7. ТИРИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ МОЩНОСТИ С ВЫХОДОМ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ (РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ)

Основные схемы нереверсивных тиристорных регуляторов с выходом на постоянном токе приведены на рис. III.31 [3, 8].

В простейшей однопол упер йодной (однопульсной) схеме (рис. III.31, а) среднее значение напряжения и тока (рис. 111.31, б)

Рис. III.31. Схемы тиристорных регуляторов с выходом на постоянном токе и диаграммы выходных напряжений: а — однопульсная схема; б — диаграмма при активно-индуктивной нагрузке; в — при активной нагрузке; г — двухпульсная схема; д — диаграмма при активноиндуктивной нагрузке; е — при активной нагрузке

при питании синусоидальным напряжением и активноиндуктивной нагрузке в функции угла открытия тиристора а (статическая характеристика вход — выход) определяется выражением

где — амплитуда э. д. с. вторичной обмотки трансформатора

— угол закрытия тиристора, являющийся функцией и относительной постоянной времени нагрузки

При чисто активной нагрузке угол запирания , следовательно,

Форма напряжения для этого случая показана на рис. III.31, б.

Рис. III.32. Характеристики вход — выход: кривая I — для схемы (рис. III.31,а) при отсутствии обратного диода кривая 2 — то же, при кривая 3 — то же, при кривая то же, при кривая 5 — для схемы (рис. II без обратного диода) при кривая 6 — для схем (рис. III.31, г) с диодом (при наличии обратного диода кривая справедлива для любого значения

Для повышения эффективности работы схемы при активноиндуктивном характере нагрузки параллельно нагрузке включают так называемый обратный (нулевой) диод (рис. II 1.31, а). При этом характеристика вход — выход усилителя также определяется соотношением (III. 66), а форма выходного напряжения соответствует рис. III.31, в.

Характеристики вход — выход в относительных единицах, построенные в соответствии с соотношениями (111.65) и (III.66), приведены на рис. II 1.32.

При изменении угла открытия от (режим холостого хода) до (режим максимальной отдачи) напряжение на нагрузке изменяется от нуля до максимального значения:

Если выходной величиной считать среднее значение тока нагрузки, то передаточная функция рассматриваемой, схемы при наличии обратного диода и будет соответствовать инерционному звену первого порядка с постоянной времени, равной постоянной времени нагрузки:

где крутизна характеристики вход — выход.

Если обратный диод отсутствует, то длительность переходного процесса при «скачке» сигнала управления не превышает периода частоты питания независимо от величины Однопол упер йодный тиристорный регулятор можно рассматривать как звено с чистым запаздыванием, величина которого лежит в пределах от нуля до периода частоты питания в зависимости от величины «скачка» управляющего сигнала. В этом случае передаточная функция регулятора

где значение .

Основные недостатки однопульсной схемы: загрузка источника питания постоянной составляющей тока (подмагничивание сердечника трансформатора), высокий уровень переменной составляющей выходного напряжения. Указанные недостатки полностью или частично отсутствуют в многопульсных схемах выпрямления.

Двухпульсная дифференциальная схема (см. рис. II 1.31, г) содержит два тиристора и дифференциальный трансформатор (или автотрансформатор) Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом по фазе на 180°.

Характеристика вход — выход двухпульсной дифференциальной схемы при активно-индуктивной нагрузке (в режиме непрерывного тока и отсутствия обратного диода имеет вид:

а форма напряжения показана на рис. III.31, д.

При чисто активной нагрузке

а выходное напряжение имеет форму, показанную на рис. 111.31, е.

При наличии диода и активно-индуктивной нагрузки характеристика вход — выход также определяется выражением (111.70),

Характеристики вход — выход двухпульсной схемы, построенные согласно формулам (III.69) и (III.70), приведены на рис. III.32.

