Меню

Тиристорный преобразователь напряжения описание

1.1. ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ – УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Регулировать значение подводимого к двигателю напряжения можно за счет включения в цепь статора дополнительных элементов (резисторов, дросселей насыщения) или с помощью тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Использование ТРН по сравнению с другими способами регулирования напряжения дает ряд преимуществ: электроприводам:

· повышает коэффициент полезного действия (КПД);

· осуществляет бесступенчатое регулирование;

· уменьшает массо-габаритные показатели.

Существует большое разнообразие схем (рис. 1.1) включения силовых вентилей (тиристоров, диодов), позволяющих осуществить бесконтактную коммутацию статорных цепей, асинхронных двигателей и регулировать уровень подводимого напряжения [62]. В приведенных схемах статорные обмотки соединены как в звезду, так и треугольник.

Тиристорные регуляторы напряжения выполняют по симметричным и несимметричным схемам. В симметричных схемах (рис. 1.1 а, б, г, д) коммутирующий элемент состоит из двух встречно-параллельных тиристоров в каждой фазе, при этом управляющие импульсы подаются на тот тиристор, к аноду которого в данный момент времени приложен положительный потенциал сетевого напряжения. В несимметричных схемах (см. рис. 1.1, в) в каждой фазе коммутирующий элемент представлен встречно-

параллельно включенными тиристором и диодом. Наличие диода в коммутирующем элементе упрощает схему управления ТРН, повышает надежность, но несколько снижает диапазон регулирования выходного напряжения.

Во всех приведенных схемах регулирование выходного напряжения достигается за счёт изменения угла сдвига отпирающих импульсов тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Задача точного определения напряжения, подводимого к статору двигателя при фазовом управлении, достаточно сложна, так как её решение связано с учётом взаимосвязанных электромагнитных процессов, происходящих в цепях ротора и статора. Поэтому точное математическое описание электромагнитных процессов используется при углубленных исследованиях электропривода с ТРН. Для приближенных инженерных расчетов асинхронный двигатель может быть представлен в виде трехфазной активно-индуктивной нагрузки, параметры которой определяются из схемы замещения двигателя, Т-образной (рис.1.2, а) и Г-образной (рис. 1.2, б).

Работу ТРН на активно-индуктивную нагрузку удобно рассмотреть для случая симметричной схемы. Если симметричная активно-индуктивная нагрузка включена в звезду по нулевой схеме, то ток в каждой фазе не зависит от тока других фаз.

В схеме включения одной фазы (рис.1.3, а) в каждый момент времени значение действующего напряжения сети уравновешивается падением напряжения на вентилях и на элементах RL-цепи:

где – падение напряжения на вентиле; i – ток нагрузки; – соответственно, активное сопротивление и индуктивность двигателя; – амплитуда фазного напряжения.

При закрытых тиристорах падение напряжения на вентиле равно:

При открытом тиристоре, например, VS1 в предположении, что вентили идеальные (прямое сопротивление равно 0), в положительный полупериод напряжение сети можно записать:

Решение уравнения (1.3) относительно тока нагрузки (i) имеет две составляющие: принужденную (iпр) и свободную (icв):

Принужденная составляющая определяется фазным напряжением и сопротивле-нием нагрузки:

где – полное сопротивление цепи нагрузки (двигателя); – угол сдвига между током и напряжением.

Свободная составляющая тока определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки ( ):

где tвкл – момент включения тиристора.

Показатель функции в выражении (1.6) можно представить в виде:

где α = ω tвкл – угол открывания тиристора.

Подставляя в выражение (1.4) значение свободной составляющей тока из выражения (1.6) и принужденной из выражения (1.5) получим:

Значение коэффициента A можно найти из условия, что в момент срабатывания тиристора (w t = a) ток в нагрузке скачком измениться не может (i = 0):

Окончательно уравнение для тока и напряжения нагрузки будет иметь вид:

U = Um×sin(w×t) при a £ w×t £ a + l;

I = 0 или U = 0 при a + l – p — l / tg = 0. (1.11)

Зависимость l от a и j может быть найдена с помощью ЭВМ.

Аналогичные выражения можно получить при анализе процессов в нагрузке при открывании тиристора VS2 (avs2 = p + avs1).

Графики изменения токов и напряжений при коммутации RL-нагрузки показаны на рис.1.3, б. Графики построены для случая, когда угол отпирания тиристора VS1 превышает угол сдвига (j) между током и напряжением. Угол a = j является минимальным углом открывания тиристоров. Действительно, если a p. При этом на некоторых отрезках времени оба тиристора должны проводить ток одновременно, что невозможно, так как падение напряжения на проводящем вентиле создает обратную полярность напряжения на закрытом вентиле.

Максимальный угол отпирания тиристоров для рассматриваемой схемы (см. рис.1.1, а) a = p. При изменении угла регулирования в пределах j £ a £ p к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение, и протекает прерывистый ток. Гармонический состав токов и напряжений на нагрузке зависит от схемы включения ТРН.

Читайте также:  Защита входов от высокого напряжения

Характеристики ТРН рассматриваются, в виде семейства характеристик Uтрн=f(a,j) [63]. Обычно выходное напряжение ТРН представляют только его первой

гармоникой, так как другие гармоники (высшие нечётные) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Для управляемого электропривода целесообразно построить семейство характеристик управления:

при фиксированных значениях угла нагрузки j = const [62]. На рис.1.4. приведены регулировочные характеристики ТРН для двух вариантов схем построения преобразователя: симметричной (см. рис.1.1, б) и несимметричной (см. рис.1.1, в).

Система импульсно-фазового управления принципиально не отличается от СИФУ тиристорного преобразователя постоянного тока. Обычно она строится по вертикальному принципу, при этом на неё накладываются требования по ширине отпирающих импульсов. С учетом того, что значения угла нагрузки для асинхронных двигателей

на ходятся в пределах от jmin

90°, ширина отпирающих импульсов должна быть больше:

Одноканальная асинхронная СИФУ, используемая в промышленных тиристорных регуляторах напряжения типа тиристорные станции управления (ТСУ) СИФУ – аналогово-цифровые с вертикальным принципом управления (рис. 1.5), состоит из пяти основных узлов: аналогово-цифрового преобразователя, генератора, счетчика, дешифратора и шести схем «ИЛИ». По каждому синхроимпульсу «Синх.» в соответствии с сигналом управления аналогово-цифровой преобразователь вырабатывает импульс, который устанавливает счётчик в нулевое состояние, при этом запускается генератор, и счётчик начинает подсчитывать импульсы, вырабатываемые генератором. В соответствии с содержанием счётчика выдаётся сигнал с соответствующего выхода дешифратора (длительность 60º).

При равенстве пяти содержимого счетчика на шестом выходе дешифратора появляется сигнал, блокирующий работу генератора. Генератор будет находиться в заторможенном состоянии до появления следующего импульса с аналогово-цифрового преобразователя.

Схемы «ИЛИ» производят попарно логическое суммирование выходных импульсов дешифратора, обеспечивая расширение выходных отпирающих импульсов (+А, -А, +В, -В, +С, -С) до 120º.

Аналогово-импульсный преобразователь выполнен на элементах А1, А2, D1, интегрирующей цепи С1R13 и дифференцирующей цепи C2R15. Преобразователь за период напряжения сети вырабатывает один кратковременный импульс, сдвинутый от синхроимпульса на время (угол), соответствующее значениям сигнала управления и сигнала обратной связи. Усилитель А2 выполняет функцию компаратора. Генератор выполнен на элементе D6 (микросхема К155АГ3), счётчик D5 (микросхема К155ИЕ5) своим входом соединён с выходом генератора, а выходом – с дешифратором D7 (микросхемой К155ИД4).

В зависимости от входной информации с соответствующего выхода дешифратора выдается сигнал нулевого уровня.

По переднему фронту каждого синхроимпульса «Синх.» дифференцирующей цепочкой С7R5 вырабатывается импульс, по которому элементы D1.3, D1.4 кратковременно открываются, и происходит разряд конденсатора интегрирующей цепи C1R13. По окончании этого импульса через R13 начинается заряд конденсатора С1.

Потенциал на инверсном входе усилителя А2 является опорным сигналом и соответствует значению напряжения сигнала управления, поступающего на вход СИФУ (U’упр = Uупр – Uос). Когда потенциал пилообразного напряжения на конденсаторе С1 (на прямом входе усилителя А2) начнёт превышать потенциал входа 4 этого усилителя, на выходе компаратора появляется сигнал положительной полярности, а с выхода дифференцирующей цепи C2R15 выдаётся кратковременный импульс единичного уровня, по которому счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние (конденсатор С1 продолжает заряжаться до прихода следующего синхроимпульса).

При сбросе счётчика D5 в нулевое состояние на шестом выходе дешифратора D7 устанавливается единичный уровень. Этот сигнал подаётся на вход заторможенного генератора D6 через элементы D2.1, D2.2. При этом обеспечиваются условия для самозапуска генератора, и он начинает генерировать кратковременные импульсы нулевого уровня.

Эти импульсы подсчитываются счётчиком D5, по выходной информации которого на соответствующем выходе дешифратора D7 появляется сигнал нулевого уровня. Для большей надёжности запуска генератора через элемент D2.3 подаётся импульс с дифференцирующей цепочки C2R15. Когда генератор выработает пять импульсов, сигналом с шестого выхода дешифратора, он затормаживается. По переднему фронту очередного синхроимпульса счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние, на выходе 6 элемента D7 устанавливается сигнал единичного уровня, и генератор начинает выработку очередной серии импульсов. Длительность импульсов определяется цепочкой C3R16, а период – цепочкой С6R19.

Каждому уровню сигнала управления соответствует определённое значение напряжения на выходе усилителя А1, а следовательно, и фаза выходного сигнала компаратора А2. Таким образом, с изменением уровня сигнала управления изменяется фаза выходных импульсов. Диапазон регулирования угла открытия тиристоров от 0º до 240º. Ключи «Работа» и «Торможение» обеспечивают подключение входа усилителя А1 к источнику управляющего сигнала или к источнику, определяющему интенсивность торможения.

Источник



Тиристорный преобразователь

Большинство электрических машин рассчитано на работу при стабильном значении напряжения и частоты питающей сети. Для управления параметрами двигателя (мощность на валу, частота вращения) необходимо изменение номиналов напряжения питания. В преобразователях напряжения и частоты используются транзисторы и тиристоры. Последние традиционно применяются для устройств высокой мощности, хотя появление достаточно мощных IGBT транзисторов позволяет постепенно избавляться от тиристорных схем из-за присущих им недостатков.

Читайте также:  Цепи с емкостным сопротивлением колебания силы тока отстают от колебаний напряжения

Мощный тиристор

Принципы регулировки различаются для питающего напряжения постоянного тока или переменного.

Важно! В промышленности под аббревиатурой ТПЧ подразумеваются преобразователи для систем индукционного нагрева металлов. Для электроприводов используется термин – частотно-регулируемый привод или частотный преобразователь для электропривода.

Виды преобразовательных агрегатов

Преобразование может выполняться различными схемами, в которых отличается принцип работы. Различают несколько типичных вариантов использования тиристоров:

  • Управляемые выпрямители;
  • Инверторные преобразователи.

Управляемый выпрямитель характеризуется тем, что вместо части или всех диодов установлены тиристоры, коммутируя которые в определенные моменты времени можно управлять величиной среднего напряжения на нагрузке.

Управляемый выпрямитель

Преобразователь напряжения на тиристорах, включенный по схеме управляемого выпрямителя, в силу особенностей работы, можно использовать только в цепях переменного тока для питания нагрузки постоянным напряжением.

Инверторные преобразователи формируют напряжение, по форме близкое к синусоидальному, из постоянного. При этом может быть получено различное количество фаз, имеется возможность регулировки амплитуды и частоты напряжения.

Частотный преобразователь

Асинхронный двигатель для осуществления возможности управления мощностью и частотой вращения может включаться только через инверторный преобразователь (частотник).

Схема 3-фазного частотника

Тиристорные трехфазные преобразователи частоты используются для управления мощной нагрузкой и находят применение там, где нет возможности включения оборудования на IGBT транзисторах.

Различают два класса устройств по принципу коммутации управляющих элементов:

  • С одноступенчатой коммутацией;
  • Двухступенчатые.

Одноступенчатые устройства отличаются простой схемотехникой, но не обладают возможностью регулировки выходного напряжения, поскольку управление производится всеми тиристорами одновременно. Регулирование напряжения идет путем установки в цепи постоянного питающего напряжения через установку регулируемого выпрямителя.

