрямители

Электрическая энергия генерируется и распределяется в основном в виде переменного тока промышленной частоты. Для питания электродвигателей постоянного тока применяются управляемые выпрямители (тиристорные преобразо­ватели) электроприводов средней и большой мощ­ности.

Они характеризуются высокими экономическими показателями; отсутствием вращающихся частей; практической безынерционностью; высоким коэффициентом усиления по мощности и напряжению, что позволяет создавать системы автоматического управления высокого уровня.

Управляемые выпрямители (УВ) позволяют одновременно с выпрямле­нием переменного напряжения осуществлять плавное регулирование в широких пределах среднего значения выпрямленного напряжения. Обычно УВ строятся по тем же схемам, что и неуправляемые, однако в вентильной группе используются тиристоры, включение которых осуществляется подачей импульса от схемы управления на управляю­щий электрод тиристора.

1 Области применения

преобразователей средней и большой мощности

Преобразователи используются:

1 В составе приводов для питания электродвигателей мощностью от десятков ватт до сотен мегаватт, на напряжения 2,3 кВ, 3,3 кВ, 4,16 кВ, 6 кВ с использованием 12- и 24-фазных выпрямителей. Приводы применяются:

- при производстве стали, проволоки, бумаги, полиграфической продукции, нефти, газа;  

- на электротранспорте для дизель-электрической и контактной тяги (используются запираемые тиристоры с напряжением 6,5 кВ).

2  На химическом промышленном производстве:

- установки электролиза;

- электрохимические  процессы  и  т.д.

3 В частотных преобразователях (изменение и регулирование частоты питающего напряжения) мощностью от 120 Вт до 1500 кВт, которые применяются:

- для замены (исключения) двигателей постоянного тока, коробок передач, вариаторов, гидромуфт и гидропередач;

- в установках обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха мощностью от 120 Вт до 90 кВт;

- для задач с повышенными требованиями к точности и быстродействию регулирования сервоприводов.

2 Основные теоретические положения

Главным элементом преобразователей являются тиристоры (ключи), которые пропускают ток только в одном направлении и запирают электрическую цепь, если напряжение ни них снижается до нуля. Выходное напряжение регулируется изменением угла открывания α, отсчитыва­емого от точки естественного отпирания (коммутации) тиристоров.

В состав преобразователя входят:

- силовой блок, состоящий из согласующего трансформатора (или реактора), силовых тиристоров и токоограничивающих дросселей;

- система импульсно-фазового управления (СИФУ), для выработки управляющих импульсов и сдвига их по фазе на требуемый угол α;

- вспомогательные устройства, выполняющие функции защит, логических операций, источников питания и опорных напряжений.

Основные эксплуатационные данные тиристоров:

Угол управления α – значение фазы входного синусоидального напряжения, соответствующей моменту подачи управляющего импульса, открывающего тиристор.

Максимальный угол управления α_MAX – значение угла регулирова­ния, при котором среднее значение U_d выпрямленного напряжения становится равным нулю.

Прямое напряжение (амплитуда)U_ПР – наибольшее напряжение на закрытом тиристоре, включенном в прямом направлении.

Средний ток I_ПР – предельно допустимое среднее значение тока, протекающего через открытый тиристор (при нормальных для данного тиристора условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения);

Наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда)U_ОБР – обратное напряжение, которое тиристор выдерживает в течение длитель­ного времени.

Средняя мощность P_d – максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна тиристором.

Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии dU/dt – предельно допустимая скорость изменения напряжения на аноде тиристора, которая не ведет к его открыванию.

3 Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

Данная схема (рис. 1, а) содержит трансформатор T, тиристор VT1, блок управления СИФУ. Выпрямитель самостоятельно применяется редко, однако является основным элементом других УВ.

На рис. 1, б представлены временные диаграммы работы однополупериодного управляемого выпрямителя.

Рис. 1 Однополупериодный управляемый выпрямитель:

 а – схема; б – временные диаграммы напряжений

При этом среднее значение напряжения на нагрузке равно:

где: U_d0 – среднее напряжение на нагрузке в однополупериодном неуправляемом выпрямителе (α =0).

Среднее напряжение на нагрузке при α =0:

Из временной диаграммы следует, что угол управления α может изменяться от 0 до 180 градусов  (α_MAX =180 град.).

На рис. 2 изображена регулировочная характеристика УВ: U_dα.. Это зависимость среднего значения напряжения на нагрузке U_d от величины угла управления α. Характеристика имеет нелинейность при больших и малых углах управления.

Нелинейность при малом угле α особенно неудобна в случае регулировки частоты вращения двигателей при малой нагрузке, поскольку напряжение изменяется незначительно в большом диапазоне изменения угла α.

Рис. 2 Регулировочная характеристика однополупериодного управляемого выпрямителя

4 Многофазные управляемые выпрямители

Кривые напряжений вторичных обмоток трансформатора m – фазного выпрямителя при активной нагрузке приведены на рис. 3.

Отсчет угла управления ведется от точки естественной коммутации Т_К, после которой возможно открывание тиристора сигналом управления при условии, что напряжение на аноде тиристора положительно. Для закрывания тиристора необходимо, чтобы напряжение на его аноде стало отрицательным.

Из временной диаграммы (рис. 3, а) следует, что это возможно, после прохождения точки естественной коммутации при условии, что открывается другой тиристор и подает большее по амплитуде напряжение на ранее открытый тиристор (рис. 3, б). При этом угол управления: