Задача 1 Для реверсивной встречно-параллельной схемы управляемого тиристорного выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку, рассчитать: среднее значение тока вентиля; действующее значение фазного тока первичных и вторичных обмоток силового трансформатора; действующее значение фазной ЭДС вторичных обмоток силового трансформатора; максимальное напряжение на вентиле; типовую мощность силового трансформатора. Для заданного угла управления тиристорами одной из вентильных групп построить кривые: мгновенных значений токов вентилей и одной из фаз вторичной и первичной обмоток силового трансформатора; выпрямленной ЭДС на выходных зажимах выпрямителя, к которым подключается цепочка из последовательно включенных индуктивности и активного сопротивления нагрузки; выпрямленного тока нагрузки. На этом же рисунке указать передний фронт импульса управления одним из тиристоров и построить кривую опорного напряжения для одного из каналов системы импульсно-фазового управления тиристорами. Для пяти произвольных значений угла управления тиристорами одной из вентильных групп, охватывающих области выпрямительного и инверторного режимов, построить внешние характеристики выпрямителя. Для трёх произвольных значений тока нагрузки, не превышающих двукратное номинальное среднее значение выпрямленного тока, построить характеристики управления силовой части выпрямителя. В числе этих характеристик должна быть и регулировочная характеристика выпрямителя, то есть характеристика управления силовой части на холостом ходу, когда ток нагрузки равен нулю. Построить характеристику управления всего управляемого выпрямителя с учётом формы опорного напряжения системы импульсно-фазового управления тиристорами и необходимости ограничения максимального угла управления вентильной группы, работающей в инверторном режиме, значением 17 /18. Данную характеристику строить для режима холостого хода выпрямителя. Записать формулу передаточной функции выпрямителя по управляющему воздействию и рассчитать значения входящих в нее коэффициента усиления и постоянной времени, полагая, что система управления преобразователем безынерционна и сигнал управления меняется в "малом". Для случая раздельного управления вентильными комплектами описать логику раздельного управления вентильными комплектами, на основании которой разработать логическое переключающее устройство. Вариант задания выбирается из табл. 6.1 и 6.2 в соответствии с предпоследней и последней цифрами номера зачетной книжки. При указанных выше построениях считать, что коммутация тиристоров протекает мгновенно. Считать, что ток нагрузки идеально сглажен, индуктивное сопротивление нагрузки стремится к бесконечности (режим с источником тока в цепи нагрузки). Таблица 6.1 Силовая схема Трехфазная мостовая Управление вентильными группами Раздельное Форма опорного напряжения Пилообразное Таблица 6.2 Uоm Е1 Еdн Rd Lф В В В Ом Гн рад 15 220 110 1,20 0,0011 /18 Частота напряжения питающей сети 50 Гц, длина рабочего линейного участка пилообразного опорного напряжения равна рад. В табл. 6.2 приняты обозначения: Uоm - амплитуда опорного напряжения системы управления; E1 - действующее значение линейной ЭДС питающей сети; Еdн - номинальное среднее значение выпрямленной ЭДС (среднее значение выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя при угле управления одной из вентильных групп, равном /18, и отсутствии тока нагрузки); Rd - активное сопротивление нагрузки; Lф - приведенная к цепи выпрямленного тока индуктивность рассеяния фазы силового трансформатора; - угол управления тиристорами одной из вентильных групп, для которого строятся диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы выпрямителя. Указания к задаче 1 При любых расчётах питающая сеть предполагается бесконечной мощности, система питающих напряжений - симметричной и синусоидальной, фазы выпрямителя и трансформатора симметричными. Вентили считаются идеальными ключами с сопротивлениями, равными нулю в прямом направлении тока (от анода к катоду) и равными бесконечности в обратном направлении (от катода к аноду). Активные сопротивления обмоток трансформатора и реакторов предполагаются равными нулю. Различные типы силовых схем выпрямителей приведены в / 1, 5, 7-10/, принципы построения реверсивных схем управляемых выпрямителей и способы управления их вентильными комплектами - в /1, 7, 9, 10/. Согласование углов отпирания вентильными комплектами следует принять линейным. При расчёте