В свою очередь, двухступенчатые преобразователи делятся на схемы:

  • С групповой коммутацией;
  • С пофазной коммутацией;
  • С индивидуальным управлением.

Данные устройства сложнее не только схемой управления, но и силовой частью, поскольку в них присутствует две группы тиристоров: анодные и катодные.

Групповая коммутация

Управляющие сигналы поступают раздельно на анодную или катодную группу.

Пофазная коммутация

Управление осуществляется раздельно по каждой фазе преобразования путем отключения анодного или катодного тиристора.

Индивидуальная коммутация

Здесь управление производится каждым тиристором преобразователя раздельно. За счет индивидуального управления можно реализовывать большое число алгоритмов преобразования, снижать до минимума искажения формы сигнала и уровень электромагнитных помех.

Особенности тиристорного управления

Тиристоры в качестве коммутирующих элементов характеризуются тем, что могут использоваться исключительно в качестве ключей. Каталог номенклатуры тиристоров отличается тем, что большинство элементов в нем не требует постоянной подачи управляющего сигнала. Здесь используется свойство тиристоров сохранять открытое состояние после снятия управления. Запирание происходит только тогда, когда ток через элемент снижается ниже определенного уровня, или происходит смена полярности напряжения на аноде и катоде.

Не дожидаться смены полярности или уменьшения тока можно, применяя специальные запираемые тиристоры, которые запираются путем подачи сигнала на управляющий электрод.

Любой тиристорный преобразователь отличается высоким уровнем искажения формы напряжения. Также в момент переключения возникают импульсы электромагнитных помех, для уменьшения уровня которых требуется использование дополнительных схемных решений (коммутация в момент перехода напряжения через нуль, установка помехоподавляющих фильтров).

Искажение формы сигнала

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Особенностью схем на тиристорах является то, что они рассчитаны на работу с определенным характером нагрузки.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Данный тип преобразователей имеет дополнительный конденсатор, включенный последовательно или параллельно нагрузке. Назначение конденсатора – обеспечение надежного запирания тиристоров, не участвующих в прохождении тока по силовой цепи. Для стабилизации тока через нагрузку вход инвертора тока содержит индуктивность, которая в идеальном случае должна стремиться к бесконечности.

Комбинированные схемы

Комбинированная последовательно-параллельная схема содержит два конденсатора и позволяет улучшить нагрузочные характеристики устройства. В частности, такая схема отличается большей устойчивостью при работе с малой нагрузкой.

Последовательная, параллельная и комбинированная схемы

Преобразователь напряжения Мак-Мюррея

Схема Мак-Мюррея включает в себя контур LC. Данный контур образуется из соединения конденсатора и катушки индуктивности через открытый в данный момент тиристор, закрывая противоположный.

Схема Мак-Муррея

Данное решение позволяет питать индуктивную нагрузку, например, устройства, в которых производится индукционный нагрев или сварка металлических конструкций.

Последовательный резонансный инвертор

В подобной схеме емкость конденсатора и индуктивность подобраны таким образом, чтобы на частоте преобразования LC контур находился в резонансе. Таким образом, управление тиристорами будет происходить на резонансной частоте.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения для компьютера своими руками

Преобразование может вестись на более высокой частоте, что улучшает характеристики схемы из-за лучших условий переключения ключевых элементов.

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах

Устройства индукционного нагрева наиболее часто используют схему Мак-Мюррея или резонансный преобразователь, поскольку нагрузка носит явно выраженный индуктивный характер. Индукционные нагревательные приборы потребляют значительный ток, поэтому в мощных печах используются именно тиристоры, несмотря на более лучшие по параметрам транзисторы.

Поскольку для питания объектов промышленных предприятий используется трехфазный переменный ток, конструкция обязательно содержит выпрямитель, который на выходе образует постоянный ток.

Использование тиристоров в качестве ключевых элементов инвертора позволяет создавать простые и надежные схемы, основной недостаток которых заключается в достаточно сильных искажениях формы напряжения и высоком уровне электромагнитных помех.

