jCd=feoo, резистор с сопротивлением /?((=0,5 Ом и источник противг-ЭДС £d=150 В. Напряжение вентильной обмотки преобразовател! ного трансформатора Us=lOO В. Реактивное сопротивление контура коммутации Х^=0,314 Ом. Угол управления 0=60°. Определить продолжительность воздействия обратного напряжения на тиристор. Ответ: =1,67 мс.

Пример 2.34. К трехфазной сети 380/220 В через трехфазный трансформатор с обмотками, соединенными по схеме звезда - звезда , и управляемый выпрямитель оо схемой соединений ЗФШЗП подключен двигатель постоянного тока. Торможение двигателя рекуперативное посредством перевода управляемого выпрямителя в инверторный режим.

Определить необходимый угол управления, если отдаваемая мощность P=£d/<j=27,5 кВт. Определить значение угла коммутации. Двигатель следует рассматривать как нагрузку с параметрами £<г=250 В, /?d=0,07 Ом, idoo. Индуктивность

-tQ>-

Рис. 2.145. Схема выпрямителя к примеру 2.39.

контура коммутации i. =1 мгН; результирующее сопротивление на фазу, отнесенное к стороне вентильной обмотки, /?s=0,01 Ом; /гтр=1. Среднее значение падения напряжения на тиристоре не зависит от тока и равно 1,7 Б. В каждом плече преобразователя имеется по одному тиристору.

Ответ: а=150°; у=25°. Пример 2.35. Определить среднее значение тока нагрузки управляемого вьшрямителя Id со схемой соединений 6Ф1Н6П. Дано: Us=llO В, а=60°, Rd=l Ом. Вентили идеальные.

Ответ: /d=74,3 А.

Пример 2.36. Управляемый преобразователь со схемой соединений ЗФ1Н6П питает через уравнительный реактор с индуктивностью Ldoo нагрузку, состоящую из резистора с сопротивлением Rd=2 Ом. Выпрямленное напряжение преобразователя при угле управления а=0 составляет f7d==300 В. Какой нужно установить угол управления, чтобы получить среднее значение тока нагрузки /d=120 А, и какой при этом будет угол коммутации?. Реактивное сопротивление контура коммутации л^=0,209 Ом, активное сопротивление трансформатора и падения напряжения на вентилях выпрямителя пренебрежимо малы.

Ответ: 0=28,6°; у=15,4°.

Пример 2.37. Выпрямитель со схемой соединений ЗФ2Н6П работает на активную нагрузку. Определить изменение вьшрямленного напряжения в процентах после пробоя вентиля в одном из плеч моста. Вентили идеальные.

Ответ: AUd=WM%.

Пример 2.38. Управляемый преобразователь со схемой соединений ЗФ1Н6П работает на нагрузку, состоящую из последовательно соединенных реактора с индуктивностью Ld и резистора с сопротивлением Rd=5 Ом. Действующее значение фазного напряжения

вентильной обмотки 11=220 В, угол управления 0=30°. Определить действующие значения тока нагрузки и тока тиристора. Преобразователь идеальный.

Ответ: /=-51,5 А; /т=21 А.

Пример 2.39. Через трехфазный мостовой полууправлясмый выпрямитель питается двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 2.145). Дано: Ldsoo, Ra=2 Ом, £110 В. Определить мощность (P=EaId) двигателя, если Ls=100 В и а) а=30°; б) =90°. Трансформатор и вентили идеальные.

Ответ: а) /=54 А; Р=594 кВт; б) /d=35 А; Р=385 кВт.

Пример 2.40. Прямая вольт-амперная характеристика диода выпрямителя может быть приближенно выражена формулой Д(Уд= =0,9--10-1д. Определить потери мощности в диоде при его работе со схемой соединений ЗФ2Н6П с током нагрузки /=100 А. Нагрузка преобразователя состоит из последовательно соединенных резистора с сопротивлением Ra и реактора с индуктивиостями

Ответ: Р=36,7 Вт.

Пример 2.41. Через трехфазный мостовой управляемый преобразователь питается нагрузка, состоящая из резистора с сопротивлением Rd и реактора с индуктивностью Ld = o°. Дано: Lls = = 220 В, /d = 100 А, /?d = 2,225 Ом. Определить значение тока нагрузки после срабатывания предохранителя в одной из фаз, если моменты подачи управляющих импульсов не изменились.

Ответ: ld=G. (До срабатывания предохранителя угол управления был равен а=64,4°. Если бы проводимость была непрерывной, то Vd должно было быть меньше нуля.)

