5.2. Электроприводы по системе тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока

Для питания двигателей постоянного тока независимого возбуждения используются регулируемые источники питания:

• электромашинные агрегаты – генератор постоянного тока – двигатель переменного тока (система Г-Д);

• тиристорные преобразователи (выпрямители) с фазовым управлением (система ТП-Д);

• полупроводниковые выпрямители с регулированием величины выпрямленного напряжения методом широтно-импульсного регулирования (ШИР-Д).

Система генератор-двигатель, в которой двигатель постоянного тока получает питание от электромашинного агрегата, в настоящее время морально устарела и в стационарных установках не применяется. Система Г-Д продолжает использоваться для мобильных установок, например экскаваторов.

Основной системой регулируемого электропривода с двигателями постоянного тока является система ТП-Д (тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока), наиболее распространенные схемы которой приведены на рис.5.10.

Основу схем тиристорных преобразователей составляют полууправляемые силовые полупроводниковые приборы – тиристоры. Неполная управляемость тиристоров определяется тем, что включение тиристора контролируется системой управления (СИФУ) – при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод тиристора он открывается и остается открытым после снятия отпирающего импульса. Закрывается тиристор после изменения полярности напряжения анод-катод и спадания тока до нуля. Запирание тиристоров по цепи управления невозможно. Сказанное выше относится к однооперационным тиристорам. Существуют запираемые тиристоры, которые допускают запирание по цепи управления, однако эти приборы в системах электропривода ТП-Д пока не применяются.

Тиристорный преобразователь в схемах электропривода постоянного тока выполняет две функции: выпрямление переменного напряжения питающей сети и регулирование средней величины выпрямленного напряжения.

Принцип регулирования среднего значения выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя с импульсно-фазовым управлением рассмотрим на примере однофазной мостовой схемы (рис.5.10,а).

Если отпирающие импульсы на тиристоры VS1 и VS4 (и соответственно тиристоры VS3 и VS2 при другой полуволне синусоиды питающего напряжения) подаются в момент естественного открывания, когда напряжение катод - анод становится положительным, то среднее выпрямленное напряжение, определяемое заштрихованной площадью на рис.5.11,а), будет максимальным и равным:

, (5.14)

где: U_л – линейное напряжение на стороне переменного тока;

к_сх – коэффициент схемы выпрямления, который равен: для однофазной мостовой схемы – 0,9; для трехфазной мостовой схемы – 1,35; для трехфазной нулевой схемы – 0,675.

Если отпирающие импульсы на тиристоры будут подаваться с запаздыванием относительно момента естественного открывания на угол α (угол управления тиристорами), то среднее выпрямленное напряжение преобразователя будет уменьшаться, как это показано на рис.5.11,б,в. При этом тиристоры VS1 и VS4 будут проводить ток до тех пор, пока не откроются тиристоры VS3 и VS2, т.е. и в то время, когда напряжение катод-анод будет отрицательным. Это объясняется тем, что в цепи выпрямленного тока имеется достаточно большая индуктивность обмотки якоря двигателя L_я, и ток будет протекать под действием э.д.с. самоиндукции. Если же в цепи выпрямленного тока не было бы индуктивности (чисто активная нагрузка), то ток прекратился бы при переходе анодного напряжения через нуль; ток в этом случае был бы прерывистым. При большом значении индуктивности L_я соотношение между средним выпрямленным напряжением преобразователя и углом α будет [4]:

(5.15)

Среднее выпрямленное напряжение определяется разностью заштрихованных площадей. При значении угла регулирования среднее выпрямленное напряжение (см.рис.5.11,в) будет равно нулю.

Тиристорный преобразователь может работать в выпрямительном и в инверторном режимах. Выпрямительный режим имеет место при углах регулирования . При этом среднее выпрямленное напряжение должно быть больше э.д.с. в цепи выпрямленного тока (противоэ.д.с. якоря двигателя). Направление выпрямленного тока совпадает со знаком выпрямленного напряжения преобразователя.