Видео

Источник

Тиристорные преобразователи — полное описание функций и область применения

Главное предназначение тиристорного преобразователя организовать управляемое питание электродвигателя от сети однофазного трехфазного переменного тока.

Установка полупроводниковых элементов осуществляется на одной фазе или на трехфазном мосте.

Существует несколько вариантов комплектования моста – это: комбинация триодов или диодов, или исключительно из тиристоров. При создании моста только из тиристоров достигается получение преобразовательного устройства небольших компактных размеров.

Тиристорные преобразователи

Рис.№1. Мостовая схема постоянного тока для электродвигателя постоянного тока.

Тип тиристорных регуляторов приспособлен к осуществлению различных решений для совместного применения с двигателями постоянного тока, имеющими независимое возбуждение, кроме электродвигателей с постоянными магнитами, для которых не нужна отдельная цепь для возбуждения. В сочетании с реверсом электродвигателей они входят в группу устройств управления электродвигателями. Для двигателей постоянного тока использование тиристорных преобразователей сопряжено с рядом некоторых трудностей – это постоянное техническое обслуживание, заключаемое в периодической замене графитовых щеток и достижение высоких скоростей работы.

Использование преобразователей для двигателей, работающих от сети переменного тока, в частности, асинхронные двигатели представляется более надежным и рентабельным вариантом, чем использование двигателей постоянного тока.

Асинхронный двигатель обладает лучшей защитой от внешних воздействий и неблагоприятных погодных условий, преобладающее большинство двигателей обладает высокой степенью защиты IP55.

Система управления тиристорным преобразователем

Для осуществления точностных и динамических характеристик, свойственных для оборудования, необходимо решение, которое позволит реализовать операции по управлению тиристорным преобразователем в полной мере. Это двухуровневая система управления.

Первый уровень – это программно-аппаратный способ. Он подразумевает использование специализируемого контроллера, второй относится к информационным уровням.

Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей

ТПН (тиристорный преобразователь напряжения) успешно применяется для низковольтных до 1000 кВ двигателей и для высоковольтных электрических машин с напряжением от 3,6 до 10 кВ. Широкое распространение таких машин является следствием их энергоемкости. Их мощность соразмерна с мощностью некоторых трансформаторных подстанций, поэтому устройства плавного пуска с использованием тиристоров весьма важное решение.

Тиристорные преобразователи

Рис. №2. Функциональная схема ПАД-В

Создание тиристорных преобразователей реализуется на базе концепции, главные аспекты которой – это:

  1. Использование ТПН типа ПАД-8 (плавный пуск АД).
  2. Блоки, из которых состоит силовая часть ТПН-В построены на основе тиристорного модуля (ВТМ) высокого напряжения.
  3. Применение цифровой системы управления на основе однокристального микроконтроллера RISC.
  4. Информационная часть состоит из специальных высоковольтных датчиков, которые реализуют качественное и точное измерение, кодирование сигнала и его передачу в системный контроллер по оптико-волоконному кабелю.
  5. Для формирования тока и напряжения высоковольтного двигателя применяется оригинальный алгоритм от преобразователя ПАД-В.

Тиристорные преобразователи

Рис. №3. Высоковольтный тиристорный модуль ВТМ.

Модуль состоит из двух встречно-параллельных тиристоров, оборудованных охладителями, выравнивающими резистором R2, оптоуправляемыми моделями, формирователями тиристорных импульсов (ФИ). Дополнят конструкцию: датчики напряжения, температуры и синхронизации с оптическим выходом.

Основные схемы тиристорных преобразователей

Главные схемы преобразователей на тиристорах – это: встречно-параллельная и перекрестная схема. Первая схема питается от общей обмотки трансформатора, перекрестная схема подразумевает питание каждой группы тиристоров от отдельной обмотки трансформатора. Существует раздельное управление, управляющие импульсы приходят только на работающую группу тиристоров, тиристоры с противоположной полярностью оказываются запертыми. Одновременная работа вентильных групп недопустима.

Для предотвращения неисправностей и аварийных ситуаций запрещено:

  1. Одновременно подавать отпирающие импульсы на оба комплекта тиристоров.
  2. Запрет на включение одного комплекта во время присутствия тока в другом комплекте.
  3. Запрет на снятие отпирающих импульсов с действующей тиристорной группы.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник

Adblock
detector