Μετατροπείς Thyristor DC / DC
Ο μετατροπέας Thyristor DC / DC (DC) είναι μια συσκευή μετατροπής εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα με ρύθμιση σύμφωνα με έναν δεδομένο νόμο των παραμέτρων εξόδου (ρεύμα και τάση). Οι μετατροπείς θυρίστορ έχουν σχεδιαστεί για να τροφοδοτούν κυκλώματα οπλισμού κινητήρων και τις περιελίξεις πεδίου τους.
Οι μετατροπείς Thyristor αποτελούνται από τις ακόλουθες βασικές μονάδες:
• ένας μετασχηματιστής ή ένας αντιδραστήρας περιορισμού ρεύματος στην πλευρά AC,
• μπλοκ ανορθωτών,
• αντιδραστήρες εξομάλυνσης,
• στοιχεία του συστήματος ελέγχου, προστασίας και σηματοδότησης.
Ο μετασχηματιστής ταιριάζει με τις τάσεις εισόδου και εξόδου του μετατροπέα και (όπως ο αντιδραστήρας περιορισμού ρεύματος) περιορίζει το ρεύμα βραχυκυκλώματος στα κυκλώματα εισόδου. Οι αντιδραστήρες εξομάλυνσης έχουν σχεδιαστεί για να εξομαλύνουν τους κυματισμούς της ανορθωμένης τάσης και ρεύματος. Δεν παρέχονται αντιδραστήρες εάν η επαγωγή φορτίου είναι επαρκής για να περιορίσει την κυματοποίηση εντός ορισμένων ορίων.
Η χρήση μετατροπέων με θυρίστορ DC-DC επιτρέπει την πραγματοποίηση πρακτικά των ίδιων χαρακτηριστικών ηλεκτρικής μετάδοσης κίνησης όπως όταν χρησιμοποιούνται περιστροφικοί μετατροπείς σε συστήματα γεννήτριας-κινητήρων (D — D), δηλαδή, για να ρυθμίσετε τις στροφές και τη ροπή του κινητήρα σε ένα ευρύ φάσμα, για να αποκτήσετε ειδικά μηχανικά χαρακτηριστικά και την επιθυμητή φύση των μεταβατικών στοιχείων κατά την εκκίνηση, το σταμάτημα, την οπισθοπορεία κ.λπ.
Ωστόσο, σε σύγκριση με τους περιστροφικούς στατικούς μετατροπείς, έχουν μια σειρά από γνωστά πλεονεκτήματα, γι' αυτό οι στατικοί μετατροπείς προτιμώνται στις νέες εξελίξεις των ηλεκτροκινητήρων γερανού. Οι μετατροπείς Thyristor DC-DC είναι οι πιο πολλά υποσχόμενοι για χρήση σε ηλεκτρικές κινήσεις μηχανισμών γερανών με ισχύ άνω των 50-100 kW και μηχανισμούς όπου απαιτείται η απόκτηση ειδικών χαρακτηριστικών του κινητήρα σε στατικές και δυναμικές λειτουργίες.
Σχέδια ανόρθωσης, αρχές κατασκευής κυκλωμάτων ισχύος μετατροπέων
Οι μετατροπείς θυρίστορ κατασκευάζονται με μονοφασικούς και πολυφασικούς διορθωτικά κυκλώματα… Υπάρχουν πολλές αναλογίες σχεδιασμού για τα βασικά σχήματα διόρθωσης. Ένα από αυτά τα σχήματα φαίνεται στο σχ. 1, α. Ρύθμιση τάσης Va και ρεύματος Ia που παράγεται με αλλαγή της γωνίας ελέγχου α... Στο σχ. 1, b-e, για παράδειγμα, φαίνεται η φύση της αλλαγής των ρευμάτων και των τάσεων σε ένα τριφασικό κύκλωμα μηδενικής ανόρθωσης με ενεργό-επαγωγικό φορτίο
Ρύζι. 1. Τριφασικό ουδέτερο κύκλωμα (a) και διαγράμματα μεταβολών ρεύματος και τάσης στους τρόπους λειτουργίας ανορθωτή (b, c) και μετατροπέα (d, e).