В схеме без обратного диода (см. рис. II 1.31, г), при работе на активно-индуктивную нагрузку возможен инверторный режим

работы, в результате чего возникает возможность форсировки переходного процесса уменьшения тока нагрузки [9].

Длительность переходного процесса уменьшения тока нагрузки определяется равенством

Передаточная функция двухпульсной схемы без обратного диода определяется выражением (III.68), в котором

При наличии обратного диода (см. рис. 111.31, г) инверторный режим работы невозможен и длительность переходного процесса уменьшения тока, как обычно, можно считать равной . В этом случае при передаточная функция соответствует выражению (III 67).

Необходимо отметить, что тиристорный регулятор этого типа обладает рядом нелинейностей, определяющих его динамические свойства и ограничивающих применение к нему известных линейных методов расчета систем автоматического регулирования. Наиболее существенные из этих нелинейностей: нелинейность характеристики вход — выход, дискретность управления тиристорами регулятора, задержка закрытия проводящих ток тиристоров до соответствующего изменения полярности анодного напряжения [13].

Итак, все представления тиристорного усилителя в виде безынерционного звена с запаздыванием по цепи управления или звена с чистым запаздыванием, определяемым моментом изменения и величиной скачка управляющего сигнала и лежащим в пределах от нуля до — число фаз выпрямления), или инерционного звена первого порядка с постоянной времени или симметричного (или несимметричного) -звена являются приближенными и справедливы при определенных допущениях и условиях работы тиристорного усилителя в системе автоматического регулирования [13].

При расчете динамики быстродействующих систем с тиристорными регуляторами постоянного тока следует учитывать рекомендации, приведенные в работе

На рис. II 1.33 приведены варианты мостовых схем двухпульсных выпрямителей. Статические характеристики вход — выход приактивно-индуктивной нагрузке, а также динамические свойства схемы с четырьмя тиристорами (рис. II 1.33, а) полностью совпадают с аналогичной характеристикой и свойствами дифференциальной схемы без обратного диода (см. рис. 111.31, г). Недостатком схемы является ее относительная сложность, обусловленная наличием четырех тиристоров. Схемы не могут работать в инверторном режиме, но они выполнены с использованием только двух тиристоров, что существенно упрощает систему управления.

Характеристика вход — выход рассматриваемых схем определяется уравнением (III.70) независимо от величины постоянной времени нагрузки и приведена на рис. III.32.

Наибольшее распространение получила мостовая схема с объединенными катодами тиристоров (рис. III.33, б), преимущество которой состоит в более простой схеме устройства управления по сравнению со схемой, приведенной на рис. III.33, а. Однако следует иметь в виду, что при активно-индуктивной нагрузке и отсутствии обратного диода схема может обеспечить лишь двукратное изменение тока нагрузки.

Рис. III.33. Мостовые схемы двухпульсных регуляторов: а — схема с четырьмя тиристорами; б, в — схемы с двумя тиристорами; г — схема с одним тиристором (с мостовым выпрямителем В)

В схеме, приведенной на рис. III.33, в, необходимость в обратном диоде отпадает, поскольку роль выполняют последовательно включенные диоды но возникает необходимость гальванической развязки цепей управления тиристоров.

Для регуляторов (рис. III.33, а передаточная функция при также определяется выражением (III.67), а при соизмеримости величины относительной постоянной времени нагрузки с полупериодом частоты питания собственно тиристорный регулятор можно рассматривать как звено с чистым запаздыванием в соответствии с выражениями согласно (II 1.68) и (II 1.72).

Вариант схемы с двухполупериодным питанием от однофазной сети изображен на рис. Питание осуществляется от сети переменного тока через мостовой выпрямитель В (можно также использовать выпрямитель по дифференциальной схеме).

Характеристика вход — выход (см. рис. III.32) данной схемы определяется также уравнением (II 1.70). Управление тиристором должно осуществляться от импульсного устройства, обеспечивающего сигнал в каждый полупериод питающего напряжения. Схему, изображенную на рис. III.33, г, целесообразно использовать при сравнительно низкой частоте питания (не более 400—500 Гц) с тиристорами на небольшие номинальные токи.

