docKomutacja w przekształtniku tyrystorowym
download 
Reklamacja Transkrypt
Komutacja w przekształtniku tyrystorowym
Energoelektronika Elektrotechnika III rok Komutacja w przekształtniku tyrystorowym Instrukcja do ćwiczenia © Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH Kraków 2006 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 1. INFORMACJE WSTĘPNE. 2 Prostowniki są to układy przekształcające energię prądu przemiennego na energię prądu stałego (jednokierunkowego). Rozróżnia się dwie podstawowe rodzaje prostowników. Prostowniki niesterowane zwane również diodowymi, oraz prostowniki sterowane. O ile w pierwszym przypadku struktura prostownika opiera się na diodach, o tyle w drugim układ może być zbudowany z diod i tyrystorów (prostownik półsterowany), bądź wyłącznie z tyrystorów (prostownik w pełni sterowany). Zaletą prostowników diodowych jest prostota konstrukcji (brak specjalnych układów sterujących), ich wadą jest natomiast to iż w przypadku potrzeby uzyskania regulacji napięcia zachodzi konieczność stosowania dodatkowych układów, bądź też specjalnych transformatorów. Wady tej nie posiada prostownik sterowany. Dzięki sterowaniu fazowemu tyrystorów uzyskuje się bezstopniową regulacje napięć i prądów wyprostowanych. Zaletą tych układów jest również to, że w zależności od wartości kąta załączenia tyrystorów, oraz od rodzaju odbiornika, mogą one przekazywać energie w kierunku od linii zasilającej do odbiornika (praca prostownikowa) lub też w kierunku od odbiornika do linii zasilającej (praca falownikowa). Dzięki temu zwiększa się sprawność całego układu, w skład którego wchodzi prostownik i odbiornik. Pomimo swych zalet prostowniki sterowane mają również swe wady. Jedną z nich jest negatywne oddziaływanie tych przetworników na siec energetyczną. Ponieważ są to układy nieliniowe pobierają one moc bierną. dodatkowo powodują one generację w sieci wyższych harmonicznych prądu, które to dodatkowo nagrzewają przewody linii zasilającej oraz zniekształcają przebieg napięcia zasilającego. W linii zasilającej generowane są też wyższe harmoniczne o częstotliwości radiowo-telewizyjnej (0,15÷30 MHz). Negatywne wpływy prostowników sterownych na sieć można wyeliminować poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów oraz kompensatorów mocy biernej. Układy te podnoszą niestety koszty związane z budową przekształtników. 2. PROSTOWNIK STEROWANY GWIAZDOWY TRÓJPULSOWY. Na poniższym rysunku przedstawiony jest schemat prostownika trójpulsowego sterowanego. Jego nazwa pochodzi od liczby tętnieniowej „p” , która oznacza w tym przypadku iż na jeden okres napięcia przemiennego wejściowego przypadają trzy impulsy napięcia wyjściowego. Jest on zasilany z transformatora trójfazowego z wyprowadzonym przewodem neutralnym. Konieczność stosowania transformatora wiąże się ze specyfiką pracy prostownika trójpulsowego. Łatwo zauważyć iż prąd stały odbiornika przepływa przez przewód neutralny. Obciążanie przewodu neutralnego linii jest w wielu przypadkach niedopuszczalne. Zasilanie przekształtnika trójpulsowego za pośrednictwem dławików sieciowych bezpośrednio z linii trójfazowej dopuszczane jest tylko w przypadku zasilania odbiorników o mocach do kilkunastu kilowatów. UT U2A A B U 2B T1 U 2C T2 C Ud T3 id Z Odb Schemat przekształtnika trójpulsowego z transformatorem Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 2 