Повна версія

Головна arrow Техніка arrow ЕЛЕКТРОННІ АПАРАТИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ТИРИСТОРНІ КОМУТАЦІЙНІ АПАРАТИ ТА РЕГУЛЯТОРИ З ПРИРОДНОЮ КОМУТАЦІЄЮ

Згадаймо, що звичайний тиристор є силовим напівпровідниковим приладом з неповною керованістю. Для його виключення необхідно забезпечити зниження прямого струму до нуля і необхідний час вимикання, після чого тиристор здатний блокувати пряме напруга. У зв'язку з цим розрізняють два основних способи комутації звичайних тиристорів - природне і штучне ( примусову ). Відповідно, існує два класи тиристорних апаратів змінного струму: відносно прості апарати з природною комутацією (ТКЕ) і більш складні - з штучною комутацією (ТКИ).

На рис. 5.1, а представлена однофазная схема тиристорного апарата з ТКЕ. На рис. 5.1, б показана структурна схема системи управління (СУ) тиристорами, яка включає в себе формувачі імпульсів ФІ1 і ФІ2, а також вхідний пристрій ВУ, що забезпечує синхронізацію імпульсів з мережевим напругою. У комутаційному стані апарату «включено» кожен з тиристорів знаходиться в провідному стані протягом відповідного полупериода напруги мережі. При виключенні одного тиристора відбувається включення іншого, для чого до цього моменту на його керуючий електрод повинен бути поданий отпирающий імпульс. При роботі на активне навантаження фазовий зсув ф між напругою і струмом дорівнює нулю. При активно-індуктивному навантаженні Ф> 0 і змінюється в залежності від коефіцієнта потужності навантаження. В результаті змінюється також і момент переходу струму через нуль, який визначає виключення проводить тиристора і включення зустрічного. Система управління повинна відслідковувати зміну кута ф або створювати імпульси управління з тривалістю зі t H > ф, щоб забезпечити безразривность струму навантаження.

Однофазний тиристорний апарат з ТКЕ

Мал. 5. 1. Однофазний тиристорний апарат з ТКЕ:

а - схема силової частини; б - структурна схема системи управління

Слабкострумні контактори і реле можна виконати і на одному тиристорі (рис. 5.2), коли втрати в діодах випрямляча некритичні.

Тиристорний апарат змінного струму на одному тиристорі

Мал. 5.2. Тиристорний апарат змінного струму на одному тиристорі

Варіант схеми трифазного тиристорного апарата з ТКЕ, зокрема контактора, наведено на рис. 5.3. У такій схемі послідовність імпульсів управління повинна відповідати трифазній системі напружень, тобто слідувати зі зрушенням 120 електричних градусів. Одна з особливостей електронних апаратів - можливість поєднувати функції комутаційного апарату і регулятора. При затримці надходження чергового імпульсу на кут управління а стає можливим змінювати напругу на навантаженні. В цьому випадку апарат стає також регулятором напруги або струму (рис. 5.4). Очевидно, що зі збільшенням кута а діюче значення / "струму навантаження зменшується, що дозволяє реалізувати принцип фазового регулювання.

На рис. 5.5 приведена залежність струму 1 Н (в відносних одиницях) при активному навантаженні від кута управління а (струм / " б відповідає розі а = 0). Слід зазначити, що при такому регулюванні форма вихідної напруги (струму) стає відмінною від синусоїди. Це призводить до суттєвого зростання коефіцієнта нелінійних спотворень струму і відповідно напруги на навантаженні.

Трифазний тиристорний апарат змінного струму

Мал. 5.3. Трифазний тиристорний апарат змінного струму

Діаграми напруги і струму тиристорного регулятора змінного струму

Мал. 5.4. Діаграми напруги і струму тиристорного регулятора змінного струму

Регулювальна характеристика тиристорного регулятора змінного струму при активному навантаженні

Мал. 5.5. Регулювальна характеристика тиристорного регулятора змінного струму при активному навантаженні

