ЛЕКЦИЯ 2

Топология преобразователей с естественной коммутацией

Преобразователи, относящиеся к этой группе, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми – полупроводниковые диоды.

В зависимости от типа источника переменного тока различают однофазные и трехфазные преобразователи (при параллельном соединении – многофазные).

Основными параметрами преобразовательной схемы являются число возможных направлений тока и число пульсаций.

В зависимости от того, проходит ли ток в вентильной обмотке преобразовательного трансформатора только в одном направлении или в том и другом направлении, различают однонаправленные и двунаправленные схемы.

Число пульсаций – это отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя к частоте напряжения на стороне переменного тока.

Схемное выполнение преобразователей с естественной коммутацией характеризуется так называемыми коммутационными группами. Коммутационная группа содержит все вентили, которые в нормальных рабочих условиях коммутируют между собой независимо от вентилей других групп. Данный преобразователь может иметь несколько коммутационных групп, которые могут соединяться параллельно или последовательно.

Рис.1. Однофазная, однонаправленная, однопульсная схема (1Ф1Н1П)

Рис.2. Однофазная, однонаправленная, двухпульсная схема (1Ф1Н2П)

Рис.3. Однофазная, двунаправленная, двухпульсная схема (1Ф2Н2П)

В схемах рис.1–3 могут использоваться либо неуправляемые полупроводниковые диоды (

), либо управляемые – тиристоры (

). Управляемые преобразователи, выполненные по схемам рис.2–3, при отсутствии шунтирующих диодов

могут работать и в инверторном режиме [1].

Вентили в схеме рис.4 (3Ф1Н3П)

(или

) образуют единую коммутационную группу. Изменяя число сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора

, можно получить несколько вариантов схемы. Например, увеличивая число вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (схема рис. 5) до шести и объединяя нулевые точки, можно увеличить число фаз на стороне вентильных обмоток и, следовательно, путем такого развития схемы, показанной на рис.4, увеличить число пульсаций преобразователя. Получим шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4, с двумя коммутационными группами.

2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей

На рис.5 показано параллельное соединение двух различных коммутационных групп I и II. Это шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4.

Рис.6. Трехфазная двунаправленная шестипульсная схема – 3Ф2Н6П

На рис.6 показана схема 3Ф2Н6П, известная под названием трехфазной мостовой схемы (схема Ларионова). В этой схеме также имеются две коммутационные группы I и II, соединенные последовательно. Выходное напряжение преобразователя равно сумме выходных напряжений обеих коммутационных групп. Управляемые преобразователи без шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме.

Рис.7. Схема двух встречно-параллельно соединенных преобразователей, обеспечивающая работу двигателя в четырех квадрантах

На рис.7 показана схема, часто применяемая в электроприводе. Две последовательно соединенные коммутационные группы соединяются встречно–параллельно через уравнительные реакторы

. Таким способом на стороне постоянного тока может быть получено напряжение

любой полярности и при любом направлении тока. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы по контуру, составленному из двух преобразователей, не проходил слишком большой постоянный ток, который мог бы вызвать повреждение оборудования (так называемый уравнительный ток). Уравнительный ток не может быть отрегулирован посредством пофазного управления преобразователями. Схема пригодна также и для получения напряжения переменной частоты посредством периодического изменения углов включения вентилей преобразователей.

Замечание. Представленный здесь принцип (рис.7) может быть применен также к преобразователям с другими схемами соединений: это ведет к возникновению значительного числа дополнительных вариантов.

3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)

Рис.8. Реверсивные однофазные системы электропривода: а, б, в – преобразователи с трехобмоточным согласующим трансформатором; г, д – преобразователи прямого включения в сеть

На рис.8,а показана схема, построенная по дифференциальному принципу и содержащая четыре тиристора

. При одном направлении тока в нагрузке в один полупериод напряжения питания открыт тиристор

, а в другой полупериод – тиристор

, тиристоры

закрыты. При реверсе состояние тиристоров меняется на противоположное. В данной схеме напряжение, наводимое во вторичной обмотке трансформатора, полностью прикладывается к закрытым тиристорам.

