Недостатки тиристорных преобразователей

Основной тип преобразователей двигателей постоянного тока в настоящее время — полупроводниковые тиристорные.

К недостаткам тиристоров относятся следующие:

1. Односторонняя проводимость, вследствие чего необходимо удваивать число приборов.

2. Малая перегрузочная способность по току, а также ограничение по скорости нарастания тока.

3. Чувствительность к перенапряжениям.

Среднее значение выпрямленного напряжения при отсутствии регулирования в основном определяется схемой включения тиристорного преобразователя. Схемы преобразователей делятся на два класса: с нулевым выводом и мостовые. В установках средней и большой мощности преимущественно используются мостовые схемы преобразователей, что в основном обусловлено двумя причинами:

• меньшим напряжением на каждом из тиристоров,

• отсутствием постоянной составляющей тока, протекающего по обмоткам трансформатора.

Схемы преобразователей могут также отличаться числом фаз: от одной в установках малой мощности до 12—24 в мощных преобразователях.

Все варианты тиристорных преобразователей наряду с положительными свойствами, как-то малой инерционностью, отсутствием вращающихся элементов, меньшими (по сравнению с электромеханическими преобразователями) габаритами, обладают и рядом недостатков:

1. Жесткая связь с питающей сетью: все колебания напряжения в сети непосредственно передаются в систему привода, а толчки нагрузки на оси двигателя немедленно передаются в сеть и вызывают всплески тока.

2. Низкий коэффициент мощности при регулировании напряжения в сторону снижения.

3. Генерация высших гармонических, загружающих питающую сеть.

В связи с униполярной проводимостью тиристоров и преобразователя в целом реверс двигателя в простейшей схеме при наличии одного преобразователя может быть осуществлен только за счет переключения якоря или обмотки возбуждения посредством соответствующих контакторов. Естественно, при этом условии работа электромашинной системы будет малоудовлетворительной, так как приходится коммутировать или большие токи, или цепь с большой индуктивностью. Поэтому обычно используют два преобразователя, каждый из которых предназначен для работы при одном направлении вращения.

Технико-экономические показатели тиристорного привода: диапазон регулирования скорости, возможность того или иного способа торможения, реверса, вид механической характеристики и другие — в значительной мере предопределяются схемой силовых цепей.

Все разнообразие схем главных (силовых) цепей может быть сведено к четырем основным вариантам:

1. Питание якоря двигателя постоянного тока от одного управляемого преобразователя. Эта и последующие схемы для упрощения начертания и выявления принципиальных различий даются в пред­ положении питания от однофазной сети переменного тока.

Система управляемый преобразователь-двигатель с одним тиристорным преобразователем в якорной цепи, В, Н — контакторы для вращения вперед, назад

В данном случае регулирование скорости предусматривается только за счет изменения напряжения, приложенного к якорю двигателя; реверс двигателя — за счет изменения направления тока якоря с помощью контакторов. Торможение — электродинамическое.

Наличие реверсивных контакторов в цепи якоря удорожает установку, особенно при значительной мощности двигателя, и, кроме того, делает ее пригодной лишь для механизмов, не требующих частых реверсов и торможений. Схема не предусматривает возможности рекуперативного торможения.

2. Питание якоря двигателя от двух преобразователей, включенных по перекрестной схеме. При одном направлении вращения работает один преобразователь, при другом - другой. Реверс достигается за счет управления тиристорами и обеспечивается переводом одного из преобразователей в инверторный режим.

Система управляемый преобразователь-двигатель с двумя преобразователями, включенными по перекрестной схеме

Схема не требует громоздких реверсивных контакторов в цепи якоря, обеспечивает плавное и надежное торможение с рекуперацией энергии и обычно используется для часто реверсируемых приводов.

Недостаток схемы — сложность и высокая стоимость, обусловленная необходимостью иметь двойной комплект тиристоров и удвоенное число вторичных обмоток силового трансформатора.

3. Параллельно-встречное включение преобразователей. По свойствам схема аналогична предыдущей. Преимущество — меньшее число вторичных обмоток силового трансформатора.

Система управляемый преобразователь-двигатель с параллельно-встречным включением преобразователей

Система преобразователь-двигатель с управляемым преобразователем в цепи возбуждения двигателя

Установка работает с постоянным и достаточно высоким коэффициентом мощности. Реверс за счет изменения направления тока в цепи возбуждения затягивает переходные процессы. Система малопригодна для механизмов, требующих большого числа реверсов и торможений.

Вопросы и ответы

Почему коэффициент мощности тиристорного преобразователя снижается при увеличении угла управления?

Коэффициент мощности тиристорного преобразователя определяется как произведение коэффициента сдвига и коэффициента искажения. При увеличении угла управления ? первая гармоника тока начинает отставать от напряжения сети/ Это означает, что преобразователь потребляет все больше реактивной мощности, которая циркулирует между сетью и индуктивными элементами схемы, не совершая полезной работы, но создавая дополнительные потери в проводах и оборудовании.

Как физически возникают высшие гармоники в тиристорном преобразователе?

Высшие гармоники генерируются из-за принципа фазового управления тиристорами — устройство отсекает часть синусоидальной волны напряжения, пропуская в нагрузку только фрагменты синусоиды. Эта несинусоидальная форма тока математически раскладывается в ряд Фурье на основную гармонику и множество высших гармоник с частотами, кратными основной частоте сети. Амплитуда и спектральный состав этих гармоник зависят от схемы выпрямления, угла управления и характера нагрузки. Чем глубже регулирование, тем более искаженной становится форма кривой тока.