При активно-індуктивному навантаженні (пор> 0) регулювання з симетричною роботою тиристорів стає можливим тільки за умови а> ф. В іншому випадку, при включенні тиристора в момент а <ф, перехідний процес зміни струму в активно-індуктивному навантаженні буде перевищувати половину періоду. В результаті зустрічний тиристор не зможе включитися, так як буде зашунтірован проводять в цей момент тиристором, або включиться в момент, який не відповідає розі управління а попереднього півперіоду. Таким чином, виникне несиметричний режим, що призведе до додаткових спотворень струму навантаження, появі постійної складової, нерівномірному завантаженні тиристорів та інших небажаних наслідків. Тому алгоритм формування імпульсів управління регулятора повинен враховувати виконання умови а> ф у всіх режимах, включаючи пусковий. Кут зсуву ф, безпосередньо пов'язаний з коефіцієнтом потужності навантаження регулятора (соеф), буде впливати на регулювальні характеристики і за умови, що а> ф.

Розглянемо більш докладно крайній випадок, коли навантаження регулятора має чисто індуктивний характер, тобто при ф = л / 2 (соБф = 0). Це характерно для регулятора (компенсатора) надлишку реактивної потужності ємнісного характеру, можливого в деяких електроустановках. Схема і діаграми, що ілюструють роботу компенсатора з індуктивністю 1 0 , наведені на рис. 5.6. Умова а> ф визначає більш вузький діапазон зміни кута управління а (від л / 2 до л). При черговому включенні тиристора VS1 через індуктивність L 0 почне протікати струм Цей струм можна представити у вигляді суми двох складових - вільної / св (0) і встановилася / * (Ф):

Припустимо, що втрати енергії в ключах дорівнюють нулю. Тоді при синусоидальном вхідній напрузі з амплітудою U т встановилася складова

Вільну складову можна визначити з закону комутації струму в індуктивних ланцюгах

З виразів (5.2) і (5.3) отримаємо

Так як вільна складова через відсутність втрат в схемі не згасає, то i CB (d) = / св (а). У підсумку маємо

Компенсатор реактивної потужності

Мал. 5.6. Компенсатор реактивної потужності:

а - силова схема; б - діаграми роботи

У момент Д = (2л - а) (рис. 5.6, б ) струм г, стає рівним нулю і тиристор VS1 вимикається. Виникає пауза в струмі. Потім при Д = я + а включається тиристор VS2 і ток в індуктивності починає протікати в протилежному напрямку. Струм в індуктивності (при регулярному проходженні імпульсів управління) має періодичну несинусоїдальну форму. Найбільш важлива перша гармоніка г / ( , що бере участь в компенсації (баланс реактивних потужностей виконується для основної гармоніки), в той час як вищі гармоніки зазвичай фільтруються. Чинне значення першої гармоніки струму одно

де / ", = і т / (иЦ).

З виразу (5.6) випливає, що, варіюючи кут а в інтервалі л / 2-п, отримаємо зміна діючого значення струму першої гармоніки вдіапазоні від 1 т / V2 до нуля. Зниження діючого значення струму першої гармоніки I L при збільшенні кута а відповідає збільшенню еквівалентного індуктивного опору компенсатора

де Х 0 = с1 0 - індуктивний опір реактора L 0 на частоті напруги мережі.

На основі регулятора реактивної потужності може бути виконаний без- трансформаторний стабілізатор змінної напруги, що дозволяє забезпечити регулювання вихідної напруги щодо вхідного. Схема стабілізатора приведена на рис. 5.7, а. Стабілізатор містить індуктивність L між входом і виходом. Паралельно виходу під'єднані конденсатор С і тиристорний компенсатор з індуктивністю L 0

