Узел искусственной коммутации на тиристорах для шестифазного преобразователя с уравнительным реактором Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА Том 161 4 1967

УЗЕЛ ИСКУССТВЕННОЙ КОММУТАЦИИ НА ТИРИСТОРАХ ДЛЯ ШЕСТИФАЗНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С УРАВНИТЕЛЬНЫМ РЕАКТОРОМ

А. И. ЗАЙЦЕВ, Ю. М. АЧКАСОВ, М. А. БОРОВИКОВ, В. Н. МИШИН, А. А. КУВШИНОВ, В. П. ОБР.УСНИК, В. И. ЧИРЬЕВ

В большинстве вентильных преобразователей выпрямленно^е напряжение регулируется путем изменения угла отпирания вентилей а. При увеличении угла а коэффициент мощности вентильных преобразователей рез^о уменьшается. В настоящее время только ртурные выпрямители преобразуют свыше 15% всей производимой электроэнергии в стране. Поэтому повышение коэффициента мощности преобразовательных агрегатов является весьма важной народнохозяйственной задачей.

На возможность создания вентильных схем с искусственной коммутацией для генерации реактивной энергии указывал Г. И. Бабат [1], ряд схем был разработан И. Л.Кагановым [2] И. М. Чиженко [3] и др.

Несмотря на большое количество разработанных £хем и способов искусственной коммутации, практическое применение нашли лишь компенсационные агрегаты, созданные в Киевском политехническом институте (КПП) под руководством И. М. Чиженко. Однако, схема КПИ требует относительно большого увеличения установленной мощности дополнительного оборудования, в основном за счет трехфазной уравнительной катушки.

Ниже рассматривается простая схема искусственной коммутации тока в шестифазном выпрямителе с уравнительным реактором, состоящая из коммутирующего конденсатора С и коммутирующих управляемых вентилей В\ и В и (рис. 1).

Рассмотрим работу преобразователя с узлом искусственной коммутации, начиная с момента временя когда конденсатор С заряжен полярностью, указанной на рис. 1, причем напряжение на нем

Цс > е2а —

Временные диаграммы, поясняющие работу и назначение отдельных элементов схемы, представлены на рис. 2.

Предположим, что ток пропускают силовые вентили В! и Вб. В мо-мент времени, когда нужно искусственно выключить вентиль Вь открывается вент.ишь Вь К этому моменту на сетке вентиля В1 должен быть запирающий потенциал.

1б7

Конденсатор С начинает разряжаться на работающий вентиль Вь пропуская через него ток в непроводящем направлении. Через промежуток времени, равный времени коммутации уь ток с главного вентиля В1 переходит на коммутирующий В I и на другой главный Вб. Затем

коммутирующий конденсатор разряжается до перезаряжается постоянным током, равным половине тока нагрузки.

Когда снижающееся напряжение Ис сравнивается с фазовым напряжением в цегТй выходящего из работы вентиля В! и затем становится меньше его, создаются условия для повторного зажигания этого вентиля. Чтобы предупредить это, нужно так подобрать величину емкости С, чтобы при данном токе нагрузки сравнивание напряжений ис и е2а происходило не ранее чем через промежуток времени

где 8 — время дионизации вентиля после гашения.

Когда напряжение на конденсаторе достигнет величины

г/с = е2г — е2в

создадутся условия для включения вентиля В3. К этому времени на его сетке должен быть положительный потенциал.

Под действием увеличивающегося напряжения е-ъ за промежуток времени, равный времени коммутации ток с коммутирующего вентиля Вд переходит на главный Вз.

В результате конденсатор С оказался заряженным противоположной полярностью до напряжения.

С. С У.

Рис. 7.

©

МИН - Т1 ^

Ус > е2г — е2в.

Затем открывается коммутирующий вентиль £]} конденсатор снова перезаряжается, производя коммутацию тока с вентиля Вб на вентиль В4.

%а

"и

ст

а

сег

Кс

с о

Udi

у г х </ г х -у^ооог ,

_ i

1 ^ !

1 'А ¡А i1 1 1 д \ 1 / \ 1 / !\

•лН^ XI Л/ V AI-V-

vXX-

Хр

Рис. 2.

Рис. 3.

Этот процесс повторяется с тройной частотой питающей сети, причем полезно используется заряд обоих знаков.

При проектировании узла искусственной коммутации задача сводится к выбору величины коммутирующей емкости в зависимости от нагрузки и параметров преобразователя. Схема замещения рабочего контура узла искусственной коммутации при переходе тока с главного вентиля, выходящего из работы, на коммутирующий (первая коммутация) представлена на рис. 3.

Анализ проведем при следующих допущениях:

1. Параметры контура коммутации, ток нагрузки и фазные напряжения трансформатора в течение времени выключения остаются неизменными.

2. Величины падений напряжения на вентилях равны и не зависят от протекающего тока.

