Тиристорные регуляторы переменного напряжения и выпрямители (регуляторы постоянного напряжения) с естественной коммутацией

УДК 621.314.5

Климаш В.С., док- р техн. наук., профессор, Йе Мин Тху, аспирант

Введение

Тиристорные регуляторы переменного напряжения и выпрямители (регуляторы постоянного напряжения) с естественной коммутацией находят широкое в электротехнологии, системах электроснабжения , электрифицированном транспорте. Математическое обоснование единства структуры и моделей трёхфазного мостового тиристорного выпрямителя и трёхфазного регулятора переменного напряжения. Создание  системы управленияс возможностью применения,  как для трёхфазного  мостового  выпрямителя, так  и  для трёхфазного  регулятором  переменного напряжения. Экспериментальная апробация  принципа построения  преобразователя   двойного применения.

ОБОБЩЕНОЕ  МАТЕМАТИЧЕСКОЕ  ОПИСАНИЕ  И  МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТИРИСТОРНЫХ  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ  ВЕДОМЫХ  СЕТЬЮ



Схема мостового выпрямителя приведена на рис. 1,а.  Она содержит шесть тиристоров, обозначенных по перекрестному принципу. Если в этой схеме выходные зажимы закоротить, а между сетью и тиристорным мостом включить трёхфазную нагрузку переменного тока, то получим схему трёхфазного регулятора переменного напряжения, приведенную на рис.1,д. Обычно, регулятор переменного напряжения изображается  так, как показано на рис. 1,б.  В этой схеме напряжение сети  распределяясь между тиристорами  и нагрузкой ,  равно сумме= +.  Поменяем местами слагаемые в этой сумме и, переходя  к схеме на  рис. 1, в, переставим соответственно местами тиристоры и нагрузку. От этой перестановки и перераспределения напряжения на элементах суммарный результат и физические процессы в схеме не изменяться.

Если сравнить схемы, приведенные на рис. 1,в  и рис.1,д, то они идентичны. У них тиристоры соединены попарно встречно параллельно и включены в цепь нагрузки.  Нумерация тиристоров на всех схемах также совпадает.  К фазе А относятся тиристоры VS1 и VS4, к фазе В - VS3 и VS6 и к фазе С - VS5 и VS2.





Рис.1.Схемы трехфазных мостовых преобразователей 

(а – выпрямителя;  б, в, г  –  регуляторов переменного напряжения)



По этим признакам  можно утверждать, что выпрямитель может применяться как регулятор переменного напряжения и наоборот. Отличиелишь, в том, что у выпрямителя отсчёт угла управления тиристорами???производится от точки естественной коммутации, сдвинутой в сторону отставания на 30° относительнофазного напряжения сети, а у регулятора переменного напряжения от 0° этого напряжения (перехода фазного напряжения сети через нуль).Это отличие показано на диаграммах управляющих импульсов , приведенных на рис.2

У регулятора переменного напряжения при работе на чисто индуктивную нагрузку импульсы должны быть широкими, длительностью не меньше угла ?= 90°, в то время как у выпрямителя они могут быть, как короткими и сдвоенными, следуя через 60°, так и широкими, длительностью не меньше 60°.





Рис. 2 . Диаграммы управляющих импульсов для регулятора переменного   

 напряжения (а) и выпрямителя (б)



С учетом  вышеизложенного, возможно  переключение с укорачиванием  по фронту 90-градусныхимпульсов на 60-градусные и одновременным смещением начала отсчета угла управления тиристорами ??на  30°. Таким образом, при выполнении необходимых переключений в силовой схеме и системе управления регулятора переменного напряженияпревращается в выпрямитель.Те же переключения позволят на одной математической модели исследовать физические процессы ввыпрямителе и регуляторе переменного напряжения при различных видах нагрузки.

Обобщенное  математическое  описание  тиристорных 

преобразователей  ведомых  сетью



В отдельный класс выделены преобразователи с системами упряпления синхронизированными с сетью или преобразователи ведомые сетью. К ним относятся выпрямители и регуляторы переменного напряжения, зависимые инверторыи циклоконверторы. Обобщенная принципиальная схема и соответствующая ей эквивалентная схема замещения вышеперечисленных мостовых тиристорных преобразователей приведены на рис. 2.