Принцип стабілізації пояснимо за допомогою векторної діаграми. Вхідна напруга U BX дорівнює геометричній сумі вихідної напруги U u і падіння напруги на індуктивності L. Будемо вважати, що при номінальній вхідній напрузі t / Bx0 сумарним струмом всіх паралельних гілок (включаючи струм навантаження / ") створюється падіння напруги Af / 0 на індуктивності L (рис. 5.7, б). Збільшення вхідного напруги до значення f / Bxl або зменшення до значення f / Bx2 можна компенсувати відповідною зміною падіння напруги на вхідний індуктивності L. Змінюючи (але модулю і напрямку) вектор загального струму паралельної виходу реактивної ланцюга С і L 0 ( I LC = I L + / с ), можна стабілізувати вихідну напругу при зміні вхідного. Ця компенсація виконується регулюванням кута управління а тиристорів VS1 і VS2. В результаті регулювання з'являється приріст струму А / паралельної цінуй З і L 0 . Модуль і напрям вектора струму збільшення безпосередньо пов'язані зі зміною кута управління тиристорів. Вектори для позитивного і негативного приросту (показані пунктиром і позначені як А і А / 2 ) перпендикулярні вектору t / BbIX , оскільки струм I LC зрушать щодо напруги U n на кут ± п / 2. Відповідні збільшення векторів падіння напруги на вхідний індуктивності А і А [/ 2 (показані пунктиром) паралельні вектору вихідної напруги U H . Користуючись методом накладення і геометрично підсумовуючи збільшення A U [ і А {/ 2 з вихідним номінальним вхідним напругою? / Вх0 , отримаємо шукані вхідні напруги {/ вх1 і t / Bx2 .

Основна перевага даної схеми - мале спотворення форми вихідної напруги завдяки наявності конденсатора С. Однак встановлені потужності конденсатора й індуктивності L 0 в 2-3 рази вище номінальної потужності навантаження.

Широке поширення отримали стабілізатори напруги з перемиканням отпаек обмоток трансформатора (або автотрансформатора). Такі стабілізатори дозволяють забезпечити високу точність стабілізації при малих викривлення вхідного струму. Ці якості особливо важливі в системах електропостачання з потужними випрямлячами, необхідних, наприклад, для електролізу в металургійній промисловості. У таких системах використання для стабілізації вихідної напруги керованих випрямлячів призводить до суттєвих перекручень мережевого струму. Тому більш доцільно застосувати багатофазні некеровані випрямлячі, а стабілізацію здійснювати шляхом регулювання вхідної напруги.

Стабілізатор змінної напруги

Мал.5.7. Стабілізатор змінної напруги:

а - схема силової частини; 6 - векторні діаграми

На рис. 5.8 представлена спрощена схема стабілізатора, отпайки автотрансформатора якого перемикаються тиристорами VS1, VS2 і VS3, VS4, забезпечуючи дискретне регулювання. Плавне регулювання (в межах дискретного регулювання) досягається додатковим фазовим керуванням тиристорів. В позитивний напівперіод вхідної напруги працюють тиристори VS1 або VS2, а в негативний - VS3 або VS4. При дискретному регулюванні для забезпечення синусоидальности вихідної напруги необхідно, щоб перемикання відбувалося при нулі струму. При плавному регулюванні для природної комутації тиристорів перемикання повинно виконуватися на отпайки з більш високим потенціалом. Зокрема, в позитивну півхвилю напруги спочатку включається тиристор VS2, а потім VS1. В цьому випадку при включенні тиристора VS1 короткочасно утворюється короткозамкнений контур, в якому розвивається ток, спрямований зустрічно струму навантаження, що протікає через тиристор VS2. В результаті тиристор VS2 вимикається, і струм починає проводити тиристор VS1. Плавне регулювання діючого значення вихідної напруги проводиться за рахунок зміни кута включення тиристора VS1. На рис. 5.8, б представлена діаграма вихідної напруги стабілізатора при активному навантаженні.

Стабілізатор змінної напруги з відгалуженнями автотрансформатора

Мал. 5.8. Стабілізатор змінної напруги з відгалуженнями автотрансформатора:

а - схема силової частини; б - діаграми напруг

Дискретне регулювання напруги перемиканням отпаек в силових трансформаторах широко використовується і в системах електропостачання, як спеціального (для електровозів, пічних трансформаторів та ін.), Так і загального призначення. При цьому регулювання напруги зазвичай здійснюється в лініях понад 10 кВ в трансформаторах потужністю 10 МВ • А і більше. Для забезпечення бездуговой комутації під навантаженням використовуються гібридні апарати, що складаються з механічних перемикачів і потужних тиристорів.

На закінчення слід зазначити, що в стабілізаторах напруги невисокої потужності можуть успішно використовуватися транзистори в поєднанні з діодами, що дозволяють здійснювати комутацію в будь-який момент часу.

 
<<   ЗМІСТ   >>