Η γωνία που φαίνεται στα διαγράμματα γ (γωνία μεταγωγής) χαρακτηρίζει τη χρονική περίοδο κατά την οποία το ρεύμα ρέει ταυτόχρονα μέσω δύο θυρίστορ. Η εξάρτηση της μέσης τιμής της ρυθμισμένης τάσης Вa από τη γωνία ρύθμισης α ονομάζεται χαρακτηριστικό ελέγχου.
Για ουδέτερα κυκλώματα, η μέση διορθωμένη τάση δίνεται από την έκφραση
όπου m — ο αριθμός των φάσεων της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή. U2f είναι η τιμή rms της τάσης φάσης της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή.
Για κυκλώματα γέφυρας Udo 2 φορές υψηλότερο, επειδή αυτά τα κυκλώματα είναι ισοδύναμα με σύνδεση σε σειρά δύο κυκλωμάτων μηδέν.
Τα μονοφασικά κυκλώματα διόρθωσης χρησιμοποιούνται κατά κανόνα σε κυκλώματα με σχετικά μεγάλες επαγωγικές αντιστάσεις.Πρόκειται για κυκλώματα ανεξάρτητων περιελίξεων διέγερσης κινητήρων, καθώς και κυκλώματα οπλισμού κινητήρων χαμηλής ισχύος (μέχρι 10-15 kW). Τα πολυφασικά κυκλώματα χρησιμοποιούνται κυρίως για τη χύτευση κυκλωμάτων οπλισμού κινητήρων με ισχύ μεγαλύτερη από 15–20 kW και λιγότερο συχνά για την τροφοδοσία περιελίξεων πεδίου. Σε σύγκριση με τα μονοφασικά, τα κυκλώματα ανορθωτή πολυφασικών έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα. Τα κυριότερα είναι: χαμηλότερος παλμός της ανορθωμένης τάσης και ρεύματος, καλύτερη χρήση του μετασχηματιστή και θυρίστορ, συμμετρική φόρτιση των φάσεων του δικτύου τροφοδοσίας.
Σε μετατροπείς DC-DC με θυρίστορ που προορίζονται για κίνηση γερανών με ισχύ άνω των 20 kW, η χρήση τριφασικό κύκλωμα γέφυρας… Αυτό οφείλεται στην καλή χρήση του μετασχηματιστή και των θυρίστορ, στο χαμηλό επίπεδο κυματισμού της ανορθωμένης τάσης και ρεύματος και στην απλότητα του κυκλώματος και του σχεδιασμού του μετασχηματιστή.Ένα γνωστό πλεονέκτημα ενός κυκλώματος τριφασικής γέφυρας είναι ότι μπορεί να κατασκευαστεί όχι με σύνδεση μετασχηματιστή, αλλά με αντιδραστήρα περιορισμού ρεύματος, οι διαστάσεις του οποίου είναι σημαντικά μικρότερες από τις διαστάσεις του μετασχηματιστή.
Σε ένα τριφασικό ουδέτερο κύκλωμα, οι συνθήκες χρήσης του μετασχηματιστή με τις κοινώς χρησιμοποιούμενες ομάδες σύνδεσης D / D και Δ / Y είναι χειρότερες λόγω της παρουσίας μιας σταθερής συνιστώσας της ροής. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της διατομής του μαγνητικού κυκλώματος και, κατά συνέπεια, της ισχύος σχεδιασμού του μετασχηματιστή. Για την εξάλειψη της σταθερής συνιστώσας της ροής, χρησιμοποιείται μια σύνδεση ζιγκ-ζαγκ των δευτερευόντων περιελίξεων του μετασχηματιστή, η οποία επίσης αυξάνει κάπως την ισχύ σχεδιασμού. Η αυξημένη στάθμη, κυματισμός της ανορθωμένης τάσης, μαζί με το μειονέκτημα που σημειώθηκε παραπάνω, περιορίζει τη χρήση ενός τριφασικού ουδέτερου κυκλώματος.