токов и напряжений элементов схемы и типовой мощности трансформатора выпрямленный ток считать идеально сглаженным (условный расчетный режим, соответствующий индуктивности в цепи выпрямленного тока, стремящейся к бесконечности). Методика расчёта этих параметров приведена в /1, 5, 8/. Принципы построения систем управления тиристорами выпрямителей изложены в /1, 5, 8, 9/. Диаграммы токов и напряжений элементов схем управляемых выпрямителей рассмотрены в /5, 8, 9, 10/. Принципы фазировки в схемах управляемых выпрямителей, то есть распределение импульсов управления по тиристорам выпрямителя и фазы опорных напряжений каналов системы импульсно-фазового управления тиристорами по отношению к сетевым напряжениям, изложены в /1, 9/. При построении кривых мгновенных значений токов и напряжений по оси абсцисс откладываются значения текущего угла, а коммутация вентилей считается мгновенной, то есть угол коммутации = 0. Внешние характеристики управляемых выпрямителей и их расчет рассмотрены в /1, 5, 8 - 10/. Для трёхфазной мостовой схемы внешние характеристики строить только в зоне двуханодной коммутации (угол коммутации в этой зоне может изменяться с ростом тока нагрузки от нуля до /3) . Характеристики управления и регулировочные характеристики рассмотрены в /1, 7, 9/. При построении характеристик управления можно пользоваться графическими методами. Все характеристики выпрямителя строить для режима бесконечно большой индуктивности в цепи выпрямленного тока (расчетный режим с источником тока в цепи нагрузки). Принципы раздельного управления вентильными комплектами рассмотрены в /1, 9/. Алгоритм работы логического переключающего устройства в уравнениях алгебры логики приведён в /1/. На основании этих уравнений необходимо разработать схему логического переключающего устройства (до уровня стандартных логических элементов и связей между ними). Ниже приведен пример выполнения основных пунктов задачи 1 для следующего варианта задания: силовая схема управляемого тиристорного выпрямителя однофазная мостовая, реверсивная, встречно-параллельная; управление вентильными комплектами совместное; согласование углов отпирания линейное; опорное напряжение системы управления пилообразное; амплитуда опорного напряжения Uоm = 14 В; действующее напряжение питающей сети E1 = 660 В; частота напряжения питающей сети f = 50 Гц; номинальное среднее значение выпрямленной ЭДС Еdн = 440 В; активное сопротивление нагрузки Rd = 3 Ом; приведенная к цепи выпрямленного тока индуктивность рассеяния фазы силового трансформатора Lф = 0,001 Гн; угол управления тиристорами одной из вентильных групп, для которого строятся диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы выпрямителя, 1 = /6. Необходимо выполнить основные пункты задания, предусмотренные в задаче 1. Силовая схема и основные функциональные узлы системы управления рассматриваемого выпрямителя приведены на рис. 6.1. Для условного направления тока нагрузки "Вперед" используется вентильный комплект на тиристорах VS1 и VS2, а для условного направления тока нагрузки "Назад" - комплект на тиристорах VS3 и VS4. Тиристоры VS1 и VS2 включаются с углом отпирания 1, тиристоры VS3 и VS4включаются с углом отпирания 2. Системы импульсно-фазового управления СИФУ 1 и СИФУ 2предназначены для формирования отпирающих тиристоры импульсов и имеют фазо- смещающие устройства вертикального типа. Значения углов отпирания 1, 2 соответственно определяются значениями напряжений управления Uу1 и Uу2 на входах СИФУ 1 и СИФУ 2. Напряжения управления снимаются с выхода блока согласования характеристик БСХ, который формирует их в функции напряжения управления преобразователем Uу таким образом, что при регулировании выпрямленного напряжения во всем диапазоне между углами отпирания поддерживается соотношение 1 + 2 = . В рассматриваемом примере угол 1 = /6, а угол 2 = - /6 = 5/6. На рис. 6.1 обозначены: e1 - мгновенная ЭДС питающей сети; i1 - мгновенный ток первичной обмотки трансформатора; e2a, e2b - мгновенные ЭДС вторичных обмоток трансформатора относительно точки 0 ; i2a, i2b - мгновенные значения токов вторичных обмоток трансформатора и токов вентилей; ed - мгновенное значение выпрямленной ЭДС; id - мгновенное значение выпрямленного тока; Zd - активно-индуктивная нагрузка; УР - уравнительные реакторы. С учетом указанного в условии ограничения минимального угла отпирания в любой из вентильных групп значением min = /18 находим требуемое максимальное среднее значение