1 Пример 2.42. Выпрямитель работает на нагрузку, состоящую из последовательно соединенных резистора и реактора с индуктивностью Ld-<x>. Для питания преобразователя

Рис. 2.146. Схема выпрямителя к примеру 2.43.

Рис. 2.147. Схема выпрямителя к примеру 2.44.

предполагается использовать силовой трансформатор с номинальной мощностью Shom=1200 кВ-А, напряжениями 380/380 В и схемой соединения обмоток треугольник - звезда . Выпрямитель и трансформатор идеальные. Определить, в какой из схем -ЗФШЗП или в трехфазной мостовой - допустима большая нагрузка на стороае постоянного тока без перегрева обмоток трансформатора.

Ответ: Поскольку /shom=1,817 кА и /j>hom=1,05 кА, допустимые токи будут:

Q q 129

Допустимая нагрузка па стороне постоянного тока составит в схеме ЗФШЗП Pd=810 кВт, в трехфазной мостовой Р<г=1145кВт.

Пример 2.43. Определить действующие значения токов i, в вентильных обмотках двух трансформаторов (оба трансформатора однофазные с йтр=1) преобразователя, схема которого изображена на рис. 2.146, еслп Uab=Ubc = Uca = 220B, i/?d = 10 Ом, Ldoo. Трансформаторы и вентили идеальные.

Ответ: /=24,3 А.

Пример 2.44. Определить показания вольтметра электродинамической системы и амперметра в схеме, показанной на рис. 2.147, если Us=lOO В, f=50 Гц, Pd=10 Ом.

Ответ: f/d=124 В; / icp=0,367 А.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ ПРЕРЫВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Прерыватели переменного тока представляют собой электронные ключи, позволяющие включать или отключать нагрузку в цепи переменнО'ГО тока или регулировать ее мощность.

Прерыватели перемеинопо тока могут классифицироваться IB зависимости от различных факторов (способа управления, числа фаз, схемы соединений, вида нагрузки). Наиболее общая классификация прерывателей переменного тока как электронных ключей основывается иа способе управления: ключ типа контактора. Этот тип электрического ключа подобно механическому контактору служит только для В1ключбния или отключения цепи. После включения напряжение на нагрузке равно напряжению питания;

управляемый ключ отличается от контактора тем, что для снижения переходных токов, сопровождающих 130 .

процесс включения, П'Ослё вклЮЧеййя вводится йерехОД-ный период уиравления. На практике это осуществляется уменьшением угла управления ю заранее установленной скоростью;

регулируемый ключ представляет собой электронный ключ, у которого может регулироваться угол управления, а зиачит, и мощность в цепи переменного тока. Форм1а кривой напряжения на нагрузке отличается от формы кривой напряжения источников питания. Напряжение и ток обычно содержат много гармоник. Основная

Ai Аг

т

Ркс. 3.1, Схемы однофазных прерывателей переменного тока.

гармоника имеет ту же частоту, что и частота напряжения питания. Ток основной гармоники отстает от напряжения питания по фазе. Угол отставания зависит от (ВИда нагрузки и угла управления. Такие ключи потребляют реактивную мощ'ность [8].

В ключах Bicex трех типов может использоваться одна и та же силовая схема, отличия могут быть только в наз|Начении и исполнении цепей управления. В силовых схемах прерывателей переменого тока в качестве основных элементов используются тиристоры, симметричные триодные тиристоры и диоды. Из .свойсив тиристоров следует, что управляющий сигнал включает прерыватель переменного тока практически без задержки и что после прекращения подачи сигнала ток в цепи прекратится в момент прохождения его через нуль.

Однофазные прерыватели переменного тока. Наиболее часто встречающиеся схемы соединений представлены на рис. 3.1.

На рис. 3.1, а показана полностью управляемая однофазная симметричная схема тиристор - тиристор . Нагрузка присоединяется к питающей сети через два 9* 131

Тиристора, соединенных ВСтречно-параллельно. Для того чтобы .один из тиристоров мог начать проводить ток, к нему должно быть приложено прямое напряжение, а к управляющему электроду - управляющий сигнал. Два тиристора, соединенных встречно-параллельно, могут быть заменены одним симметричным триодным тиристором (симистором). Если управление симметрично в течение двух полупериодов, то напряжение на нагрузке не будет иметь постоянной составляющей.

Рис. 3.2. Схемы трехфазных симметричных полностью управляемых прерывателей переменного тока.