Συνιστάται ένα εξαφασικό κύκλωμα αντιδραστήρα όταν χρησιμοποιείται για χαμηλή τάση και υψηλό ρεύμα επειδή σε αυτό το κύκλωμα το ρεύμα φορτίου ρέει παράλληλα και όχι σε σειρά μέσω δύο διόδων όπως σε ένα τριφασικό κύκλωμα γέφυρας. Το μειονέκτημα αυτού του κυκλώματος είναι η παρουσία ενός αντιδραστήρα εξομάλυνσης με τυπική ισχύ περίπου 70% της διορθωμένης ονομαστικής ισχύος. Επιπλέον, ένας μάλλον περίπλοκος σχεδιασμός μετασχηματιστή χρησιμοποιείται σε κυκλώματα έξι φάσεων.
Τα κυκλώματα ανορθωτή που βασίζονται σε θυρίστορ παρέχουν λειτουργία σε δύο τρόπους λειτουργίας — ανορθωτή και μετατροπέα. Κατά τη λειτουργία σε λειτουργία μετατροπέα, η ενέργεια από το κύκλωμα φορτίου μεταφέρεται στο δίκτυο τροφοδοσίας, δηλαδή σε αντίθετη κατεύθυνση σε σύγκριση με τη λειτουργία ανορθωτή, επομένως, κατά την αναστροφή, το ρεύμα και π.χ. και τα λοιπά. γ. οι περιελίξεις του μετασχηματιστή κατευθύνονται αντίθετα, και όταν ευθυγραμμίζονται - σύμφωνα.Η τρέχουσα πηγή σε λειτουργία αναστροφής είναι e. και τα λοιπά. γ) φορτίο (μηχανές συνεχούς ρεύματος, αυτεπαγωγή) που πρέπει να υπερβαίνει την τάση του μετατροπέα.
Η μεταφορά του μετατροπέα θυρίστορ από τη λειτουργία ανορθωτή στη λειτουργία μετατροπέα επιτυγχάνεται με την αλλαγή της πολικότητας του e. και τα λοιπά. γ) αύξηση του φορτίου και της γωνίας α πάνω από το π / 2 με επαγωγικό φορτίο.
Ρύζι. 2. Αντιπαράλληλο κύκλωμα για ενεργοποίηση ομάδων βαλβίδων. UR1 — UR4 — αντιδραστήρες ισοπέδωσης. RT — αντιδραστήρας περιορισμού ρεύματος. CP — αντιδραστήρας εξομάλυνσης.
Ρύζι. 3. Σχέδιο μη αναστρέψιμου ΤΡ για κυκλώματα περιελίξεων διέγερσης κινητήρων. Για να εξασφαλιστεί η λειτουργία αναστροφής, είναι απαραίτητο το επόμενο θυρίστορ κλεισίματος να έχει χρόνο να αποκαταστήσει τις ιδιότητες μπλοκαρίσματος του ενώ υπάρχει αρνητική τάση πάνω του, δηλαδή στη γωνία φ (Εικ. 1, γ).
Εάν αυτό δεν συμβεί, τότε το θυρίστορ κλεισίματος μπορεί να ανοίξει ξανά καθώς εφαρμόζεται μια τάση προς τα εμπρός σε αυτό. Αυτό θα προκαλέσει την ανατροπή του μετατροπέα, όπου θα συμβεί ρεύμα έκτακτης ανάγκης, όπως π.χ. και τα λοιπά. γ. Οι μηχανές συνεχούς ρεύματος και ο μετασχηματιστής θα ταιριάζουν στην κατεύθυνση. Για να αποφευχθεί η ανατροπή, απαιτείται η συνθήκη
όπου δ — η γωνία αποκατάστασης των ιδιοτήτων ασφάλισης του θυρίστορ. β = π — α Αυτή είναι η γωνία απαγωγής του μετατροπέα.
Τα κυκλώματα ισχύος των μετατροπέων θυρίστορ, που προορίζονται για την τροφοδοσία κυκλωμάτων οπλισμού κινητήρων, κατασκευάζονται τόσο σε μη αναστρέψιμες (μία ομάδα ανορθωτών θυρίστορ) όσο και σε αναστρέψιμες (δύο ομάδες ανορθωτών) εκδόσεις. Οι μη αναστρέψιμες εκδόσεις μετατροπέων θυρίστορ, που παρέχουν μονοκατευθυντική αγωγιμότητα, επιτρέπουν τη λειτουργία σε λειτουργίες κινητήρα και γεννήτριας σε μία μόνο κατεύθυνση της ροπής του κινητήρα.