выпрямленной ЭДС В. Среднее значение выпрямленной ЭДС при угле = /6 В. Полагая, что вентили - идеальные ключи и активное сопротивление фаз, с учетом табл. 2.1 определим внутреннее сопротивление преобразователя Среднее значение тока отпирания 1 = /6 равно нагрузки в Ом. направлении "Вперед" при угле А. С учетом соотношений из табл. 2.1 имеем: среднее значение тока вентиля А; действующее значение фазного тока вторичной обмотки трансформатора, равное действующему значению тока вентиля, А; действующее значение фазной ЭДС вторичных обмоток трансформатора В; максимальное напряжение на вентиле В; типовая мощность силового трансформатора ВА. Требуемое значение коэффициента трансформации силового трансформатора . С учетом табл. 2.1 действующее значение фазного тока первичной обмотки трансформатора А. Амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора В. На рис. 6.2 показаны диаграммы токов напряжений в схеме выпрямителя, построенные с учетом выполненных расчетов при-нятых на рис. 6.1 обозначений. На рис. 6.2, а приведены мгновенные значения фазных ЭДС вторичных обмоток трансформатора; на рис. 6.2, б выпрямленная ЭДС между точками 1 и 0 силовой схемы; на рис. 6.2, в выпрямленная ЭДС между точками 2 и 0; на рис. 6.2, г - выпрямленная ЭДС на выходе выпрямителя (между точками 3 и 0); на рис. 6.2, д - ток нагрузки; на рис. 6.2, е - фазный ток одной из вторичных обмоток; на рис. 6.2, ж - фазный ток первичной обмотки; на рис. 6.2, з - опорное напряжение и напряжение управления; на рис. 6.2, и напряжение импульса отпирания для тиристора VS1. Мгновенные значения выпрямленной ЭДС на выходе выпрямителя определяются как и и . Уравнение характеристик управления силовой частью (вентильной группой из тиристоров VS1, VS2, VS3), то есть зависимостей среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления при фиксированных токах нагрузки, . (6.1) На рис. 6.3 приведены построенные по (6.1) характеристики управления силовой части, где в качестве аргумента используется угол 1, а в качестве параметра выпрямленный ток Id. Характеристика для Id = 0 называется регулировочной характеристикой выпрямителя. Характеристика управления СИФУ 1 при пилообразном опорном напряжении с учетом выражения (2.57), где л = ;Uпm = 14 В; =1, имеет вид . (6.2) Для выполнения указанного условии ограничения максимального в угла отпирания 1 значением 17/18минимально е значение напряжения управления с учетом (6.2) равно Так как управление вентильными комплектами совместное при линейном согласовании углов отпирания, то минимальное значение угла отпирания 1 так же будет не менее - 17/18 = /18 . Соответственно максимальное значение напряжения управления с учетом (6.2) не более В. Уравнение характеристики управления реверсивного выпрямителя при токе нагрузке Id = 0, с учетом выражения (2.58) и подстановок в него соответствующих расчетных величин, имеет вид . (6.3) На рис. 6.4 приведены характеристики реверсивного выпрямителя, построенные по (6.3) и с учетом изменения напряжения управления в пределах . Внешние характеристики реверсивного выпрямителя, с соответствующих подстановок расчетных величин в это выражение, учетом (6.4) (2.61) и . (6.5) На рис. 6.5 приведены внешние характеристики построенные по (6.5) полагая, что выпрямленный ток изменяется от -150 А до +150 А, а напряжение управления меняется в пределах (6.4). Приближенное значение коэффициента передачи выпрямителя можно определить следующим образом. Номинальное значение выпрямленной ЭДС Edн = 440 В. Этой ЭДС соответствует по условию задачи угол управления 1 = /18 и как следует из (6.2), напряжение управления Uун = 12,44 В. Коэффициент усиления выпрямителя будет . Передаточная функция выпрямителя по управляющему воздействию в соответствии с (2.63) . Постоянная времени чистого запаздывания, как показано в /7/, равна (6.6) с, где p = 2 - пульсность выпрямления однофазной нулевой схемы. После подстановки в (6.6) найденных значений коэффициента усиления и постоянной времени имеем . Если вариант задачи предусматривает анализ процессов в реверсивных схемах выпрямителей с раздельным управлением вентильными комплектами, то необходимо помнить, что в процессе работы выпрямителя импульсы управления подаются только на один из вентильных комплектов и в работе участвует только этот комплект. Поэтому кривая мгновенных значений выпрямленной ЭДС на выходе выпрямителя полностью будет соответствовать кривой мгновенных значений выпрямленной ЭДС работающего комплекта.