На рис. 3.1,6 показана однофазная полууправляемая схема тиристор - диод . Ее применение ограничено вследствие того, что, BO-inepEbix, энергия будет продолжать передаваться каждый полупериод после пре-рыван'ия управляющего сигнала и, во-вторых, напряжение на нагрузке имеет постоянную составляющую, если угол управления тиристора отличен от нуля, а проводимость прерывистая (5, 8].

На рис. 3.1, в показана упрощенная схема соединений прерывателя переменного тока. Напряжение на нагрузке может регулироваться одним тиристором, включенным в диагональ однофазного диодного моста. Схема работает точно так же, как и полностью управляемая симметричная схема.

Трехфазные прерыватели переменного тока. Подобно однофазным схемам трехфазные схемы могут быть разделены на три группы.

На рис. 3.2 приведено несколько трехфазных симметричных полностью управляемых схем соединений тиристор- тиристор . В схеме на рис. 3.2, а нейтраль звезды выведена, а в схемах на рис. 3.2, бив она изо-

лирована. Очевидно, что схемы соединений с изолированной нейтралью пригодны для питания нагрузок, соединенных в треугольник или звезду. Схема соединений с выведенной нейтралью имеет то преимущество, что напряжение на тиристорах меньше, о ее недостаток состоит в том, что нейтраль нагружается значительными токами высших гармоник, когда углы управления тиристоров отличны от нуля [6].

Работа схемы с изолированной нейтралью будет зависеть от того, как управляются J * JL X * JL два тиристора, соединенные JfJ -/Т Т. встречно-параллельно, а также -

от того, используются ли в качестве коммутационного элемента два тиристора, соеди- ненные встречно-параллельно, 33 хема трехфазного или один симметричный триод- симметричного полууправ-ный тиристор. ляемого прерывателя пере-

На рис. 3.3 показана трех- менного тока,

фазная полууправляемая схема соединений тиристор - диод . Нагрузка может быть соединена в звезду или треугольник. В отличие от однофазной схемы соединений тристор - диод в трехфазной схеме ток не будет протекать через нагрузку после прерывания управляющих сигналов и перехода тока через нуль, так как имеется тиристор, соединенный встречно-параллельно каждому диоду. Напряжение на нагрузке не имеет постоянной составляющей, но кривые напряжения для любой данной нагрузки и угла управления в течение двух пояуп ер йодов различны [5, 8]. Напряжения на тиристорах больше, чем на тиристорах в полностью управляемых схемах.

На рис. 3.4 представлены две упрощенные схемы. На рис. 3.4, а показана схема соединения тиристор - тиристор , в которой тиристоры имеются в двух фазах, а третья фаза присоединена непосредственно к нагруз,-ке. Преимущество этой схемы состоит в меньшем числе тиристоров и схем управления. Недостаток схемы: при симметричном управлении, коммутирующими элементами формы кривых напряжений и токов в различных фазах неодинаковы и их действующие значения заметно различаются [5, 8]. Фазные напряжения могут быть в ка-

Кой-тб степени симметрированы При помощи асимметричного управления тиристорами. Напряжение на управляемых элементах такое же, как и в полууправляемой схеме.

На рис. 3.4, б показана схема с тремя тиристорами, соединенными в треугольник и введенными в нейтраль звезды нагрузки. Это решение можно принять только в

Рис. 3 4. Упрощенные схемы трехфазных прерывателей переменного

случае возможности разрыва нейтрали звезды нагрузки. Преимущество этой схемы заключается в отсутствии диодов, но при полностью открытых тиристорах их среднее значение тока в 1,5 раза больше, чем в схеме на рис. 3.3 [5]. Напряжение на тиристорах в этих двух схемах одно И то же.

Упрощенная схема соединений тиристор - диод (с вентилями только в двух фазах) не имеет практического применения, так как ток будет проходить через нагрузку даже при отсутствии управляющих сигналов.

Проектирование силовой схемы прерывателя переменного тока представляет собой комплексную задачу. Даже в установившемся режиме ток и напряжение на вентилях имеют квазистационарный характер. Задачи, представленные ниже, относятся только к работе прерывателей в установившемся режиме.

