Тиристорні перетворювачі складаються з наступних основних вузлів:
• трансформатора або струмообмежувального реактора на стороні змінного струму,
• елементів системи управління, захисту та сигналізації.
Трансформатор здійснює узгодження вхідного і вихідного напруг перетворювача і (так само, як і струмообмежувальним реактор) обмеження струму короткого, замикання у вхідних ланцюгах. Згладжують реактори призначаються для згладжування пульсацій випрямлених напруги і струму. Реактори не передбачається, якщо індуктивність навантаження достатня для обмеження пульсацій в заданих межах.
Застосування тиристорних перетворювачів постійного струму дозволяє реалізувати практично ті ж характеристики електроприводу, що і при використанні обертових перетворювачів в системах генератор-двигун (Г - Д), т. Е. Регулювати в широких межах частоту обертання і момент двигуна, отримувати спеціальні механічні характеристики і потрібний характер протікання перехідних процесів при пуску, гальмуванні, реверсі та т. д.
Однак, у порівнянні з обертовими статичні перетворювачі мають цілий ряд відомих переваг, тому в нових розробках кранових електроприводів перевага віддається статичних перетворювачів. Тиристорні перетворювачі постійного струму найбільш перспективні для застосування в електроприводах кранових механізмів потужністю понад 50-100 кВт і механізмів, де потрібне отримання спеціальних характеристик приводу в статичних і динамічних режимах.
Схеми випрямлення, принципи побудови силових ланцюгів перетворювачів
Тиристорні перетворювачі виконуються з однофазними і багатофазними схемами випрямлення. Існує кілька розрахункових співвідношень основних схем випрямлення. Одна з таких схем показана на рис. 1, а. Регулювання випрямленої напруги Ua і струму Ia проводиться шляхом зміни кута управління # 945 ;. На рис. 1, б-д для прикладу показаний характер зміни струмів і напруг у трифазній нульовий схемою випрямлення при активно-індуктивному навантаженні
Мал. 1. Трифазна нульова схема (а) і діаграми зміни струму і напруги в випрямному (б, в) і інверторному (г, д) режимах.
Показаний на діаграмах кут # 947; (Кут комутації), характеризує період часу, протягом якого струм протікає одночасно за двома тиристорам. Залежність середнього значення випрямленої напруги Ua від кута регулювання # 945; називається регулювальної характеристикою.
Для нульових схем середнє випрямлена напруга визначається з виразу
де m - число фаз вторинної обмотки трансформатора; U2 ф - діюче значення фазового напруги вторинної обмотки трансформатора.
Для мостових схем Udo в 2 рази вище, так як ці схеми еквівалентні послідовному включенню двох нульових схем.
Однофазні схеми випрямлення використовуються, як правило, в ланцюгах з відносно великими індуктивними опорами. Це ланцюга незалежних обмоток збудження двигунів, а також якірні ланцюги двигунів невеликої потужності (до 10-15 кВт). Багатофазні схеми використовуються в основному для літанія якірних ланцюгів двигунів потужністю понад 15- 20 кВт і рідше для харчування обмоток збудження. У порівнянні з однофазними багатофазні схеми випрямлення мають цілий 'ряд переваг. Основними з них є: менші пульсації випрямленої напруги і струму, краще використання трансформатора і тиристорів, симетрична навантаження фаз мережі живлення.
У тиристорних перетворювачах постійного струму, призначених для кранових приводів потужністю понад 20 кВт, найбільш виправдане застосування трифазного мостової схеми. Це обумовлено хорошим використанням трансформатора і тиристорів, низьким рівнем пульсацій випрямленої напруги і струму, а також простотою схеми і конструкції трансформатора. Відомим гідністю трифазної мостової схеми є і те, що вона може бути виконаний не з трансформаторної зв'язком, а з струмообмежувальним реактором, габарити якого істотно менше габаритів трансформатора.
В трифазного нульовий схемою умови використання трансформатора при зазвичай застосовуваних групах з'єднання Y / Y і # 916; / Y гірше через наявність постійної складової потоку. Це призводить до збільшення перерізу магнітопроводу і, отже, розрахункової потужності трансформатора. Для виключення постійної складової потоку застосовують з'єднання вторинних обмоток трансформатора в «зигзаг», що також кілька збільшує розрахункову потужність. Збільшений рівень, пульсацій випрямленої напруги разом із зазначеним вище недоліком обмежує використання трифазної нульової схеми.
Шестифазний схема з зрівняльним реактором доцільна при використанні її на низьку напругу і великий струм, так як в цій схемі навантаження струм протікає паралельно, а не послідовно через два діода, як в трифазній мостовій схемі. Недоліком цієї схеми є наявність зрівняльного реактора, що має типову потужність близько 70% випрямленою номінальної потужності. Крім того, в шестифазний схемах використовується досить складна конструкція трансформатора.
Схеми випрямлення на тиристорах забезпечують роботу в двох режимах - випрямному і інверторному. При роботі в інверторному режимі енергія з ланцюга навантаження передається в мережу живлення, т. Е. В протилежному напрямку порівняно з випрямним режимом, тому при інвертуванні ток і е. д. з. обмотки трансформатора спрямовані зустрічно, а при випрямленні - згідно. Джерелом струму в режимі інвертування є е. д. з. навантаження (машини постійного струму, індуктивності), яка повинна перевищувати напругу інвертора.
Переклад тиристорного перетворювача з випрямного режиму в інверторний досягається зміною полярності е. д. з. навантаження і збільшенням кута # 945; вище π / 2 при індуктивному навантаженні.
Мал. 2. Зустрічно-паралельна схема включення вентильних груп. УР1- УР4 - зрівняльні реактори; РТ - струмообмежувальним реактор; CP - згладжує реактор.