В чем заключается проблема коммутационной устойчивости в инверторном режиме?

При работе в инверторном режиме тиристор должен надежно закрыться до того момента, когда напряжение на нем сменит полярность и снова станет положительным. Для этого необходим определенный угол опережения "бета" (угол восстановления запирающих свойств), который обеспечивает время на деионизацию полупроводниковой структуры. Если угол "бета" недостаточен из-за динамических процессов в системе, происходит срыв инвертирования — тиристор не успевает закрыться и остается в проводящем состоянии, что приводит к короткому замыканию через него обратного напряжения. Это особенно критично при резких изменениях тока нагрузки или колебаниях напряжения сети.

Почему при встречно-параллельной схеме возникают уравнительные токи?

В реверсивных тиристорных преобразователях с встречно-параллельным включением двух комплектов выпрямителей, питающихся от одного трансформатора, мгновенные значения выходных напряжений этих комплектов в общем случае не равны друг другу. Разность этих напряжений создает уравнительный ток, который циркулирует между комплектами через малое сопротивление цепи постоянного тока. Этот паразитный ток не только создает дополнительные потери, но и может достигать недопустимо больших значений, поэтому требуется либо включение уравнительных реакторов, либо применение раздельного управления с паузой между переключением комплектов.

Как пульсации выпрямленного напряжения влияют на динамические характеристики привода?

Пульсации выпрямленного напряжения с частотой, пропорциональной пульсности схемы, создают переменную составляющую момента двигателя. На низких частотах вращения, когда электромагнитная постоянная времени якорной цепи соизмерима с периодом пульсаций, эти колебания момента могут вызывать резонансные явления в механической системе привода. Это проявляется как нестабильность скорости на малых оборотах, увеличение шума и вибраций, ухудшение точности позиционирования. Для подавления требуются сглаживающие дроссели с большой индуктивностью, что увеличивает массогабаритные показатели и стоимость.

Почему тиристорный преобразователь создает несимметричную нагрузку на питающую сеть?

Несимметрия возникает по двум причинам. Во-первых, в трехфазных нулевых схемах выпрямления ток протекает поочередно через фазы сети неравномерно, создавая разные мгновенные нагрузки на каждую фазу. Во-вторых, высшие гармоники, генерируемые преобразователем, имеют разные амплитуды и фазовые углы в каждой фазе в зависимости от угла управления. Это приводит к несимметрии токов и напряжений в точке общего присоединения, что негативно влияет на работу других трехфазных потребителей, особенно асинхронных двигателей.

Какова природа дополнительных потерь в двигателе от высших гармоник?

Высшие гармоники тока создают в магнитной системе двигателя высокочастотные переменные магнитные поля, которые наводят вихревые токи в стали якоря, полюсных наконечниках и станине. Частота этих полей пропорциональна номеру гармоники (5-я, 7-я, 11-я и так далее), что значительно увеличивает магнитные потери, так как потери на вихревые токи растут пропорционально квадрату частоты. Кроме того, высокочастотные составляющие тока из-за поверхностного эффекта вытесняются к поверхности проводников обмоток, увеличивая их эффективное сопротивление и дополнительный нагрев меди.

Почему невозможно одновременное открытие тиристоров обоих комплектов в реверсивной схеме?

Одновременное открытие тиристоров выпрямительного и инверторного комплектов создаст прямое короткое замыкание между фазами питающей сети через открытые тиристоры с малым сопротивлением в цепи. Ток короткого замыкания ограничен только индуктивностью рассеяния трансформатора и может достигать десятков номинальных значений, что приводит к мгновенному выходу из строя полупроводниковых приборов. Поэтому в системе управления реализуется логическая блокировка одновременной подачи импульсов и предусматривается технологическая пауза между переключением комплектов для гарантированного закрытия всех тиристоров предыдущего комплекта.

Как угол коммутации влияет на выходные характеристики преобразователя?

Угол коммутации — это время, в течение которого ток переходит с одного вентиля на другой. В этот период одновременно проводят два тиристора разных фаз, и среднее выходное напряжение снижается из-за падения напряжения на индуктивности рассеяния трансформатора. Величина угла коммутации зависит от тока нагрузки и индуктивного сопротивления — чем больше ток, тем больше угол коммутации. Это создает нелинейную зависимость выходного напряжения от нагрузки, увеличивает фазовый сдвиг между током и напряжением сети, дополнительно снижая коэффициент мощности.

В чем физическая причина ограничения быстродействия тиристорного преобразователя?

Быстродействие ограничено двумя факторами. Первый — дискретность управления: изменение выходного напряжения возможно только в моменты естественной коммутации, то есть с частотой, кратной частоте питающей сети. Для шестипульсной схемы минимальный квант времени составляет около 2,8 мс (60° электрических), что ограничивает полосу пропускания системы регулирования. Второй фактор — необходимость обеспечения угла восстановления запирающих свойств тиристора, который требует запаздывания в подаче управляющих импульсов при переходе через режим инвертирования. Это создает «мертвую зону» в динамических характеристиках и ограничивает максимальное быстродействие контура тока на уровне 20-50 рад/с.

Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белорусский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"