Элементы силовой электроники

ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

Часть 1. Преобразователи тока

 

 

Учебное пособие

 

 

Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

2016

 

УДК 621.3

    Г635

Одобрено

учебно-методической комиссией энергетического факультета

Рецензенты:

Я.Я. Шеффер, А.С. Шумилов

 

            Гольдштейн, М.Е.

Г635

Системы электроэнергетики с элементами силовой электрони­ки. Элементы силовой электроники для управления режимами электроэнергетических систем. Часть 1. Преобразователи тока: учебное пособие / М.Е. Гольдштейн, А.В. Прокудин, под ред. М.Е. Гольдштейна. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2016. – 117 с.   Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров и магистров, обучающихся в соответствии с ФГОС ВПО по направлению «Электроэнергетика и электротехника». Пособие содержит материалы по системам электроэнергетики с элементами силовой электроники, а также по силовым полупроводниковым приборам, электромагнитным процессам в силовых полупроводниковых преобразователях параметров электрической энергии, методам их испытаний. В части 1 пособия рассмотрены электромагнитные процессы в силовых полупроводниковых преобразователях тока, применяемых в системах электроэнергетики, изучаются их энергетические параметры и характеристики, а также их функциональные свойства. Приводится описание универсального лабораторного стенда лаборатории «Системы электроэнергетики с элементами силовой электроники» кафедры ЭССиС ЮУрГУ и программы испытаний преобразователей тока. При изучении теоретического материала и выполнении лабораторных работ предполагается развитие у студентов ряда компетенций, в том числе: способности к обобщению, анализу, восприятию информации; к постановке цели и путей её достижения.

УДК 621.315.41.61(076.5)

 

  © Издательский центр ЮУрГУ, 2016

ВВЕДЕНИЕ

ОДНОМОСТОВОЙ/ОДНОГРУППОВОЙ ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В РЕЖИМЕ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Электромагнитные процессы в трехфазном мостовом преобразователе

Наибольшее распространение в системах электроэнергетики получили преобразователи, выполненные по трёхфазной мостовой схеме (рис. 1.1), а также построенные на базе трёхфазных мостовых схем. Это связано, в первую очередь, с тем, что в трёхфазной мостовой схеме силовые вентили используются по напряжению лучше, чем в нулевых схемах. А в электроэнергетике преобразователи работают на высоком напряжении – от нескольких сот вольт в системах возбуждения генераторов, в схемах АБП и др., до нескольких десятков, сотен или тысяч киловольт, на преобразовательных подстанциях электропередач и вставок постоянного тока. Трехфазная мостовая схема применяется для преобразования электроэнергии переменного тока в постоянный (режим выпрямления) и постоянного в переменный (режим инвертирования). На подстанциях электропередач постоянного тока эта схема называется «одномостовой преобразователь». В системах возбуждения синхронных генераторов она называется «одногрупповой преобразователь».

Схема (рис.1.1) состоит из вентильной части (тиристоры V 1 – V 6), соединенной на стороне переменного тока с источником трехфазного напряжения (система С и трансформатор Т). В цепи постоянного тока преобразователя сопротивление Z_d, а в некоторых случаях еще и источник напряжения или источник тока. Тиристоры, у которых объединены катоды, составляют катодную группу вентилей, а у которых объединены аноды – анодную группу.

 

 

Схема замещения

Для того, чтобы найти токи и напряжения всех элементов (тиристоров, трансформатора, нагрузки), рассматриваются электромагнитные процессы в схеме. Для этого составляется схема замещения (рис. 1.2), электромагнитные процессы в которой можно рассмотреть, применяя методы, разработанные в ТОЭ. Трансформатор с сетью заменяется трехфазной системой ЭДС с индуктивными сопротивлениями в каждой фазе

X _g= X _сети + X _транс.     (1.1)

Так как потери в схемах электроэнергетики всегда стремятся свести к минимуму, то обычно они невелики (т.е активные сопротивления схем существенно ниже индуктивных) и поэтому в дальнейшем активными сопротивлениями и соответственно потерями в сети и трансформаторе пренебрегаем.