 

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и эквивалентная схема замещения (б)

мостовых тиристорных преобразователей

Из принципиальной схемы(рис. 2,а) и схемы замещения(рис. 2,б) видно, что трехфазный мостовый выпрямитель и трехфазный регулятор переменного напряжения имеют много общего. Регулятор можно получить из выпрямителя путем закорачивания нагрузки выпрямителя (ключ К4 замкнут) и увеличивия сопротивления во входной цепи (ключи К1, К2, КЗ разомкнуты). Эта особенность позволила составить одну обобщенную систему уравнений, описывающую электромагнитные процессы, как в выпрямителе, так и в регуляторе переменного напряжения.

Различают два режима (интервала) работы тиристоров в мостовой схеме.

В работе находятся два тиристора:

а) у ТРН называют интервалы двухфазной проводимости;

б) у выпрямителей называют межкоммутационный интервал.

В работе находятся три тиристора:

а) у ТРН называют интервалы трехфазной проводимости;

б) у выпрямителей называют интервал коммутации.

         Использую также для обоих преобразователей термины – режим прерывистого тока, безтоковая  пауза. 

Обобщенная математическая модель учитывает индуктивности рассеяния обмоток сетевого трансформатора или индуктивность сети, которые вместе с индуктивностями нагрузок постоянного и (или) переменного тока влияют на длительность процесса коммутации.  Вследствие того, что в коммутирующих фазах ток спадает не мгновенно, а в течение определенного времени,  в моменты коммутации в работе одновременно находятся три тиристора.

Обобщенное дифференциальное уравнение, описывающее электромагнитные процессы в исследуемых схемах на межкоммутационных интервалах (двухфазная проводимость):





где  – входное и выходное фазные напряжения;  - входной ток; - сопротивлениеи индуктивность рассеяния обмоток сетевого трансформатора; - сопротивлениеи индуктивностьнагрузки выпрямителя; -сопротивлениеи индуктивность нагрузки регулятора;- сопротивление открытого тиристора, - коммутационные функции выпрямителя ирегулятора.













Обобщенная система дифференциальных уравнений, описывающая электромагнитные процессы в исследуемых схемах в момент коммутации (трехфазная проводимость):











где, - токи в двух коммутируемых фазах (спадающий и нарастающий соответственно).

Переход от уравнения (1) к системе уравнений (2) производится в соответствии с диаграммой включения тиристоров управляющими импульсами, а обратный за счет естественного процесса переходе тока тиристора через нуль. 

Обобщенные уравнения(1), (2) и  (3)  описывают физические процессы трех устройств:

а)тиристорного выпрямителя, если = 0 и 1, т.е. нагрузка включена только в цепь постоянного тока;

б)регулятора переменного напряжения, если 1 и  = 0, т.е. нагрузка включена  в цепь переменного тока;

в)пускорегулирующего устройства, если  = 1 и = 1, т.е. нагрузка включенав цепь переменного  тока, а пусковой реостат или дроссель насыщения в цепь постоянного тока.









Математическое моделирование тиристорных преобразователей



Обобщенная математическая модель представлена на рис.3.Здесь нагрузка переменного тока включена между сетью и тиристорным блоком, а нагрузка постоянного тока на выходе мостового выпрямителя. Наличие двух нагрузок на стороне постоянного и переменного тока находит практическое применение, например, в пускорегулирующих устройствах асинхронных двигателей с фазным ротором. Частными случаями этой схемы является выпрямитель, когда в цепи переменного тока отсутствует нагрузка или регулятор переменного напряжения, когда в цепи постоянного тока отсутствует нагрузка.









Рис.4. Обобщённая блочно-модульная математическая модель мостового преобразователяв среде Маtlab.











а)                                                                          в)

       

Рис.5.Схема  модуля системы управления (а)для выпрямители (в) для регулятора 

Развернутая схема трёхфазного тиристорного  моста изображена на рис.6. 



