Tyrystorowe przetwornice DC/DC

Tyrystorowa przetwornica DC/DC (DC) jest urządzeniem służącym do przetwarzania prądu przemiennego na prąd stały z regulacją według zadanego prawa parametrów wyjściowych (prądu i napięcia). Przetwornice tyrystorowe przeznaczone są do zasilania obwodów twornika silników i ich uzwojeń wzbudzających.

Przetwornice tyrystorowe składają się z następujących podstawowych zespołów:

• transformator lub dławik ograniczający prąd po stronie AC,

• bloki prostownikowe,

• reaktory wygładzające,

• elementy układu sterowania, zabezpieczeń i sygnalizacji.

Transformator dopasowuje napięcia wejściowe i wyjściowe przekształtnika oraz (podobnie jak dławik ograniczający prąd) ogranicza prąd zwarciowy w obwodach wejściowych. Dławiki wygładzające przeznaczone są do wygładzania tętnień wyprostowanego napięcia i prądu. Dławiki nie są dostarczane, jeśli indukcyjność obciążenia jest wystarczająca do ograniczenia tętnienia w pewnych granicach.

Zastosowanie przetwornic tyrystorowych DC-DC pozwala na realizację praktycznie takich samych charakterystyk napędu elektrycznego jak przy zastosowaniu przetwornic obrotowych w układy generator-silnik (D — D), to znaczy do regulacji prędkości i momentu obrotowego silnika w szerokim zakresie, w celu uzyskania specjalnych właściwości mechanicznych i pożądanego charakteru stanów przejściowych podczas uruchamiania, zatrzymywania, cofania itp.

Jednak w porównaniu z obrotowymi przetwornicami statycznymi mają one szereg znanych zalet, dlatego przetwornice statyczne są preferowane w nowych opracowaniach napędów elektrycznych dźwigów. Tyrystorowe przetwornice DC-DC są najbardziej obiecujące do zastosowania w napędach elektrycznych mechanizmów dźwignicowych o mocy powyżej 50-100 kW oraz mechanizmów, w których wymagane jest uzyskanie specjalnych charakterystyk napędu w trybie statycznym i dynamicznym.

Schematy rektyfikacyjne, zasady budowy obwodów mocy przekształtników

Przetwornice tyrystorowe są wykonywane z jednofazowymi i wielofazowymi obwody korekcyjne… Istnieje kilka współczynników projektowych dla podstawowych schematów rektyfikacji. Jeden z tych schematów pokazano na ryc. 1, za. Regulacja napięcia Va i prądu Ia wytwarzane przez zmianę kąta sterowania α... Na ryc. 1, b-e, pokazano na przykład charakter zmiany prądów i napięć w trójfazowym obwodzie zerowym z obciążeniem indukcyjnym czynnym

Ryż. 1. Trójfazowy obwód neutralny (a) oraz wykresy zmian prądu i napięcia w trybach prostownika (b, c) i falownika (d, e).

Kąt pokazany na wykresach γ (kąt przełączania) charakteryzuje okres czasu, w którym prąd przepływa jednocześnie przez dwa tyrystory. Zależność średniej wartości nastawionego napięcia Вa od kąta nastawienia α nazywana jest charakterystyką sterowania.

W przypadku obwodów neutralnych średnie napięcie wyprostowane jest podane za pomocą wyrażenia

gdzie m — liczba faz uzwojenia wtórnego transformatora; U2f jest wartością skuteczną napięcia fazowego uzwojenia wtórnego transformatora.

Dla obwodów mostkowych Udo 2 razy większe, gdyż obwody te są równoważne szeregowemu połączeniu dwóch obwodów zerowych.

Jednofazowe obwody korekcyjne stosuje się z reguły w obwodach o stosunkowo dużych rezystancjach indukcyjnych, są to obwody niezależnego wzbudzenia silników, a także obwody twornika silników małej mocy (do 10-15 kW). Obwody wielofazowe są stosowane głównie do odlewania obwodów twornika silników o mocy powyżej 15–20 kW, rzadziej do zasilania uzwojeń wzbudzenia. W porównaniu do jednofazowych obwody prostownika wielofazowego mają szereg zalet. Główne z nich to: mniejsza pulsacja napięcia i prądu wyprostowanego, lepsze wykorzystanie transformatora i tyrystorów, symetryczne ładowanie faz sieci zasilającej.

W przetwornicach tyrystorowych DC-DC przeznaczonych do napędów suwnic o mocy powyżej 20 kW stosuje się trójfazowy obwód mostka… Wynika to z dobrego wykorzystania transformatora i tyrystorów, niskiego poziomu tętnienia wyprostowanego napięcia i prądu oraz prostoty obwodu i konstrukcji transformatora.Dobrze znaną zaletą trójfazowego obwodu mostkowego jest to, że można go wykonać nie za pomocą połączenia transformatora, ale za pomocą dławika ograniczającego prąd, którego wymiary są znacznie mniejsze niż wymiary transformatora.