Не учитывая потери в тиристорах, вводим их в схему идеальными управляемыми ключами, условия включения которых – положительное напряжение на них и наличие тока в цепи управления, а условие выключения – снижение анодного тока до нуля. Изображаем эти ключи на схеме такими же символами, какими обозначаются тиристоры.

Напряжение на нагрузке U_d – постоянное с пульсациями, т. е. его можно представить в виде постоянной составляющей и набора гармоник. Сопротивление нагрузки для постоянной составляющей напряжения только активное, для гармоник напряжения дополнительно еще и реактивное. В электроэнергетике индуктивности цепей постоянного тока преобразователей имеют большие значения, их сопротивления на частотах гармоник велики. Поэтому ток на стороне постоянного тока содержит большую долю постоянной составляющей и небольшую переменой составляющей, т. е. практически будет постоянный (без пульсаций) не только по знаку, но и по величине. При этом заметим, что постоянные времени цепей постоянного тока большие (существенно выше периода напряжения сети переменного напряжения). В результате пульсирующее напряжение в течение периода практически не изменяет ток нагрузки, и поэтому нагрузку заменим источником постоянного тока. Это удобно еще и потому, что обычно ток в цепи постоянного тока (ток возбуждения генератора, ток электропередачи постоянного тока и т. д.) известен и может быть исходным параметром при анализе электромагнитных процессов в схеме. Наличие в цепи постоянного тока источника тока является одним из признаков того, что рассматриваемая схема работает как преобразователь тока.

 

 

Токи в схеме

После того, как мы определили интервалы, когда напряжения на каждом из тиристоров будет положительным (рис. 1.4б), следует определиться с алгоритмом управления тиристорами (алгоритмом подачи токов управления на каждый тиристор), т. е. с углами запаздывания включения каждого из тиристоров. Принимаем широко применяемое в системах электроэнергетики симметричное управление тиристорами, при котором углы запаздывания включения всех тиристоров одинаковы.

В рассматриваемом режиме условного холостого хода длительность переходных процессов при включениях очередных тиристоров незначительна и переключение (коммутация) тиристоров происходит практически мгновенно. Поэтому в этом режиме всегда одновременно в схеме включено только по два тиристора (1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-1). Такой режим еще называют: «Режим 2». Диаграммы токов тиристоров приведены на рис. 1.4в. При постоянной времени нагрузки значительно большей, чем период напряжения питающей сети, в частности, при бесконечно большой индуктивности нагрузки ток тиристора имеет однополярную прямоугольную форму с длительностью 120 град. эл..

Среднее значение тока тиристора за период частоты сети:

,

(1.5)

 

 

а действующее значение:

(1.6)

Ток фазы складывается из токов двух тиристоров, например V 2 и V 5 для фазы А, и его среднее значение равно нулю, а действующее значение:

(1.7)

Допустим, в обмотке возбуждения генератора ток создается трехфазной мостовой схемой – одногрупповым преобразователем. В номинальном режиме турбогенератора ТГВ-200 ток обмотки возбуждения i _р (ток ротора) составляет 2100 А. Следовательно, ток I_d = i _р  = 2100 А, среднее за период значение тока тиристора равно 700 А, а действующее @ 1235 А. Действующее значение тока фазы 1700 А.

Ток фазы – это несинусоидальный ток. В нём кроме первой гармоники (50 Гц) присутствуют и нечетные высшие гармоники с номерами 6 k ± 1 (k = 1, 2, 3…), т. е. гармоники с номерами: 5, 7, 11, 13, 17, 19…

При угле a, равном нулю напряжение (ЭДС) фазы и первая гармоника её тока (например ток и напряжение фазы А на рис.1.4 в) совпадают по фазе. При этом в режиме 2 на стороне переменного напряжения схема не потребляет реактивную мощность. В полной мощности кроме активной присутствует и мощность искажения, обусловленная наличием высших гармоник в токе фазы.