Για να αλλάξετε την κατεύθυνση της ροπής, είναι απαραίτητο είτε να αλλάξετε την κατεύθυνση του ρεύματος του οπλισμού με την κατεύθυνση της σταθεράς ροής πεδίου είτε να αλλάξετε την κατεύθυνση της ροής πεδίου διατηρώντας την κατεύθυνση του ρεύματος του οπλισμού.
Οι μετατροπείς αναστροφής θυρίστορ έχουν διάφορους τύπους διαγραμμάτων κυκλωμάτων ισχύος. Το πιο συνηθισμένο είναι το σχήμα με αντιπαράλληλη σύνδεση δύο ομάδων βαλβίδων σε μια δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή (Εικ. 2). Ένα τέτοιο σχήμα μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς ξεχωριστό μετασχηματιστή τροφοδοτώντας ομάδες θυρίστορ από ένα κοινό εναλλασσόμενο δίκτυο μέσω περιοριστών ρεύματος ανόδου των αντιδραστήρων RT. Η μετάβαση στην έκδοση του αντιδραστήρα μειώνει σημαντικά το μέγεθος του μετατροπέα θυρίστορ και μειώνει το κόστος του.
Οι μετατροπείς θυρίστορ για κυκλώματα περιέλιξης πεδίων κινητήρα κατασκευάζονται κυρίως σε μη αναστρέψιμη κατασκευή. Στο σχ. Το σχήμα 3α δείχνει ένα από τα χρησιμοποιούμενα κυκλώματα μεταγωγής ανορθωτή. Το κύκλωμα σάς επιτρέπει να μεταβάλλετε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα σε ένα ευρύ φάσμα. Η ελάχιστη τιμή του ρεύματος εμφανίζεται όταν τα θυρίστορ T1 και T2 είναι κλειστά και η μέγιστη όταν είναι ανοιχτά. Στο σχ. 3, b, d δείχνει τη φύση της αλλαγής στην ανορθωμένη τάση για αυτές τις δύο καταστάσεις θυρίστορ και στο Σχ. 3, για την κατάσταση όταν
Μέθοδοι ελέγχου για την αναστροφή μετατροπέων θυρίστορ
Στους μετατροπείς αναστροφής θυρίστορ, υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι ελέγχου των ομάδων βαλβίδων — άρθρωση και χωριστή. Η συνδιαχείριση, από την άλλη, γίνεται με συνέπεια και ασυνέπεια.
Με συντονισμένο έλεγχο, παλμούς βολής θυρίστορ εφαρμόζονται στις δύο ομάδες βαλβίδων με τέτοιο τρόπο ώστε οι μέσες τιμές της διορθωμένης τάσης για τις δύο ομάδες να είναι ίσες μεταξύ τους. Αυτό παρέχεται υπό όρους
όπου av και ai — οι γωνίες ρύθμισης των ομάδων ανορθωτών και μετατροπέων. Σε περίπτωση ασυνεπούς ελέγχου, η μέση τάση της ομάδας μετατροπέα υπερβαίνει την τάση της ομάδας ανορθωτή. Αυτό επιτυγχάνεται υπό την προϋπόθεση ότι
Η στιγμιαία τιμή των τάσεων της ομάδας με κοινό έλεγχο δεν είναι ίση μεταξύ τους ανά πάσα στιγμή, με αποτέλεσμα σε έναν κλειστό βρόχο (ή κυκλώματα) που σχηματίζεται από ομάδες θυρίστορ και περιελίξεις μετασχηματιστή, ρέει ρεύμα εξισορρόπησης για να περιορίσει ποιους αντιδραστήρες εξισορρόπησης Τα UR1-UR4 περιλαμβάνονται στον μετατροπέα θυρίστορ (βλ. Εικ. 1).