Мал. 3. Схема нереверсивного ТП для ланцюгів обмоток збудження двигунів. Для забезпечення режиму инвертирования необхідно, щоб закривається черговий тиристор встиг відновити свої замикаючі властивості, поки на ньому є негативна напруга, т. Е. В межах кута # 966; (Рис. 1, в).
Якщо цього не станеться, то закривається тиристор може знову відкритися, так як до нього додається пряме напруга. Це призведе до перекидання інвертора, при якому виникне аварійний струм, оскільки е. д. з. машини постійного струму і трансформатора співпадуть у напрямку. Для виключення перекидання необхідно, щоб виконувалася умова
де # 948; - кут відновлення замикаючих властивостей тиристора; # 946; = Π - # 945; - кут випередження інвертора.
Силові схеми тірсторних перетворювачів, призначених для харчування якірних ланцюгів двигунів, виконуються як в нереверсивного (одна випрямна група тиристорів), так і в реверсному (дві випрямні групи) виконаннях. Нереверсивні виконання тиристорних перетворювачів, які забезпечують односторонню провідність, дозволяють працювати в руховому і генераторному режимах тільки при одному напрямку моменту двигуна.
Для зміни напрямку моменту потрібно або змінити напрямок струму якоря при незмінному напрямку потоку збудження, або змінити напрямок потоку збудження при збереженні напрямку струму якоря.
Реверсивні тиристорні перетворювачі мають кілька різновидів схем силового ланцюга. Найбільшого поширення набула схема з зустрічно-паралельним підключенням до однієї вторинної обмотці трансформатора двох вентильних груп (рис. 2). Така схема може бути виконана і без індивідуального трансформатора з харчуванням тиристорних груп від загальної мережі змінного струму через анодні токоограничивающие реактори РТ. Перехід на реакторний варіант значно скорочує розміри тиристорного перетворювача і знижує його вартість.
Тиристорні перетворювачі для ланцюгів обмоток збудження двигунів виконуються в основному в нереверсивного виконанні. На рис. 3, а показана одна із застосовуваних схем включення випрямних елементів. Схема дозволяє в широких межах змінювати струм збудження двигуна. Мінімальне значення струму має місце, коли тиристори Т1 і Т2 закриті, а максимальне, коли вони відкриті. На рис. 3, б, г показаний характер зміни випрямленої напруги для цих двох станів тиристорів, а на рис. 3, в для стану, коли
Способи управління реверсивними тиристорн перетворювачами
У реверсивних тиристорних перетворювачах застосовуються два основних способи управління вентильними групами - спільний і роздільний. У свою чергу спільне управління виконується узгодженим і неузгодженим.
При узгодженому управлінні отпирающие імпульси на тиристори подаються на обидві групи вентилів таким чином, щоб середні значення випрямленої напруги в обох груп були рівні між собою. Це забезпечується за умови
де a в і a і - кути регулювання випрямної і инверторной груп. При неузгоджену управлінні середнє значення напруги инверторной групи перевищує напруга випрямної групи. Це досягається за умови, якщо
Миттєве значення напруги груп при спільному управлінні не рівні один одному в усі моменти часу, внаслідок чого в замкнутому контурі (або контурах), утворених тиристорн групами і обмотками трансформатора, тече зрівняльний струм, для обмеження якого в ланцюг тиристорного перетворювача включаються зрівняльні реактори УР1-УР4 (див. рис. 1).
Реактори включають в контур зрівняльного струму по одному або по два на групу, причому, їх індуктивність вибирається такий, щоб зрівняльний струм не перевищував 10% номінального струму навантаження. При включенні токоограничивающих реакторів по два на групу вони виконуються насичуються при протіканні струму навантаження. Наприклад, при роботі групи В насичуються реактори УР1 і УР2, а реактори УРЗ і УР4 залишаються ненасиченими і обмежують зрівняльний струм. Якщо реактори включаються по одному на групу (УР1 і УРЗ), то вони виконуються не насичуються при протіканні струму навантаження.
Перетворювачі з неузгодженим управлінням мають менші габарити реакторів, ніж при узгодженому управлінні. Однак при неузгоджену управлінні знижується діапазон допустимих кутів регулювання, що призводить до гіршого використання трансформатора і зменшення коефіцієнта потужності установки. Одночасно порушується лінійність регулювальних і швидкісних характеристик електроприводу. Для повного виключення зрівняльних струмів використовується роздільне управління вентильними групами.
Роздільне управління полягає в тому, що керуючі імпульси подаються тільки на ту групу, яка в даний момент має працювати. На вентилі непрацюючої групи керуючі імпульси не подаються. Для зміни режиму роботи тиристорного перетворювача використовується спеціальне перемикаючий пристрій, яке при рівності нулю струму тиристорного перетворювача спочатку знімає керуючі імпульси з раніше працює групи, а потім після невеликої паузи (5-10 мс) подає керуючі імпульси на іншу групу.
При роздільному управлінні немає необхідності включення зрівняльних реакторів в ланцюзі окремих груп вентилів, можливо повне використання трансформатора, знижується ймовірність перекидання інвертора внаслідок зменшення часу роботи тиристорного перетворювача в інверторному режимі, зменшуються втрати енергії і відповідно збільшується к. П. Д. Електроприводу через відсутність зрівняльних струмів. Однак роздільне управління пред'являє високі вимоги до надійності пристроїв для блокування керуючих імпульсів.
Збій в роботі блокуючих пристроїв і поява керуючих імпульсів на неробочий групі тиристорів призводять до внутрішнього короткого замикання в тиристорному перетворювачі, так як зрівняльний струм між групами в цьому випадку обмежений тільки реактанс обмоток трансформатора і досягає неприпустимо великого значення.