Активная мощность преобразователя:

P = Pd = Id · Ud

(1.8)

При увеличении угла a, появление тока в фазе задерживается на угол α и схема начинает потреблять реактивную мощность, так как первая гармоника фазного тока отстает от соответствующей фазной ЭДС. Ток I _{А 1}отстает от ЭДС e _А на угол φ = a (рис.1.4в), следовательно, cosj = cosa. Таким образом, диодный преобразователь в режиме 2 реактивную мощность не потребляет, а тиристорный потребляет, и тем большую, чем больше угол a. Следовательно, за возможность регулирования «приходится расплачиваться» потреблением реактивной мощности.

 

Напряжение на тиристорах

Напряжение на тиристоре определим, записав 2-ой закон Кирхгофа для контура, включающего, тиристор, фазу сети, в которую этот тиристор включен, и ветвь между полюсом К (или П) и нулем сети. Тогда напряжение на тиристоре будет равно разнице напряжений на его аноде и катоде. Записывая уравнения Кирхгофа, учтем, что, так как на интервале включенного состояния ток тиристора равен I_d, т. е. не изменяется, падения напряжения на X _g всегда равны нулю. Например, напряжение для тиристора V 2, установленного в катодной группе, определяется, как разница напряжения U_А0 и напряжения U _К0 (табл. 1.2 и рис.1.4д).

 

 

Таблица 1.2

Включенные тиристоры	U V 2=	U А 0	- U К0
1-2	0	eA	eA
2-3	0	eA	eA
3-4	eAB	eA	UB 0= eB
4-5	eAB	eA	eB
5-6	eAC	eA	UC 0= eC
6-1	eAC	eA	eC

Максимальное обратное напряжение на тиристоре совпадает по величине с амплитудой линейного напряжения:

,

(1.12)

которое всего в U_{V О}/ E_{d 0} = 1,05 раз больше максимального выпрямленного. Для других схем преобразователей этот показатель хуже. Таким образом, обратное напряжение на тиристоре только на 5% превышает выпрямленное, т. е. мы еще раз убеждаемся в том, что в трёхфазной мостовой схеме тиристоры хорошо используются по напряжению.

При выключении тиристора на нём мгновенно (скачком) появляется обратное напряжение (рис.1.4д). Напряжение скачка:

		(1.13)
		(1.14)

В реальных схемах из-за наличия ёмкостей, в том числе, и шин и проводов мгновенное изменение обратного напряжения невозможно. Развивается переходный (обычно колебательный) процесс, приводящий к появлению коммутационных (вызванных коммутацией тиристоров) перенапряжений на тиристорах. Величина перенапряжений зависит от напряжения скачка.

 

 

Режим 2-3

Режим 2-3 соответствует рабочим режимам и режимам перегрузок преобразователей систем электроэнергетики. Он отличается от режима 2 тем, что в нем из за неравного нулю тока I_d коммутация тиристоров не мгновенная. Т.е при рассмотрении режима 2-3 учитываются переходные процессы при коммутации тиристоров.

 

 

Коммутация тиристоров

Рассмотрим электромагнитные процессы на интервале коммутации. На интервале, когда включены тиристоры V 2 и V 3 схема одноконтурная. Этот контур (обозначен пунктиром на рис. 1.6а) включает элементы: 0– e _А – X _{g А} – А – V 2 – К – U_d – П – V 3 – С - X _{g C} – e_C – 0. При этом на тиристоре V 4 напряжение U_{V 4} = e _{ВА .}

Когда включается тиристор V 4, создается второй контур (обозначен жирной линией на рис. 1.6а ): 0 – e_B – X _{g B}. – B – VS 4 – К – VS 2 – A – X _{g A} – e_A – 0, включающий ЭДС e_BA и сопротивление 2 X _g (рис. 1.6б). В этом контуре появляется ток двухфазного короткого замыкания i ⁽²⁾_К.