Для регулирования тока нагрузки сравнительно мощных потребителей питание тиристорных регуляторов и нагрузки осуществляется, как правило, от трехфазной сети переменного напряжения.

Рис. III.34. Схемы трехпульсного и шестипульсного регуляторов: а — схема с тремя тиристорами; б — схема с шестью тиристорами

Трехфазное питание позволяет исключить возможность неравномерной загрузки фаз, что имеет место при использовании одной фазы трехфазного источника, а также уменьшить пульсации выходного напряжения.

На рис. III.34, а приведена схема трехпульсного выпрямителя с тремя тиристорами Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом по фазе на 120°.

Характеристика вход — выход схемы в режиме непрерывного тока и отсутствии диода определяется выражением

а при активной нагрузке или активно-индуктивной, шунтированной обратным диодом,

и приведена на рис. III.35.

При отсутствии диода рассматриваемая схема также может работать в инверторном режиме, а ее передаточная функция определяется выражением (III.68), в котором

На рис. III.34, б приведена шестипульсная (трехфазная мостовая) схема выпрямителя. Применение шестипульсной схемы, у которой все шесть вентилей являются управляемыми, оправдано при построении реверсивного усилителя с общим источником питания или когда необходимо обеспечить инверторный режим работы усилителя.

Рис. III.35. Характеристики вход — выход: кривая 1 — для схемы (рис. III 34, а) в режиме непрерывного тока кривая 2 — то же, при активной нагрузке или активноиндуктивной с обратным диодом кривая 3 — для схемы (рис. III.34, б) в режиме непрерывного тока; кривая 4 то же, при активной нагрузке

Характеристика вход — выход в режиме непрерывного тока для рассматриваемого усилителя определяется выражением

а при чисто активной нагрузке

Соответствующие зависимости приведены на рис. II 1.35.

Передаточная функция шестипульсного усилителя также определяется выражением (III.68), где

В ряде случаев регулируемые выпрямители должны обеспечивать сравнительно ограниченный диапазон кратности изменения выходного напряжения (например, при использовании их в качестве регулирующих органов стабилизаторов напряжения). Для этой цели целесообразно использовать регулируемые выпрямители со ступенчатым регулированием выходного напряжения (выпрямители с «вольтодобавкой») [10]. Их применение позволяет значительно улучшить энергетические показатели схемы (повысить коэффициент мощности и существенно уменьшить пульсации выходного напряжения).

Рис. III.36. Тиристорный выпрямитель со ступенчатым регулированием выходного напряжения: а — схема выпрямителя; — временная диаграмма

Выпрямители со ступенчатым регулированием целесообразно применять при кратностях регулирования напряжения нагрузки не более 2—3.

Одна из схем выпрямителей со ступенчатым регулированием напряжения приведена на рис. III.36, а, [10].

При закрытых тиристорах на нагрузке имеет место минимальное напряжение, определяемое э. д. с. вторичных обмоток При открытых тиристорах на нагрузке — максимальное напряжение, определяемое э. д. с. обмотки Промежуточные углы открытия тиристоров обеспечивают ступенчато-синусоидальную форму напряжения на нагрузке (рис. III.36, б), среднее значение которого

— амплитуда э. д. с. обмотки

Кратность изменения напряжения на нагрузке связана с коэффициентом следующим соотношением:

Является очевидным, что схемы со ступенчатым регулированием не могут обеспечить инверторный режим работы из-за наличия дополнительных неуправляемых вентилей, через которые замыкается индуктивный ток нагрузки после снятия сигнала управления с тиристоров и их закрытия.

Для схемы рис. III. 36,а при передаточная функция определяется соотношением (II 1.67).