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 3 Impulsy bramkowe tyrystorów są przesunięte wzajemnie o kąty fazowe równe 2π / 3 . Jeżeli kąt przewodzenia tyrystorów przekształtnika tójpulsowego są mniejsze niż 2π / 3 to przez odbiornik (niezależnie od jego rodzaju) płynie prąd impulsowy. Przy kącie przewodzenia tyrystorów równym 2π / 3 występuje prąd ciągły. Na poniższych rysunkach przedstawione zostały przebiegi czasowe prądu i napięcia odbiornika czysto rezystancyjnego oraz przebiegi impulsów bramkowych przy przewodzeniu impulsowym i ciągłym. α u id u2 A u2B u2C u2 A ud π id iGT 3 iG ωt 2π iGT 2 iGT 1 iGT 3 iGT 1 ωt Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego oraz impulsów bramkowych w prostowniku sterowanym trójpulsowym zasilającym odbiornik czysto rezystancyjny przy przewodzeniu impulsowym u id α ud id π u2B iG iGT 1 u2C iGT 2 ωt 2π u2 A iGT 3 u2B iGT 1 u2C iGT 2 ωt Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego oraz impulsów bramkowych w prostowniku sterowanym trójpulsowym zasilającym odbiornik czysto rezystancyjny przy przewodzeniu ciągłym Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 3 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 4 W zakresie przewodzenia impulsowego, przy zasilaniu odbiornika czysto rezystancyjnego, wyłączenie tyrystorów następuje w chwilach osiągania przez odpowiednie napięcie fazowe wartości równych zeru. Wartość średnia napięcia wyprostowanego (dla odbiornika czysto rezystancyjnego) przy przewodzeniu impulsowym wynosi: 1 π 2 Ud = Id R = 3 ∫ 2 U 2 sin ωt dωt = 2 π ϑz 2π 2 U 2 (1 + cosϑz ) Przewodzenie ciągłe prostownika trójpulsowego, zasilającego odbiornik czysto rezystancyjny, występuje dla wartości kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów zawartego w granicach: 0 ≤ α ≤ π / 6 . Przy przewodzeniu ciągłym (niezależnie od rodzaju odbiornika) wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi: 1 Ud = 3 2π ϑz + 2π / 3 ∫ 2 U 2 sin ω t d ωt = ϑz 3 3 π 3 3 2 U 2 cos ϑz − = 2 U 2 cos α 2π 6 2π Wzór można zapisać w postaci: U d = U d 0 cos α ≈ 1,17 U 2 cos α W przypadku odbiornika indukcyjno-rezystancyjnego przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego różnią się od przebiegów dla obciążenia czysto rezystancyjnego. Różnice te wynikają z tego, że w indukcyjnościach prąd nie może narosnąć ani zaniknąć skokowo. Wyłączenie tyrystorów w zakresie przewodzenia impulsowego nie następuje teraz tak jak w przypadku obciążenia rezystancyjnego, w chwili przejścia odpowiedniego napięcia fazowego przez zero, ale dopiero w chwili rozładowania energii zawartej w indukcyjności obciążenia. Kąt wyłączenia tyrystorów zależy od kąta załączenia tyrystorów i tgϕ odbiornika. Przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego przy zasilaniu odbiornika indukcyjno-rezystancyjnego przy przewodzeniu impulsowym i ciągłym przedstawione są na poniższych rysunkach: u u2 A u2B ud 0 id R π u2C L u2 A did dt 2π ωt id 0 ωt Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego w prostowniku sterowanym trójpulsowym zasilającym odbiornik indukcyjno-rezystancyjny przy przewodzeniu impulsowym Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 4 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 2π 3 α u 5 L did dt id R 0 π ωt 2π u2C u2 A u2B u2C id 0 ωt Przebiegi czasowe prądu i napięcia wyprostowanego w prostowniku sterowanym ωt trójpulsowym zasilającym odbiornik