В соответствии с первым законом Кирхгофа:

i ₂+ i ₄ = I_d                 (1.15)

Воспользовавшись методом наложения и зная токи, протекающие в каждом из контуров, получим токи тиристоров на интервале коммутации:

        (1.16)

В соответствии с вторым законом Кирхгофа для этого контура в момент времени ϑ:

		(1.17)
	Т. е. .	(1.18)

Или, принимая за ноль момент включения тиристора V 4, получим:

		(1.19)
		(1.20)

Интегрируя выражение (1.20), получим ток двухфазного короткого замыкания:

(1.21)

Откуда амплитуда периодической (вынужденной, установившейся) составляющей тока двухфазного короткого замыкания:

(1.22)

Величина постоянной интегрирования С, (апериодической, свободной составляющей), определяется из начальных условий возникновения переходного процесса. Согласно первому закону коммутации ток в индуктивности мгновенно измениться не может и при включении V 4 (в момент времени ϑ+α=α) его ток равен нулю (рис. 1.7). Поэтому:

(1.23)

Учитывая, что в контуре двухфазного короткого замыкания потерь нет, и, следовательно, апериодическая составляющая тока не затухает из выражений (1.21), (1.22) и (1.23), получим ток короткого замыкания:

(1.24)

Примем амплитуду периодической составляющей тока двухфазного короткого замыкания  за базисное значение тока. Тогда:

(1.25)

Так как в момент завершения коммутации ϑ = g (рис. 1.7) ток короткого замыкания равен току I_d, то выпрямленный ток в относительных единицах:

(1.26)

Угол коммутации g – это угол (интервал времени), в течение которого ток переходит с одного тиристора на другой (оба тиристора включены). Коммутация начинается, когда приходит импульс управления на тиристор V 4 (тиристор V 4 включается) и заканчивается, когда ток тиристора, завершающего работу (V 2), снижается до нуля и он выключается.

Чем больше угол a, тем больше di _К/ dt, тем быстрее изменяются токи тиристоров, тем скорее ток тиристора V 4 достигает значения I_d, а тиристора V 2 снижается до нуля и он выключается, т. е. тем меньше угол коммутации g.

Чем больше ток I_d, тем больше требуется времени, чтобы ток тиристора V 4 i_{V 4} достиг значения I_d, а тиристора V 2 i_{V 2} снизился до нуля, т. е. тем больше угол коммутации.

Найдем напряжение U _К0 на интервале коммутации тиристоров V 2 и V 4.

(1.27)

Рис. 1.7. Диаграммы процесса коммутации тиристоров V 2– V 4

Падения напряжения на индуктивностях каждой из коммутирующих фаз одинаковы. Поэтому напряжение на выводе К катодной группы:

(1.28)

Мгновенное значение падения напряжения на сопротивлении X _g в течение интервала коммутации найдём, учитывая выражение (1.20).

(1.29)

Определим среднее за период падение напряжения, появляющееся на сопротивлениях X _g на интервалах коммутации. В течение периода в схеме происходит шесть коммутаций тиристоров, следующих через интервалы p/6. Следовательно, если схема симметрична (сопротивления всех фаз одинаковы и величины ЭДС всех фаз одинаковы):

 (1.30)

Подставив пределы интегрирования (0 и g) получим среднее значение падения напряжения на сопротивлениях X _γ:

(1.31)

В качестве базисного значения напряжения удобно принять ЭДС холостого хода преобразователя E_{d 0} (1.10)_. Таким образом, падение напряжения на индуктивностях X _γ в относительных единицах:

(1.32)

Из выражений (1.26) и (1.32) можно определить среднее за период падение напряжения на интервале коммутации, как

(1.33)

.                       