При выборе элементов прерывателей по току и напряжению потери мощности должны определяться исходя из формы кривой тока, проходящего через полупроводниковые приборы. Потери в полупроводниковом приборе практически равны потерям от прямого тока, которые в свою очередь зависят от среднего и действующего з.начений о-ока элемента и его прямой вольт-ам-

периой характеристики. Графики, называемые характеристиками управления, показывают зависимость от угла управления токов отдельных вентилей, тока нагрузки, действующих и мгновенных значений напряжения на нагрузке >в установившемся режиме [5, 8, 22]. Несколько таких характеристик управления приводится ниже при решении задач. Можно выбрать подходящий вентиль, зная потери мощности в нем и параметры охлаждения

Рис. 3.5. Схемы прерывателей переменного тока, предназначенных для изменения порядка следования фаз (направления вращения

двигателя). а - симметричная схема; б - упрощенная схема.

(среднюю температуру, тепловое сопротивление и допустимую температуру слоя вентиля, тепловое сопротивление блока охладедения). Значение di/dt на управляемых вентилях может быть найдено для каждой выбранной схемы соединений, вида нагрузки и угла управления.

В установившемся режиме напряжение на полупроводниковых вентилях может быть разделено на два вида:

стационарное напряжение, зависящее от схемы соединений, нагрузки, ивменений в напряжении пи1тания и противо-ЭДС;

переходное напряжение, определяемое коммутациями и внешними перенапряжениями. Переходное напряжение зависит от амплитуды и длительности перенапряжений, от характеристик вентилей и используемых средств защиты от перенапряжений.

Скорость нарастания прям10го напряжения du/dt на тиристорах зависит от схемы соединений, вида нагрузки и угла управления,

Область применения прерывателей переменного тока разнообразна. В качестве ключей тина контактора и управляемых ключей они часто используются в нагревательных системах (электропечах сопротивления, домашних электронагревательных приборах и т. д.), в свароч1НЫх устройствах, а также для коммутации однофазных и трехфазных двигателей.

При помощ,и трехфазных прерывателей переменного тока двигатели можно не только включать и отключать, но и реверсировать [23, 24]. На рис. 3.5 приве-

Рис. 3.6. Схема прерывателей переменного тока, предназначенных для регулирования питающего напряжения выпрямителей.

ден пример применения прерывателя для реверсирования двигателя. На рис. 3.5,а показан полностью управляемый симметричный ключ для изменения порядка следования фаз (т. е. для реверсирования направления вращения). На рис. 3.5,6 дана упрощенная схема, используемая для этих же целей.

Прерыватели переменного тока в качестве управляемых ключей используются для регулирования мощности в устройствах электронагрева точечной и полосовой сварки, а также для регулирования скорости и момента вращения двигателей переменного тока. Они широко используются для регулирования питающего напряжения выпрямителей на низком напряжении с большими токами и выпрямителей ВН с малыми токами (рис. 3.6).-Этот способ регулирования нмеет то преимущество, что При нем исключается необходимость параллельного или 156

последовательного соединения управляемых вентилей, при котором могут потребоваться очень сложные электрические схемы управления и защиты от сверхтоков и перенапряжений.

Из-за многообразия проблем, затрагиваемых этой темой, нам не удалось так выбрать задачи, чтобы они охватывали все аспекты. Поэтому представлены лишь методы расчета прерывателей неременного тока и даны типичные примеры.

3.2. ЗАДАЧИ ПО ОДНОФАЗНЫМ ПРЕРЫВАТЕЛЯМ ПЕРЕМЕННОГО

Задача 3.1. Однофазный прерыватель переменного тока тиристор-тиристор включен в цепь резистора (рис. 3.7). Определить среднее и действующее значения тока тиристоров и нагрузки, а так-Я{е потери в тиристорах. Построить зависимость коэффициента формы тока тиристора от угла направления.

Вольт-амперная характеристика тиристора определяется формулой

Ыт=£/то--т1т,

где t/то-0,8 В, ?т-2 мОм. Напряжение питания £/=220 В, активное сопротивление нагрузки R=2 Ом. Тиристоры имеют симметричное управление; а=60°.

2 и„

Рис. 3.7. Схема к задаче 3.1. Рис. 3.8. Диаграмма мгновенных значений тока и напряжения на нагрузке в схеме на рис. 3.7.

Решение. На рис. 3.8 показаны кривые напряжения и тока нагрузки. Ток нагрузки пропускается тиристором в положительный полупериод и тиристором в отрицательный полупериод. Благодаря симметричности управления среднее /т.ср и действую.щее /т значения токов в обоих тиристорах равны:

1 cV2U У^и

СР= J -smfoto/ = -2;;(l--cosa) =

V2-220 2п-2

-(1 -Ь cos 60 ) =37,2 А;