indukcyjno-rezystancyjny przy przewodzeniu ciągłym (przy pominięciu procesów komutacyjnych) Wartość średnia napięcia wyprostowanego przy zasilaniu odbiornika indukcyjno-rezystancyjnego przy przewodzeniu impulsowym wynosi: ϑ 1 w 3 3 ∫ 2 U 2 sin ωt d ωt = Ud = Id R = 2π ϑz 2π 2 U 2 ( cosϑz − cosϑw ) = Ud 0 ( cosϑz − cosϑw ) 3 Przy przewodzeniu ciągłym i pominięciu procesów komutacyjnych wartość średnia napięcia wyprostowanego jest opisana następującym wzorem: ϑz + 2π / 3 1 Ud = 3 2π ∫ 2 U 2 sin ωt d ωt = ϑz 3 3 π 3 3 2 U 2 cos ϑz − = 2 U 2 cos α 2π 6 2π 3. PRACA FALOWNIKOWA. W przypadku, gdy odbiornik zawiera źródło napięcia stałego E skierowane zgodnie z kierunkiem przepływu prądu wyprostowanego id , wówczas jest możliwa ciągła praca falownikowa przekształtnika sterowanego. Wartość średnia napięcia wyprostowanego ma wtedy wartość ujemną. Z zależności na wartość średnia napięcia wyprostowanego : U d = U d 0 cosα gdzie: Ud 0 = 3 3 2U2 2π Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 5 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 6 wynika, że kąt α powinien być większy niż π / 2 . Ponieważ kąt α może zmieniać wartość w zakresie ( 0;π ) , więc przy pracy falownikowej kąt opóźnienia wysterowania tyrystorów może zawierać się w przedziale (π / 2;π ) . Przy stałym kierunku przepływu prądu odbiornika, zdeterminowanego kierunkiem przepływu prądu przez zawory półprzewodnikowe, zmiana znaku napięcia wyprostowanego powoduje zmianę znaku energii obwodu odbiornika. Przy pracy falownikowej przekształtnika energia odbiornika jest ujemna, więc następuje jej przekazywanie od odbiornika, poprzez przekształtnik, do linii zasilającej. Przekształtnik wysterowany do pracy falownikowej nazywany jest falownikiem o komutacji zewnętrznej (sieciowej). id id E E Ud < 0 Ud > 0 U0 R U0 R L L Poglądowy schemat pracy przekształtnika przy pracy prostownikowej Poglądowy schemat pracy przekształtnika przy pracy falownikowej Na poniższym rysunku ukazane są przebiegi czasowe napięcia wyjściowego odbiornika oraz prądów przekształtnika trójpulsowego sterowanego w stanie pracy falownikowej: u2 A u u2B π 0 u2C 2π ωt −E µ α β id iT 3 iT 1 iT 2 iT 3 0 ωt Przebiegi czasowe prądu i napięcia odbiornika w prostowniku sterowanym trójpulsowym w stanie pracy falownikowej Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 6 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 7 Można z niego odczytać warunek poprawnej pracy falownikowej przekształtnika trójpulsowego. Wyraża się on wzorem: β min = π − α max ≥ δ + µ β jest to kąt wyprzedzenia załączenia tyrystorów. Z warunku poprawnej pracy falownikowej wynika iż kąt β musi być zawsze większy od zera. Wynika to z tego iż każdy zawór po zaniku jego prądu głónego przez czas wyłączania tq nie jest jeszcze zdolny do blokowania napięć dodatnich. Przez czas równy co najmniej tq na wyłączającym się tyrystorze powinno panować napięcie wsteczne lub równe zero. W czaie odpowiadającym kątowi β min musi zostać zakończona komutacja tyrystorów. W przeciwnym wypadku napięcie anodowe tyrystora ztępującego zacznie rosnąć i przejmie on z powrotem przewodzenie. Prąd w tym zaworze silnie wzrośnie poniewąż będzie on wymuszany napięciem równym sumie napięcia źródłowego E i napięcia szczytowego linii zasilającej. Przewrót falownikowy może wystąpić również na skutek awaryjnego zaniku impulsów bramkowych tyrystorów. Po przewrocie