Лабораторная работа №1

Программа испытаний

Пункты программы, по которым надо провести эксперимент, указывает преподаватель.

1. Собрать схему для проверки работоспособности преобразователя. При этом сопротивление нагрузки установить 6 Ом.

2. Подать питание и убедиться в работоспособности преобразователя и его управляемости при регулировании напряжения управления СИФУ.

3. Установить угол управления 90 град. эл. Отключить напряжение питания преобразователя.

4. Подготовить преобразователь для работы в режиме 2-3:

- включить в фазы реакторы Х γ (L γ≥ 1 мГн);

- для осциллографирования тока фазы в одну из фаз включить трансформатор тока (УТТ–5 600/5);

- подключить сопротивление нагрузки, заданное преподавателем.

5.Включить питание преобразователя и, изменяя угол управления, установить выпрямленный ток в пределах 5…10 А;

6. Для установленного режима преобразователя измерить:

- напряжение на шинах постоянного тока U_d;

- выпрямленный ток I_d;

- угол управления α;

- угол коммутации γ;

7. Снять осциллограммы:

- напряжения на шинах постоянного тока u_d;

- напряжения на тиристоре u_V;

- тока фазы i _Ф.

8. Снять зависимости напряжения на шинах постоянного тока U_d (внешняя характеристика) и угла коммутации γ от величины выпрямленного тока I_d при фиксированном значении угла управления α (значение, полученное в п. 5 программы испытаний). Величину тока изменять путем изменения величины сопротивления нагрузки от 6 до 0,5 Ом.

9. Снять зависимость угла коммутации от величины угла управления при фиксированных значениях выпрямленного тока и сопротивлений фаз сети Х γ.

10. При фиксированном значении выпрямленного тока снять зависимость угла коммутации и напряжения на шинах постоянного тока от величины сопротивления фаз сети Х γ.

11. Отключить выключатели питания стенда. Разобрать схему.

 

 

Содержание отчета

1. Результаты предварительной подготовки п. 1.3.2.

2. Экспериментальные данные исследования режимов п. 1.3.3 (таблицы, значения, осциллограммы). На осциллограммах покажите: углы управления и коммутации, среднее и максимальное напряжение на шинах постоянного тока, значение выпрямленного тока.

3. Внешняя характеристика преобразователя (U_d = f (I_d)).

4. Зависимость угла коммутации от величины выпрямленного тока.

5. Зависимость угла коммутации от величины угла управления.

6. Зависимость угла коммутации от величины Х γ.

7. Зависимость напряжения на шинах постоянного тока U_d от величины Х γ.

8. Расчет значений амплитуды тока двухфазного к.з. I ⁽²⁾_{к m} и сопротивления фазы сети Х γ по данным экспериментальной внешней характеристики.

Примечание: Каждый этап обработки экспериментальных данных(зависимостей, осциллограмм) должен сопровождаться анализом и выводами.

 

 

Устойчивость инвертора

При построении зависимостей от времени токов тиристоров следует учесть, что их изменение при коммутации в режиме инвертирования происходит аналогично тому, как это было в режиме выпрямления (рис. 1.7), но при углах a больше 90 град. эл. На рис. 2.3а показано изменение токов тиристоров V 3 и V 5 при коммутации в режиме инвертирования.

Если ток I_d больше чем амплитуда тока двухфазного короткого замыкания i ⁽²⁾_К (рис. 2.3б) то ток i _{V 5} тиристора V 5, не достигая значения I_d, снижается до нуля, а ток i _{V 3} тиристора V 3 не доходит до нуля, и тиристор V 3 не выключается. Следовательно, коммутация, начавшись, нормально не завершится. Тиристор V 3 остается включенным. И при подаче импульса управления на второй тиристор фазы С (V 6) шины постоянного тока закорачиваются последовательно включенными тиристорами V 3 и V 6 (см. схему преобразователя рис. 1.1). Ток источника питания I_d в этом режиме не будет протекать через нагрузку (сеть) и выдаваемая мощность будет равна нулю. Нарушается алгоритм работы тиристоров, происходит «опрокидывание инвертора» – нарушение его устойчивости.