Рис. III. 37. Схемы реверсивных тиристорных регуляторов мощности с выходом на постоянном токе: а — однопульсная схема; б — двухпульсная схема; в — схема с питанием от трехфазной сети с нулевым проводом; г — шестипульсная схема

При необходимости определения передаточной функции собственно тиристорного регулятора последняя может быть представлена, как и ранее, звеном запаздывания с временем запаздывания

Основные схемы реверсивных тиристорных регуляторов, обеспечивающих изменение знака выходного напряжения при изменении знака входного сигнала, приведены на рис. 111.37.

Наиболее просто реализуется однополупериодная реверсивная схема (рис. 111.37, а) с двумя встречно включенными тиристорам (вместо двух тиристоров можно использовать также один симметричный тиристор). Прямой полярности выходного тока соответствует открытое состояние обратной — открытое состояние Для увеличения среднего значения напряжения на нагрузке, а также для уменьшения времени переходного процесса реверсирования тока нагрузки последнюю целесообразно шунтировать конденсатором С, как это показано штриховой линией на рис. III.37, а.

Следует отметить способность работы однополупериодных реверсивных схем без дополнительных элементов в режиме класса А, когда возможно одновременное открытие обоих тактов усилителя.

Передаточная функция реверсивного однополупериодного усилителя независимо от характера нагрузки может быть представлена в виде звена с чистым запаздыванием в соответствии с выражением (111.68).

Реверсивные двухпульсные схемы с питанием от однофазной сети реализуются, например, по схеме, приведенной на рис. III.37, б. Схема содержит восемь тиристоров, включенных по четыре в две мостовые схемы.

Тиристоры образуют плечо прямого такта, а — реверсивного. Следует отметить сложность рассматриваемой схемы, обусловленной значительным числом тиристоров, требующих развязанных цепей управления.

Рассматриваемые двухпульсные реверсивные усилители могут нормально работать лишь в режиме класса В, т. е. в таком режиме, когда одновременное открытое состояние обоих плеч (тактов) усилителя не имеет места. В противном случае в схеме устанавливается путь для сквозного короткого замыкания, что может привести к выходу из строя тиристора и других элементов силовой цепи усилителя. Обеспечение работы усилителя в классе В в стационарных режимах не встречает затруднений. Однако в переходных процессах при реверсе режим класса В может нарушаться.

Для того чтобы предотвратить возможность возникновения режима короткого замыкания при реверсе, существует ряд способов. Один из них заключается в таком построении сигнала управления, при котором подача сигнала, открывающего запертое плечо, осуществляется лишь после того, как произошло запирание всех тиристоров ранее открытого плеча. Реализация этого способа возможна как за счет введения фиксированной задержки в цепи управления, действующей только при реверсе (время задержки должно превышать максимально возможную длительность открытого состояния тиристора после снятия сигнала управления), так и за счет обратной связи по току, протекающему через тиристоры, обеспечивающей соответствующую блокировку сигнала управления. Недостатком такого способа является ухудшение динамических свойств усилителя, определяемых при активно-индуктивной нагрузке временем переходного процесса, равным а также усложнение схемы усилителя.

Питание мощных тиристорных усилителей осуществляется, как правило, от трехфазной сети. На рис. 111.37, в приведена схема трехпульсного реверсивного усилителя с питанием от трехфазной сети с нулевым проводом. Работа усилителя в режиме класса А становится возможной благодаря балластным дросселям Др, включенным в силовую цепь обоих плеч. При этом одна группа тиристоров (например работает в выпрямительном режиме, а другая — в инверторном. При отсутствии дросселя Др

усилитель может работать лишь в режиме класса В и для него остаются в силе недостатки, отмеченные выше.

Шестипульсная реверсивная схема (рис. III.37, г) содержит двенадцать тиристоров и при наличии дросселей Др также обеспечивает работу в режиме класса А.

При рассмотрении передаточных функций усилителей (рис. III.37) время запаздывания может быть принято равным для схемы рис. III.37, в и для схемы рис. III.37, г.