Рис.6. Схема  модуля тиристорного моста

В соств вохдят шесть тиристоров , три зажима тока (1, 2, 3) и два выходных зажима постоянного тока (4,5) . На управляющий вход пульс тиристорного моста подается сиганал с системы управления. Кроме этого , блок содержит информационный выход, с которого управляющие импульсы и напряжение для каждого тиристора подаются на осциллограф Os1.



Исследование на математической модели в среди MatLab

трёхфазных устройств

На рис.6. представлена схема модели трехфазного мостового регулятора переменного напряжения в среде MatLab.Она получена из обобщенной схемы (см.рис.3) путем отключения нагрузки постоянного тока и шунтированием выходных зажимов постоянного тока 4 и 5 трехфазного моста.Это электронное устройство находит применение для промышленных симметричных нагрузок.



Рис. 7. Модель трехфазногорегулятора  переменного напряжения



Выполним  численные эксперименты  при RL - нагрузке  для регулятора переменного напряжения при  различных углах ?.







Резутаты моделирования трехфазного регулятора переменного напряжения  представлены осциллограммами на  рис. 8.



? =90°



? = 95°



? = 100°

Рис.8.Численные эксперименты при ? = 90° , 95°, 100° и RL – нагрузке 

Экспериментальное исследование преобразователя



Целью экспериментальных исследований являлось следующее.?

1) Проверка функционирования на одном блоке как всех элементов в отдельности, так и в целом устройств выпрямителя и регулятора переменного напряжения.

2)  Осциллографирование напряжений и токов на нагрузке для этих преобразователей.

а)

     

       

в)

         

       





Рис.9.Осиллограма с экспиментаным устаноки и математической модель (а) для регулятора переменного напряжения выпрямители (в) для выпрямители



В результате математического моделирования и экспериментальных исследований было установлено, что одно и тоже изделие может работатьи какрегулятор переменного напряжения, и как выпрямитель при любом характере нагрузок в цепях переменного и (или) постоянного тока.  



Выводы

Осциллограммы, полученные при математическом и физическом моделировании, адекватно отображают физические процессы в выпрямителях и регулятор переменного напряжения.

Экспериментальная  апробация показала работоспособность трёхфазного  регулятора переменного напряжения на  промышленно выпускаемом  трёхфазном мостовом  выпрямителе. Выпускрегуляторов и выпрямителей можно производить с общей комплектацией на одном заводе.Возможен выпуск одного изделия двойного применения в различных модификациях.

Обобщенная блочно-модульная модель предназначена для исследования не только трехфазных мостовых преобразователей ведомых сетью. На ее основе весьма просто выполняется построение моделей  нулевых трехфазных и мостовых однофазных преобразователей.





БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



1. Забродин, Ю. С. Промышленная электроника / Ю. С. Забродин. - М.: Высш.шк., 1982. - 496 с.

2. Шубенко, В. А. Тиристорный асинхронный электропривод с фа¬зовым управлением / В. А. Шубенко, И. Я. Браславский. - М. : Энергия, 1972.-200 с.

3. Энергетическая электроника : справ, пособие / пер. с нем. ; под ред. В. А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1978.-464 с.

4. Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники : учеб. для вузов / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 1980.-424 с.

5. Климаш В.С. Основы преобразовательной техники. Учеб. пособие. - Комсомольск-на- Амуре: ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2010. -100с.

6.Такеути Т , Теория и применние вентильных цепей для регулирония двигателей. Пер с англ. Л  

? Энергия ?, 1973.









Сведения об авторах

Климаш Владимир Степанович - доктор технических наук, профессор,Кафедра «Промышленная электроника» , ФГБОУ ВПО (Комсомольский-на-Амуре  государственный  технический  университет) г. Комсомольск-на-Амуре, Россия.   8(914)175-00-35, 8(909)868-86-24

E-mail: klimash@yandex.ru

Йе Мин Тху – аспирант , Кафедра «Прикладная математика и информатика» ФГБОУ ВПО (Комсомольский-на-Амуре  государственный  технический  университет) г. Комсомольск-на-Амуре, Россия.  8(962)2890106,E-mail: mryeminthu08@gmail.com.......................