Однако, если увеличить угол b, так, чтобы выполнялось условие i _К⁽²⁾ _МАХ > I_d, то ток заканчивающего работу тиристора достигнет нуля и опрокидывания не произойдет.

 

 

Рис. 2.3. Диаграммы токов коммутирующих тиристоров V 3, V 5 в нормальном режиме и при «опрокидывании» инвертора

Если ток тиристора, заканчивающего работу, достигнет во время коммутации нуля, то это ещё не означает, что тиристор выключится. Действительно, когда тиристор включен, в слоях, примыкающих к среднему p-n переходу, накоплены объемные заряды, которые удерживают этот переход включенным. При снижении тока i _{V 3} до нуля (рис. 2.4) в этих слоях объемные заряды еще остаются, значит, тиристор еще не выключен, и поэтому по нему начинает протекать обратный ток. В это время на тиристор нельзя подавать положительное напряжение, так как из-за наличия объемных зарядов в нем он сможет включиться и без подачи тока управления, что обязательно приведет к «опрокидыванию» инвертора. Объемные заряды выводятся обратным током, и только после их вывода из тиристора средний p-n переход выключается. Заряд, который выведен из тиристора на этапе его выключения называют зарядом восстановления. Его значения для тиристоров приводятся в каталоге:

.

(2.5)

Амплитуда обратного тока тиристоров I_RRmax достигает несколько десятков ампер, а иногда 100…150 А даже при рабочих токах тиристоров, не превышающих 200 А. Время выключения тиристоров общепромышленной серии обычно не превышает 150...250 мкс. Эта величина эквивалентна d _ВЫКЛ = 3…5 град. эл. и является временем восстановления управляющих свойств тиристора.

Условие устойчивой работы.

Найдем значения b и I_d, при которых работа инвертора будет устойчивой. Для этого определим условие гарантированного выключения тиристора. Рассмотрим кривую напряжения на тиристоре V 2 (рис. 2.1г). Кривая строится также, как и для режима выпрямления (рис. 1.8г). Напряжение на тиристоре на отдельных интервалах времени приводится в табл. 1.3.

После того, как ток тиристора V 2 стал равным нулю, напряжение на нем, определяемое электромагнитными процессами в схеме, в течение короткого времени δ принимает отрицательные значения:

d = b – g.

(2.6)

Чтобы нарушения устойчивости инвертора не происходило, должно выполняться условие:

	d > dВЫКЛ.	(2.7)
	dВЫКЛ=ω· t ВЫКЛ.	(2.8)

d_ВЫКЛ – это параметр тиристора, его время выключения, выраженное в угловых единицах.

Для тиристоров, работающих на промышленной частоте, можно принять d_ВЫКЛ @ 5 град. эл. В преобразователях, применяемых в электроэнергетике, в длительных режимах и режимах рабочих перегрузок угол коммутации не превышает 60 град. эл. и преобразователь работает в режиме 2–3. При этом d зависит от b (2.6) и, следовательно, в реальных установках от несимметрии СИФУ. Поэтому для того, чтобы гарантировать устойчивую работу инвертора, т. е. обеспечить d > d_ВЫКЛ, необходимо выполнение условия:

d = b – g > dВЫКЛ + dНЕС.СИФУ + dЗАПАС.

(2.9)

Часто минимально допустимое значение:

d ДОП = dВЫКЛ + dНЕС.СИФУ + dЗАПАС,

(2.10)

принимают равным 15 град. эл.