falownika możliwa jest poprawna praca przeksztaltnika. Warunkiem jest tu zwiększenie kąta β wyprzedzenia wysterowania tyrystorów. Zwiększenie tego kąta jest wymagane ze względu na zwiększenie wartości kąta komutacji µ . Wzrost kąta komutacji µ spowodowany jest zwiększeniem wartości prądu odbiornika. Na poniższym rysunku przedstawione zostały przebiegi czasowe napięć i prądu odbiornika podczas przewrotu falownikowego. Napięcie wymuszające przepływ prądu w odbiorniku zaznaczone zostało porzez zakreskowanie odpowiednich pół na poniższym rysunku. ud u2B u2 A 0 π u u2C ωt 2π −E µ u δ u = β min β β < β min β > β min id iT 1 iT 2 iT 3 iT 1 0 ωt Przebiegi czasowe prądu i napięcia odbiornika w prostowniku sterowanym trójpulsowym w stanie pracy falownikowej podczas przewrotu falownikowego Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 7 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 4. PROCES KOMUTACJI. 8 Komutacją w układach tyrystorowych nazywa się zjawisko przejmowania przewodzenia prądu odbiornika od jednego zaworu przez zawór drugi. W zależności od tego czy w procesie komutacji uczestniczą tyrystory dwóch czy też większej ilości kolejnych faz rozróżnia się: - komutację prostą, pojedynczą (między zaworami dwóch ramion przekształtnika) - komutację złożoną, wielokrotną (w komutacji uczestniczą więcej niż dwa ramiona przekształtnika) Komutacja złożona występuje tylko w stanach zwarcia przekształtnika. Wartość prądu odbiornika jest wtedy wielokrotnie większa niż wartość prądu znamionowego. Komutacja prądu odbywa się pod wpływem napięcia komutacyjnego będącego różnica chwilowych wartości napięć źródłowych dwóch komutujących faz. Przewodzenie prądu przejmuje wtedy tyrystor o wyższym napięciu anodowym. Proces komutacji nie przebiega w sposób natychmiastowy. Dzieje się tak, ponieważ w obwodach komutujących ze sobą występują indukcyjności. Są one nazywane indukcyjnościami komutacyjnymi Lk . W ich skład wchodzą przede wszystkim indukcyjności rozproszenia transformatora przekształtnikowego i linii zasilającej. Na indukcyjnościach tych indukują się siły samoindukcji (zgodnie z regułą Lenz’a) przeciwstawiające się napięciom anodowym tyrystorów. Powodują one obniżenie wartości napięcia komutacyjnego oraz średniej wartości napięcia wyprostowanego przekształtnika. Obwody biorące udział w komutacji prostej (w większości przekształtników wielopulsowych) przedstawić można tak jak zostało to zrobione na poniższym rysunku. Id u uk = u2 − u1 u u1 u2 ∆u dk u2 uk ud Lk Lk u2 − u1 2 u2 − u1 2 0 T2 T1 i2 i1 u1 π ωt u u 1 (u2 + u1 ) 2 α = 90o ud Odb Id id i u 0 i2 i1 µ u Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 ωt u 8 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 9 W przedstawionym obwodzie występuje narastanie prądu w gałęzi z tyrystorem T2 i zanik prądu w ramieniu z tyrystorem T1 . Przy założeniu że indukcyjności komutacyjne Lk w obydwu gałęziach mają takie same wartości, napięcie chwilowe na odbiorniku wynosi: 1 ( u2 + u1 ) 2 ud = Czas trwania komutacji i odpowiadający mu kąt komutacji µ zmienia się w zależności od kąta opóźnienia załączenia tyrystorów α . Dzieje się tak dlatego iż różnym wartością kąta α odpowiadają różne wartości napięcia komutacyjnego. Z przebiegów czasowych napięć i prądów przedstawionych na powyższych przebiegach zaobserwować można iż napięcie komutacji przybiera największą wartość dla α = 90o . Największa wartość kąta komutacji występuje natomiast przy maksymalnym wysterowaniu przekształtnika, czyli dla kąta α równego 0o . Kąt komutacji dla α = 0o nazywany jest początkowym kątem komutacji. Jest on oznaczony symbolem µ0 . Na poniższym rysunku przedstawiona została zależność kąta komutacji µ od kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów: o el 5 µ 2,5 0 30 60 90 120 150 o el α Zależność kąta komutacji µ od kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów α Kąt komutacji zależy proporcjonalnie od wartości indukcyjności komutacyjnej Lk oraz od wartości komutowanego prądu I d . Wraz z ich wzrostem wzrasta również kąt komutacji. Kąt komutacji nie przekracza w praktyce wartości 30o . Z przyczyn opisanych na początku rozdziału, na wskutek procesów komutacyjnych maleje wartość średnia napięcia wyprostowanego. Wartość średnią spadku napięcia wyprostowanego wyznaczyć można za pomocą wzoru: ∆U dk = p ω Lk I k 2π g gdzie: g jest to liczba równolegle połączonych jednostek komutacyjnych, pomiędzy które rozkłada się prąd I d . W wyniku procesów komutacyjnych przebieg czasowy napięcia wyjściowego przekształtnika ud zawiera składowe komutacyjne. Wpływają one na spektrum wyższych harmonicznych napięcia wyjściowego. Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 9 KOMUTACJA W PRZEKSZTAŁTNIKU TYRYSTOROWYM 10 Wartość kąta komutacji uwzględnić należy również przy wyznaczaniu maksymalnego kąta załączenia tyrystorów podczas pracy falownikowej. Warunek poprawnej pracy falownikowej można sformułować następująco: α max = π − µ − δ lub: β min = µ + δ gdzie: β = π − α - kąt wyprzedzenia wysterowania falownika, µ - kąt komutacji, δ - kąt odzyskiwania przez zawory właściwości blokowania napięć dodatnich (odpowiada on czasowi wyłączenia tyrystorów). 5. CHARAKTERYSTYKA STEROWANIA. 1,0 0,8 0,6 tg ϕ = 0( R ≠ 0; L = 0) 0, 4 tg ϕ = ∞ 0, 2 −0, 4 Praca falownikowa 0 Ud U d 0 −0, 2 Przewodzenie ciągłe −0,6 −0,8 −1,0 0 30 60 90 120 Praca prostownikowa Na poniższym rysunku ukazane zostały charakterystyki sterowania prostownka trójpulsowego przy dwóch charakterystycznych parametrach odbiornika. 150 o el 180 ϑz Charakterystyka sterowania prostownika trójpulsowego Na powyższej charakterystyce widać iż regulacja napięcia wyjściowego w zakresie U d 0 ÷ 0 , dla prostownika trójpulsowego zasilającego odbiornik czysto rezystancyjny bądź rezystancyjnoindukcyjny, występuje dla zakresu zmian kąta opóźnienia wysterowania od 0 do 5π / 6 . Niezależnie od rodzaju odbiornika, dla kątów opóżnienia wysterowania z przedziału 0 ≤ α ≤ π / 6 , występuje przewodzenie ciągłe. Charakterystyki sterowania pokrywaja się wtedy ze sobą. Jeśli obciążenie ma charakter indukcyjny tyrystory wyłączaja się dopiero po rozładowaniu energii zgromadzonej w indukcyjności obciążenia a nie w chwili przejścia napięcia fazowego przez 0, tak jak to ma miejsce w przypadku obciążenia czysto rezystancyjnego. Występuje wtedy tzw. przeciąganie napiecia. Dla danego kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów, wartość średnia napięcia, w porównaniu z obciążeniem czysto rezystancyjnym, zmniejsza swa wartość. W przypadku odbiornika o dużej wartości tg ϕ , dla kąta opóźnienia wysterowania z przedziału π / 2 ≤ α ≤ 5π / 6 przez prostownik płynie prąd impulsowy. Wartość średnia napięcia jest wtedy bliska zeru. Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006 10