W trójfazowym obwodzie neutralnym warunki stosowania transformatora z powszechnie stosowanymi grupami połączeń D / D i Δ / Y są gorsze ze względu na obecność stałej składowej strumienia. Prowadzi to do wzrostu przekroju obwodu magnetycznego i odpowiednio mocy projektowej transformatora. Aby wyeliminować stałą składową strumienia, stosuje się zygzakowate połączenie uzwojeń wtórnych transformatora, co również nieco zwiększa moc projektową. Podwyższony poziom, tętnienie napięcia wyprostowanego, wraz z wadą wskazaną powyżej, ogranicza zastosowanie trójfazowego obwodu neutralnego.

Sześciofazowy obwód dławika jest zalecany, gdy jest używany do niskiego napięcia i wysokiego prądu, ponieważ w tym obwodzie prąd obciążenia przepływa równolegle, a nie szeregowo przez dwie diody, jak w trójfazowym obwodzie mostkowym. Wadą tego układu jest obecność dławika wygładzającego o typowej mocy około 70% skorygowanej mocy znamionowej. Ponadto w obwodach sześciofazowych stosowana jest dość złożona konstrukcja transformatora.

Układy prostownikowe oparte na tyrystorach zapewniają pracę w dwóch trybach — prostownikowym i falownikowym. Podczas pracy w trybie falownika energia z obwodu obciążenia jest przekazywana do sieci zasilającej, to znaczy w przeciwnym kierunku niż w trybie prostownika, dlatego podczas odwracania prąd i e. itp. c. uzwojenia transformatora są skierowane przeciwnie, a po wyprostowaniu - zgodnie.Bieżące źródło w trybie odwracania to np. itp. c. obciążenie (maszyny prądu stałego, indukcyjność), które musi przekraczać napięcie falownika.

Przejście przekształtnika tyrystorowego z trybu prostownika do trybu falownika uzyskuje się poprzez zmianę biegunowości e. itp. c. zwiększenie obciążenia i kąta α powyżej π/2 obciążeniem indukcyjnym.

Ryż. 2. Układ antyrównoległy do ​​załączania grup zaworów. UR1 — UR4 — dławiki poziomujące; RT — dławik ograniczający prąd; CP — reaktor wygładzający.

Ryż. 3. Schemat nieodwracalnego TP dla obwodów uzwojeń wzbudzenia silników. Aby zapewnić tryb inwersji, konieczne jest, aby następny tyrystor zamykający miał czas na przywrócenie swoich właściwości blokujących, gdy jest na nim napięcie ujemne, to znaczy pod kątem φ (ryc. 1, c).

Jeśli tak się nie stanie, tyrystor zamykający może się ponownie otworzyć, gdy zostanie do niego przyłożone napięcie przewodzenia. Spowoduje to przewrócenie falownika, w którym wystąpi prąd awaryjny, jak np. itp. c. Maszyny prądu stałego i transformator będą pasować w kierunku. Aby uniknąć najazdu, warunek jest wymagany

gdzie δ — kąt przywrócenia właściwości blokujących tyrystora; β = π — α Jest to kąt wyprzedzenia falownika.

Obwody mocy przekształtników tyrystorowych, przeznaczone do zasilania obwodów twornika silników, wykonywane są zarówno w wersji nieodwracalnej (jedna grupa prostownikowa tyrystorów), jak i odwracalnej (dwie grupy prostownikowe). Nieodwracalne wersje przekształtników tyrystorowych, zapewniające przewodzenie jednokierunkowe, pozwalają na pracę w trybie silnikowym i prądnicowym tylko w jednym kierunku momentu obrotowego silnika.

Aby zmienić kierunek momentu, konieczna jest albo zmiana kierunku prądu twornika zgodnie z kierunkiem stałej strumienia pola, albo zmiana kierunku strumienia pola przy zachowaniu kierunku prądu twornika.

Odwracające przetwornice tyrystorowe mają kilka rodzajów schematów obwodów mocy. Najbardziej powszechny jest schemat z przeciwrównoległym podłączeniem dwóch grup zaworów do jednego uzwojenia wtórnego transformatora (rys. 2). Taki schemat można zrealizować bez osobnego transformatora, zasilając grupy tyrystorowe ze wspólnej sieci przemiennej przez ograniczniki prądu anodowego dławików RT. Przejście na wersję dławikową znacznie zmniejsza wymiary przekształtnika tyrystorowego i obniża jego koszt.