Чтобы в режиме инвертирования преобразователь потреблял меньшую реактивную мощность, надо работать с минимальным углом b. Однако, он не должен быть меньше того, при котором обеспечивается d_ДОП. Для этого, в частности, на инверторных подстанциях электропередач постоянного тока есть регулятор-ограничитель, который поддерживает угол d на уровне минимально допустимого значения по условиям устойчивости инвертора.

 

 

2.4. Внешние характеристики

Напряжение на шинах постоянного тока (2.1):

U_d = U _K0 – U _П0.

И в режиме выпрямления и в режиме инвертирования семейство внешних характеристик (рис. 2.5) описывается выражением:

.   (2.11)

При замене угла a на угол b получим:

  (2.12)

В режиме инвертирования при повышении тока I_d напряжение U_d по величине растёт, так как увеличивается падение напряжения Δ U (X _γ), а величины ЭДС e_A, e _В и e _С приняты неизменными, так как инвертор работает на сеть, в которой есть собственные источники. Найдём выражение для внешней характеристики при постоянном угле d.

 

При анализе процесса коммутации тиристоров было установлено (1.26), что:

Учитывая то, что b = 180° – a и d = b – g, получим из этого выражения следующее:

.

(2.13)

Отсюда следует, что:

.

(2.14)

Подставляя это значение для cosβ в выражение (2.12), получим:

.

(2.15)

Задавая величину d = d_ДОП., получим на семействе внешних характеристик преобразователя границу зоны устойчивой работы инвертора (рис. 2.5).

Лабораторная работа №2

Программа испытаний

1. В соответствии с данными предварительной подготовки провести синхронизацию СИФУ и силовой части. Синхронизация производится без подачи напряжения на силовую часть.

2. Собрать схему последовательно включенных источника питания (левый преобразователь в режиме выпрямления), реактора 8 мГн, резистора R_d =1 Ом, инвертора (правый преобразователь).

3. Выставить углы управления преобразователями 90 град. эл..

4. Измерить в режиме холостого хода P, Q, S трансформатора инвертора.

5. Включить выпрямитель и убедиться в его работоспособности и управляемости. Во избежание перегрева элементов долго работать в режиме больших токов (>15 А) не рекомендуется.

6. Выставить угол управления выпрямителем 90 град. эл..

7. Включить инвертор и выставить режим, близкий к расчетному (п. 5 предварительной подготовки).

7. Провести следующие измерения:

- постоянного тока инвертора I_d;

- напряжения на шинах постоянного тока выпрямителя U_{d В};

- напряжения на шинах постоянного тока инвертора U_{d И};

- угол управления выпрямителя α_В;

- угол управления инвертора β_И;

- угол коммутации выпрямителя γ_В;

- угол коммутации инвертора γ_И;

- P, Q, S на стороне ВН трансформатора инвертора.

8. Снять следующие осциллограммы:

- напряжение на тиристоре выпрямителя u_{V В};

- напряжение на тиристоре инвертора u_{V И};

- напряжение на шинах постоянного тока инвертора u_{d И};

- ток фазы инвертора i _ФИ.

9. Снять следующие зависимости от величины выпрямленного тока I_d при постоянном значении угла β:

- напряжения на шинах постоянного тока инвертора (внешняя характеристика);

- угла коммутации γ инвертора,

- угла δ инвертора,

- P, Q, S на стороне ВН трансформатора.

 

 

Содержание отчета

1. Результаты предварительной подготовки.

2. Экспериментальные данные (величины, таблицы, осциллограммы). На осциллограммах показать углы α, β, γ, δ, среднее значение U_d, величину тока I_d.

3. Внешняя характеристика инвертора.

4. Зависимость углов γ и δ от тока I_d инвертора.

5. Зависимость P, Q, S от тока I_d на стороне ВН трансформатора инвертора за вычетом мощностей холостого хода.

Примечание: Каждый этап обработки экспериментальных данных (зависимостей, осциллограмм по п.п. 2 – 5) должен сопровождаться анализом и выводами.