Если угол α увеличить сверх , то площадь отрицательной полуволны, при которой открыты тиристоры, будет больше площади положительной полуволны (см.рис.5.11,г) и, следовательно, среднее выпрямленное напряжение преобразователя будет отрицательным, что следует также из формулы (5.15). Возникает инверторный режим работы преобразователя, который может быть использован для обеспечения рекуперативного торможения привода.

Под действием отрицательного напряжения преобразователя ток пойти не может из-за односторонней проводимости тиристоров. Поэтому инверторный режим преобразователя возможен при соблюдении трех условий:

1. В цепи выпрямленного тока должен быть источник э.д.с., величина которой превосходит среднее значение выпрямленной противоэ.д.с. инвертора; в схемах тиристорного привода постоянного тока – э.д.с. якоря двигателя должна быть больше E_d инвертора .

2. Источник э.д.с. (якорь двигателя) должен быть так подключен к преобразователю, чтобы было возможно протекание тока под действием э.д.с. якоря.

3. Угол управления тиристорами должен быть больше .

При соблюдении этих условий двигатель постоянного тока будет работать в генераторном режиме, вырабатывая энергию постоянного тока, которая преобразуется тиристорным преобразователем в энергию переменного тока и отдается в питающую сеть. Электропривод ТП-Д, в котором двигатель питается от двух встречно-включенных преобразователей, называется реверсивным (см. рис.5.10,в).

Как источник напряжения постоянного тока тиристорный преобразователь характеризуется э.д.с. E_d, регулируемой посредством угла управления α, и внутренним сопротивлением R_п, состоящим из двух слагаемых.

(5.16)

R_а – активное сопротивление источника питания на стороне переменного тока (сетевого реактора или трансформатора);

R_γ – условное сопротивление, связанное с падением напряжения в процессе коммутации тиристоров.

Преобразователи подсоединяются к питающей сети или через трансформатор, служащий для согласования напряжения питающей сети и двигателя, или через сетевой реактор.

Сетевые реакторы в бестрансформаторных схемах питания выполняют две функции: ограничивают ток короткого замыкания в преобразователе и уменьшают негативное влияние преобразователя на питающую сеть. И трансформаторы, и реакторы обладают активным и индуктивным сопротивлением.

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке, может быть определено по паспортным данным трансформатора ,

где: I_2ф – номинальный фазный ток вторичной обмотки трансформатора;

ΔР_кз – потери короткого замыкания трансформатора.

Процесс коммутации тиристоров поясняется рис.5.12. Вернемся к рассмотрению схемы рис.5.10,а. Пусть преобразователь работает с углом α. До момента t₁ ток проводят тиристоры VS1 и VS4. В момент времени t₁ подаются отпирающие импульсы на тиристоры VS3 и VS2. Последние отпираются. Однако из-за наличия индуктивности на стороне сети ток через тиристоры VS1 и VS4 не может мгновенно упасть до нуля, и некоторое время, измеряемое углом коммутации γ, одновременно будут открыты все четыре вентиля, которые шунтируют цепь нагрузки. В результате среднее выпрямленное напряжение снижается на величину, пропорциональную заштрихованной площади. Это падение напряжения зависит от величины выпрямленного тока I_d и будет равно:

.

Условно величину можно принять за некоторое сопротивлениеR_γ, вызывающее падение напряжения в преобразователе

, (5.17)

где: m – число коммутаций за период;

х_а – индуктивное сопротивление на стороне переменного тока;

,

здесь U_2ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

е_к – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Падение напряжения на сопротивлении R_γ не связано с потерями мощности в нем, поскольку оно вызвано индуктивным сопротивлением на стороне переменного тока; оно ухудшает коэффициент мощности преобразователя. Соотношения между токами, напряжениями и сопротивлениями для двух наиболее распространенных схем выпрямления приведены в табл.5.1

Таблица 5.1