Οι αντιδραστήρες συνδέονται στον βρόχο ρεύματος εξισορρόπησης, ένας ή δύο ανά ομάδα, και η επαγωγή τους επιλέγεται έτσι ώστε το ρεύμα εξισορρόπησης να μην υπερβαίνει το 10% του ονομαστικού ρεύματος φορτίου. Όταν οι αντιδραστήρες περιορισμού ρεύματος είναι ενεργοποιημένοι, δύο ανά ομάδα, κορεσθούν όταν ρέει το ρεύμα φορτίου. Για παράδειγμα, κατά τη λειτουργία της ομάδας Β, οι αντιδραστήρες UR1 και UR2 είναι κορεσμένοι, ενώ οι αντιδραστήρες URZ και UR4 παραμένουν ακόρεστοι και περιορίζουν το ρεύμα εξισορρόπησης. Εάν οι αντιδραστήρες είναι ενεργοποιημένοι, ένας ανά ομάδα (UR1 και URZ), δεν είναι κορεσμένοι όταν το ωφέλιμο φορτίο ρέει.
Οι μετατροπείς με ασυνεπή έλεγχο έχουν μικρότερα μεγέθη αντιδραστήρων από ό,τι με συντονισμένο έλεγχο.Ωστόσο, με ασυνεπή έλεγχο, το εύρος των επιτρεπόμενων γωνιών ελέγχου μειώνεται, γεγονός που οδηγεί σε χειρότερη χρήση του μετασχηματιστή και μείωση του συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης.Ταυτόχρονα, η γραμμικότητα των χαρακτηριστικών ελέγχου και ταχύτητας του ηλεκτρικού η κίνηση παραβιάζεται. Χρησιμοποιείται ξεχωριστός έλεγχος ομάδων βαλβίδων για την πλήρη εξάλειψη των ρευμάτων εξισορρόπησης.
Ο χωριστός έλεγχος συνίσταται στο γεγονός ότι οι παλμοί ελέγχου εφαρμόζονται μόνο στην ομάδα που θα έπρεπε να λειτουργεί αυτή τη στιγμή. Οι παλμοί ελέγχου δεν παρέχονται στις βαλβίδες της ομάδας ρελαντί. Για να αλλάξετε τον τρόπο λειτουργίας του μετατροπέα θυρίστορ, χρησιμοποιείται μια ειδική συσκευή μεταγωγής, η οποία, όταν το ρεύμα του μετατροπέα θυρίστορ είναι μηδέν, πρώτα αφαιρεί τους παλμούς ελέγχου από την προηγούμενη ομάδα εργασίας και, στη συνέχεια, μετά από μια σύντομη παύση (5- 10 ms), στέλνει παλμούς ελέγχου στην άλλη ομάδα.
Με ξεχωριστό έλεγχο, δεν υπάρχει ανάγκη να συμπεριληφθούν αντιδραστήρες εξισορρόπησης στο κύκλωμα χωριστών ομάδων βαλβίδων, ο μετασχηματιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλήρως, η πιθανότητα ανατροπής του μετατροπέα λόγω μείωσης του χρόνου λειτουργίας του μετατροπέα θυρίστορ σε λειτουργία μετατροπέα είναι μειώνονται, μειώνονται οι απώλειες ενέργειας και κατά συνέπεια αυξάνεται η απόδοση της ηλεκτρικής κίνησης λόγω της απουσίας ρευμάτων εξισορρόπησης. Ωστόσο, ο ξεχωριστός έλεγχος θέτει υψηλές απαιτήσεις στην αξιοπιστία των συσκευών για το μπλοκάρισμα των παλμών ελέγχου.
Η δυσλειτουργία στη λειτουργία των συσκευών μπλοκαρίσματος και η εμφάνιση παλμών ελέγχου σε μια ομάδα θυρίστορ που δεν λειτουργεί οδηγεί σε εσωτερικό βραχυκύκλωμα στον μετατροπέα θυρίστορ, καθώς το ρεύμα εξισορρόπησης μεταξύ των ομάδων στην περίπτωση αυτή περιορίζεται μόνο από την αντίδραση του μετασχηματιστή περιελίξεις και φτάνει σε απαράδεκτα μεγάλη τιμή.