 

Трехфазная мостовая схема при симметричном управлении в зависимости от углов запаздывания включения тиристоров (углов регулирования) может работать в режиме выпрямления или инвертирования. При этом на стороне постоянного тока может изменяться знак мощности. Изменение угла управления приводит к изменению величины реактивной мощности. Токи фаз преобразователя несинусоидальны. Напряжения также несинусоидальны, так как содержат провалы на интервалах коммутации тиристоров. Гармонические составляющие в токах и напряжениях сети негативно влияют на ее работу и должны быть ограничены в соответствии с ГОСТ на качество электроэнергии в электрических сетях. Гармонические составляющие в постоянном напряжении и токе, связанные с пульсацией постоянного напряжения, также должны быть ограничены.

 

 

К.П.Д. преобразователя

Коэффициент полезного действия это соотношение полезной мощности (работы) к полной затрачиваемой мощности (работы):

(3.14)

Полезная мощность преобразователя в режиме выпрямления будет равна мощности на шинах постоянного тока P_d = I_d · U_d. Потери в схеме преобразователя складываются из потерь в токоведущих частях и потерь в вентилях (диодах, тиристорах и т. д.). Также при рассмотрении преобразовательной установки в целом в общие потери включают потери в преобразовательном трансформаторе:

(3.15)

Потери в токоведущих частях легко находятся, если известен материал ошиновки и её длина:

,

(3.16)

где ρ – удельное сопротивление материала токоведущих частей (0,0175 Ом·мм для меди и 0,0283 Ом·мм для алюминия), l – суммарная длина токоведущих частей переменного тока. Для цепей постоянного тока расчет потерь можно выполнить аналогичным образом.

Потери в трансформаторе складываются из потерь холостого хода, независящих от нагрузки, и потерь короткого замыкания, независящих от напряжения первичной обмотки, а зависящих от нагрузки трансформатора:

(3.17)

Мощности холостого хода Δ Р _ХХ и короткого замыкания Δ Р _КЗ, номинальные ток вторичной обмотки I _2,НОМ и напряжение первичной обмотки U _1,НОМ указываются в паспорте трансформатора.

Потери в вентилях складываются из потерь на включение, потерь на выключение и потерь во включенном состоянии. При работе на частоте 50 Гц потери на переключение можно не учитывать и основными потерями будут потери во включенном состоянии:

.

(3.18)

Для определения потерь в вентильной части преобразователя с n _В вентилями используют величину прямого падения напряжения на тиристоре Δ U _ПР (3.18). В трехфазной мостовой схеме, работающей на активно-индуктивную нагрузку, потери в вентильной части:

(3.19)

Для примера определим к.п.д. тиристорного мостового преобразователя универсального стенда, выполненного на тиристорах ТО2-40, 6 шт., при рабочем выпрямленном токе 15 А и фазном напряжении питания 12 В. Угол управления примем α=0.

Ток одного тиристора: I_d /3=5 А. Прямое падение напряжения на тиристоре при таком токе – 1,55 В. Потери во всех тиристорах (3.19):

∆ P _В=2·1,55·15 = 46,5 Вт.

Напряжение на шинах постоянного тока определим, пренебрегая падением напряжения на сопротивлении питающей сети и учитывая прямое падение напряжения на тиристорах:

U_d = 2,34· E ₂·cosα – 2·Δ U _ПР=2,34·12·cos0 – 2·1,55=24,98 (В).

Полезная мощность преобразователя:

P_d = U_d · I_d =25,8·15=387 (Вт)

Длина соединительных проводов внутри преобразователя 1,53 м. Провод 2хПВ1 2,5 мм². Потери в проводах (3.16) с учетом величины действующего значения тока фазы (1.10):

В результате, к.п.д. тиристорного преобразователя универсального стенда получается:

Даже такой маломощный преобразователь имеет высокий к.п.д. 89,1%. Эффектив