Отличительной особенностью схемы на рис.8,б является наличие лишь двух тиристоров, что значительно упрощает схему управления тиристорами. Оба тиристора в этой схеме включены в диагональ мостов

, составленных из диодов. В этой схеме тиристоры защищены от воздействия обратного напряжения диодами выпрямителя. При одном направлении тока в нагрузке в первый полупериод напряжения открыт тиристор

, и ток замыкается по цепи

. Во второй полупериод напряжения питания открыт тиристор

и ток замыкается по цепи

. При другом направлении тока в нагрузке цепь состоит из

соответственно.

В схеме на рис.8,в направление тока в нагрузке обеспечивается своим индивидуальным мостовым выпрямителем

. В данной схеме не требуются дополнительные меры по закрытию тиристоров, поэтому она является универсальной.

Для схемы рис.8,г одному направлению тока в нагрузке соответствует открытое состояние тиристоров

, образующих одно плечо. Для смены направления тока в нагрузке состояние плеч необходимо изменить на обратное.

Тиристорный преобразователь, показанный на рис.8,д, имеет восемь тиристоров и по системе управления эквивалентен тиристорному преобразователю на рис.8,в. При одном направлении тока в нагрузке открыты тиристоры

в один полупериод сетевого напряжения, и

– в другой полупериод, при реверсе соответственно

Во всех схемах реверсивных тиристорных электроприводов при работе одной группы тиристоров в выпрямительном режиме другая группа находится в готовности к инверторному режиму. Применяются два основных метода управления вентильными группами: метод совместного и метод раздельного управления. Совместное управление целесообразно применять для высокоточных приводов. Раздельное управление целесообразно применять в тех случаях, когда допустимо «мертвое» время порядка 5x10 мс.

4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых преобразователей

Для реверсивных быстродействующих регулируемых электроприводов постоянного тока используются двухкомплектные вентильные преобразователи, варианты которых приведены на рис.9, 10 [1,2].

Рис.9. Реверсивные системы электропривода: а - нулевая схема преобразователя с одной вторичной обмоткой трансформатора; б, в – нулевые схемы преобразователей с двумя комплектами вторичных обмоток, б – трехпульсная, в шестипульсная

Рис.10. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных мостовых преобразователей: а - встречно-параллельная схема мостового преобразователя (вместо трансформатора могут быть реакторы);б - схема преобразователя с двумя одинаковыми комплектами вторичных обмоток трансформатора

В схеме рис.9,а вторичные обмотки трансформатора

питают две группы тиристоров. При одном направлении тока в нагрузке группа тиристоров, например тиристоры

, работает в выпрямительном режиме, а другая группа - тиристоры

– в инверторном режиме. При необходимости изменения направления тока в нагрузке нужно изменить режим работы каждой группы.

Отличительной чертой реверсивного преобразователя, показанного на рис.9,б, является наличие двух групп вторичных обмоток вентильного трансформатора

. В этом преобразователе так же, как и в предыдущем, одна группа тиристоров работает в выпрямительном режиме, а другая – в инверторном.

Отличительной чертой реверсивного преобразователя на рис.9,в является увеличение числа пульсаций за счет специального включения вторичных обмоток трансформатора Т.

На рис.10,а представлена встречно-параллельная схема трехфазного преобразователя, обеспечивающего работу привода постоянного тока в четырех квадрантах. Часто эту схему применяют без трансформатора на входе или с одним трансформатором на несколько преобразователей.

Отличительной чертой реверсивного преобразователя на рис.10,б является наличие двух групп вторичных обмоток

вентильного трансформатора

Между двумя группами тиристоров в рассмотренных реверсивных схемах под действием разности мгновенных значений напряжения может протекать ток, минуя цепь нагрузки, который называют уравнительным током. Уравнительный ток создает дополнительные потери в тиристорах и обмотках трансформатора и, в некоторых случаях при переходных режимах может вывести преобразователь из строя. Для ограничения уравнительного тока включаются дополнительные уравнительные дроссели

Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока, улучшения динамических и энергетических характеристик находят большое распространение многофазные преобразователи. Увеличение фазности выпрямления достигается посредством последовательного включения двух и более трехфазных мостовых преобразователей со сдвинутыми по фазе анодными характеристиками.