Процесс коммутации тока с выключаемого вентиля в цепь коммутирующего описывается следующими уравнениями:

e2z- Д£/а +Д1Л

¿2а

L-^ + hR-L^-i.R+U,

ld

h —~«r'~f~t"c

. _rduc

W

где С — величина коммутирующей емкости;

RuL — активное сопротивление и индуктивность фазы трансформатора;

/d, tc, ¿!, ¿2 — токи нагрузки, конденсатора, вентилей Вх и ^соответственно;

Aí/a — внутреннее падение напряжения в вентиле. Учитывая начальные условия

UC = UC0, ic = О

получим решение системы уравнений (1):

Uc = е« (Uco + A(-J- sin pf - eos pf) + ДЯХ; (2)

где

1с=щ-е°*(иС0 + АЕ1)$\п№1 (3)

/

Д£! = е2г— — а); ____

И 2ТУ

о ,/ 1 г

р г 4 Г2"

Продолжительность первой коммутации найдем из условия:

Подставив (4) в (3) и разложив в ряд Маклорена показательную и тригонометрическую функции, получим приближенно:

Условием надежного выключения силового вентиля является

(Uc)t=n+,= АЕг. (6)

Поэтому, учитывая, что после коммутации конденсатор разряжается постоянным по величине током,

ЬЕг = (Uco+bEJ (у-sin pTl - cos PYi ) + (7)

Решив совместно ,(5) и (7), получим величину начального напряжения на коммутирующем конденсаторе:

^ зТПс (УШ + Ь) - ДЕг. (8)

После погасания силовдго вентиля по конденсатору протекает постоянный ток, равный -у-. Время протекания постоянного тока при условии

(^с)<=п-Ип = (9)

Определится из формулы:

+ (10)

где

Д£а = e2z — е2в = um cos --а + ш ^ + tn ) j

Схема замещения рабочего контура узла искусственной коммутации при переходе тока с коммутирующего вентиля на главный, вступающий в работу (вторая коммутация), дана на рис. 4. Она отличается от предыдущей только значениями фазных напряжений трансформатора. Поэтому дифференциальное уравнение, описывающее Л процесс второй коммутации, бу-дет иметь тот же вид (1), только вместо ДЕх в него войдет Д£2.

Учитывая начальные условця

и

Ut

i, i<¿— 2

получим решение уравнений (1) для второй коммутации:

+ (11)

¿с - е^ (с sin р/ + р cos р/). (12)

Условием окончания процесса перезаряда коммутирующего конденсатора является:

(íc)i=7a = О

(í/c)f = 72 = ^СО

Рис. 4.

(13)

Подставив (13) в (12), получим продолжительность второй коммутации:

2 LRC /т/4 Т х Л

Т2"2КС /

(14)

Полное время перехода тока с одного главного анода на другой должно подчиняться условию:

1

*KS <

2/к'

(15)

где tкъ = 71 + *п + Та5

150 гц— частота коммутации.

После подстановки (14) в (11) и разложения показательной и тригонометрической функций в ряды Маклорена получим:

Uc

(16)

Приравняв (8) и (16), получим уравнение второй степени относительно емкости С. Решение его дает минимальную емкость коммутирующего конденсатора, достаточную для надежной коммутации:

С = -^[0,443Д£ + 0,3/^- V /Л0,1481Д£ + 0,096/^2)], (17)

где А£=='А£1 + АЯ2.

Зная емкость и напряжение на конденсаторе, можно подсчитать необходимую установленную мощность конденсаторов в узле искусственной коммутации. Конденсаторы, применяемые в энергосистемах для улучшения коэффициента мощности, маркируются обычно при промышленной частоте 50 гц. Поэтому установленная мощность конденсато-

171

*

ров, приведенная к частоте 50 гц в предполвжении, что форма напряжения на конденсаторах близка к синусоидальной, будет определяться выражением из [2]:

Q с=—

U С

(0.

Подставив (16) в (18) ,получим:

в,-Г

(1).

(18)

(19)

Для оценки коэффициента мощности преобразователя с искусственной коммутацией, а также для определения коэффициента эффективности использования конденсаторов предположим? что индуктивность нагрузки бесконечно велика, то есть ток нагрузки идеально сглажен. В этом случае вторичный ток силового трансформатора будет иметь формулу трапеций (рис. 5).

После приближенного разложения кривой переменного тока в ряд Фурье получим действующее значение первой гармонической тока

г

СОБ

X

X

cosfe-^)

(20)

и угол сдвига первой гармонической

V

Рис. 5.

ф(1) = а

где =о>гКЕ, Vn = (0tn .

KS

(.21)

Реактивная мощность, генерируемая преобразователем:

Q = 3(7/(i) sin ф()) =

= 3(7^ cos cos

(х

*kS + "п

sin(a-.^-), (22)

4 "46 4

где и — действующее значение фазного напряжения трансформатора.

Отношение выражений (22) и (19) даст коэффициент эффективности использования конденсаторов.

Экспериментальная проверка рассмотренной схемы искусственной коммутации проводилась на установке с тиратронами типа ТГ1-5/3. В качестве коммутирующих вентилей использовались тиристоры типа Д-238Г. Проведенные опыты показали хорошую работоспособность схемы. Коэффициент эффективности использования конденсаторов достигал величины 4,54-5.

Подобные схемы рекомендуется применять в тех случаях, когда значительное снижение выпрямленного напряжения, как в схеме КПИ, не допускается. 172

ЛИТЕРАТУРА

1. Г. И. Б а б а т, Я. А. К а ц м а н. Тиратронные преобразователи с улучшенным коэффициентом мощности и тиратронные компенсаторы. Электричество, 1937, № 4.

2. И. Л. Каганов. Электронные и ионные преобразователи, ч. III, ГЭИ, 1956.

3. И. М. Ч и ж е н к о. Схема преобразования электрического тока «звезда-прямая и обратная звезды с уравнительными катушками и коммутирующими конденсаторами». Известия КПИ, том XXII, Киев, 1957.