Przetwornice tyrystorowe do obwodów uzwojenia pól silnikowych wykonywane są głównie w konstrukcji nieodwracalnej. na ryc. 3a przedstawia jeden z zastosowanych obwodów przełączających prostownika. Obwód umożliwia zmianę prądu wzbudzenia silnika w szerokim zakresie. Minimalna wartość prądu występuje, gdy tyrystory T1 i T2 są zamknięte, a maksymalna, gdy są otwarte. na ryc. 3, b, d pokazuje charakter zmiany napięcia wyprostowanego dla tych dwóch stanów tyrystorów, a na ryc. 3, w przypadku warunku kiedy

Metody sterowania odwracającymi przekształtnikami tyrystorowymi

W odwracających przekształtnikach tyrystorowych istnieją dwa główne sposoby sterowania grupami zaworów — wspólne i oddzielne. Z drugiej strony współzarządzanie odbywa się konsekwentnie i niekonsekwentnie.

Ze skoordynowaną kontrolą, strzelanie impulsami tyrystory są przykładane do dwóch grup zaworów w taki sposób, aby średnie wartości skorygowanego napięcia dla dwóch grup były sobie równe. Jest to oferowane pod warunkiem

gdzie av i ai — kąty regulacji grup prostowników i falowników. W przypadku niespójnego sterowania, średnie napięcie grupy inwerterów przekracza napięcie grupy prostowników. Osiąga się to pod warunkiem, że

Chwilowe wartości napięć grupowych ze wspólnym sterowaniem nie są sobie równe przez cały czas, w wyniku czego w zamkniętej pętli (lub obwodach) utworzonej przez grupy tyrystorowe i uzwojenia transformatora płynie prąd wyrównawczy, który ogranicza dławiki wyrównawcze UR1-UR4 są zawarte w przetwornicy tyrystorowej (patrz ryc. 1).

Dławiki są podłączone do pętli prądów wyrównawczych, po jednym lub dwóch na grupę, a ich indukcyjność jest tak dobrana, aby prąd wyrównawczy nie przekraczał 10% znamionowego prądu obciążenia. Kiedy dławiki ograniczające prąd są włączone, po dwa na grupę, nasycają się, gdy płynie prąd obciążenia. Na przykład podczas pracy grupy B dławiki UR1 i UR2 są nasycone, natomiast dławiki URZ i UR4 pozostają nienasycone i ograniczają prąd wyrównawczy. Jeśli dławiki są włączone, po jednym na grupę (UR1 i URZ), nie są nasycone, gdy przepływa ładunek.

Konwertery ze sterowaniem niespójnym mają mniejsze rozmiary reaktorów niż ze sterowaniem skoordynowanym.Jednak przy niespójnym sterowaniu zakres dopuszczalnych kątów sterowania maleje, co prowadzi do gorszego wykorzystania transformatora i spadku współczynnika mocy instalacji.Jednocześnie liniowość regulacji i charakterystyki prędkościowe sieci elektrycznej napęd jest naruszony. Oddzielne sterowanie grupami zaworów służy do całkowitego wyeliminowania prądów wyrównawczych.

Sterowanie oddzielne polega na tym, że impulsy sterujące podawane są tylko na grupę, która w danym momencie powinna pracować. Impulsy sterujące nie są dostarczane do zaworów grupy jałowej. Aby zmienić tryb pracy przekształtnika tyrystorowego, stosuje się specjalne urządzenie przełączające, które przy zerowym prądzie przekształtnika tyrystorowego najpierw usuwa impulsy sterujące z poprzedniej grupy roboczej, a następnie po krótkiej przerwie (5- 10 ms), wysyła impulsy sterujące do drugiej grupy.

Przy oddzielnym sterowaniu nie ma potrzeby włączania dławików wyrównawczych w obwód oddzielnych grup zaworów, transformator może być w pełni wykorzystany, prawdopodobieństwo przewrócenia się falownika na skutek skrócenia czasu pracy przekształtnika tyrystorowego w trybie falownika wynosi zmniejszone, straty energii są zmniejszone, a zatem wydajność napędu elektrycznego wzrasta z powodu braku prądów wyrównawczych. Odrębne sterowanie stawia jednak wysokie wymagania co do niezawodności urządzeń do blokowania impulsów sterujących.

Wadliwe działanie urządzeń blokujących i pojawienie się impulsów sterujących na niedziałającej grupie tyrystorowej prowadzi do wewnętrznego zwarcia w przetwornicy tyrystorowej, ponieważ prąd wyrównawczy między grupami w tym przypadku jest ograniczony tylko reaktancją transformatora uzwojeń i osiąga niedopuszczalnie dużą wartość.