Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie			Grupa 2 Zespół: 6 Marcin Szybowski
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Ćwiczenie: Nr 1	Temat: Oddziaływanie przekształtnika tyrystorowego na sieć zasilającą
Data wykonania: 17.10.2002			Data oddania: 7.11.2002	Ocena:

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zaobserwowanie wpływu pracy przekształtnika tyrystorowego nawrotnego na sieć zasilającą, określenie skali szkodliwości zjawisk powstałych w pracy takiego przekształtnika oraz sposobów ograniczenia występowania tych zjawisk.

2. Wprowadzenie.

Na rys.1 przedstawiony został trójfazowy tyrystorowy prostownik mostkowy będący połączeniem dwóch prostowników gwiazdowych.

Rys.1 Trójfazowy tyrystorowy prostownik mostkowy.

Ze względu na podwójną, w stosunku do prostownika gwiazdowego, częstotliwość składowej zmiennej napięcia wyprostowanego jest on nazywany prostownikiem 6 plusowym. Tyrystory T1, T3, T5, tworzą tzw. grupę (gwiazdę) katodową, a tyrystory T4, T6, T2, grupę (gwiazdę) anodową. Tyrystory prostownika mostkowego wyzwalane są parami T1 T2, T2 T3, T3 T4, T4 T5, T5 T6, T6 T1. Prąd obciążenia zawsze płynie przez dwa tyrystory (parę). Dla rozpoczęcia przewodzenia prądu obciążenia należy jednocześnie wyzwolić oba tyrystory tworzące parę. Pokazany na rys.1 prostownik jest strukturalnie symetryczny i obie gwiazdy są symetrycznie sterowane. W przewodzie neutralnym nie płynie prąd i przewód ten jest zbędny. Dlatego prostowniki takie zasila się z trójfazowego źródła bez przewodu neutralnego.

Średnia wartość napięcia wyprostowanego jest sumą średnich wartości napięcia wyprostowanego obu prostowników gwiazdowych.

Punkty odpowiadające na osi czasu zrównaniu się chwilowych wartości dwu kolejnych napięć międzyfazowych nazywamy punktami naturalnej komutacji. W punktach tych powstają warunki do załączenia kolejnego tyrystora, gdyż od tego momentu napięcia w jego obwodzie jest skierowane zgodnie z jego kierunkiem przewodzenia. W prostowniku załączanie kolejnych tyrystorów następuje z opóźnieniem w stosunku do punktów naturalnej komutacji. Opóźnienie to wyrażane jest poprzez kąt α. Wciągu okresu tworzy się 6 par tyrystorów. Przewodzenie każdej pary trwa 1/6 okresu czyli π/3 (60°). Każdy tyrystor uczestniczy w dwóch kolejnych parach i przewodzi przez 1/3 okresu czyli 2π/3 (120°). W ciągu każdego okresu napięcia trójfazowego źródła, napięcie wyjściowe składa się z 6 jednakowych fragmentów (pulsów) o szerokości π/3 (60°), odpowiadających przewodzeniu jednej pary tyrystorów.

Przekształtnik taki jest bardzo wygodnym urządzeniem, może wydawać energię jako prostownik, która następnie napędza maszynę prądu stałego, może również przejść w pracę falownikową i odzyskiwać energię mas wirujących maszyn (np. hamowanie szybu kopalnianego). Niestety działanie prostownika mimo swoich zalet ma również kilka istotnych wad.

3. Przebieg ćwiczenia:

Zaobserwowaliśmy trzy podstawowe zjawiska niekorzystnego oddziaływania na sieć:

• komutacyjne załamanie napięcia

• odkształcenie napięcia linii zasilającej

• pobór mocy biernej

Komutacyjne załamanie napięcia

Przebieg czasowy prądu pobieranego przez przekształtniki jest odkształcony od sinusoidy, jest on zbliżony do przebiegu prostokątnego. Odkształcenie to ma niekorzystny wpływ na linię zasilającą, stwarzając wiele problemów technicznych, związanych przede wszystkim z poborem mocy biernej. W pracy przekształtnika napięcie wyjściowe jest uzyskiwane poprzez załączenie odpowiednich fragmentów napięcia międzyfazowego przez parę tyrystorów. W czasie komutacji następuje krótkotrwałe zwarcie napięcia zasilania, widoczne jest to w postaci zaniku napięcia. Odkształcenie napięcia linii, powoduje zakłócenia w pracy innych urządzeń zasilanych z tej samej linii. Odnosi się to między innymi do takich urządzeń jak transformatory i silniki prądu przemiennego, w których odkształcenie to powoduje dodatkowe straty mocy, a także urządzeń oświetleniowych, których żywotność maleje przy zasilaniu zniekształconym napięciem sinusoidalnym. Wpływ komutacji można zmniejszyć zwiększając indukcyjność w obwodzie. Właściwość tą oraz dopasowanie napięcia zapewnia transformator przekształtnika.

∆U-komutacyjny spadek napięcia

U-napięcie sieci

Wyższe harmoniczne

Przyczyną odkształceń napięcia w sieci jest generacja przez przekształtnik wyższych harmonicznych prądu. Przebieg prądu rozłożony w szereg Fouriera posiadał harmoniczne

1 ± 6. Skojarzenie uzwojenia wtórnego transformatora powoduje eliminacje 3 harmonicznej i jej wielokrotności. Jednak harmoniczne te występują w widmie, jest to spowodowane istnieniem niesymetrii w układzie oraz dynamiką układu sterowania. Fakt istnienia wyższych harmonicznych spowodowany jest przez szybkie narastanie i opadanie prądów w czasie komutacji. Zmniejszenie wpływu wyższych harmonicznych uzyskuje się po przez zwiększenie kąta komutacji (zwiększenie indukcyjności w obwodzie ). Wzrost kąta komutacji powoduje zmianę kształtu prądu z prostokątnego na trapezowy, dzięki czemu amplitudy wszystkich wyższych harmonicznych maleją. Wzrost kąta wysterowania powoduje wzrost amplitud harmonicznych zwłaszcza 5 i 7.

Pobór mocy biernej.

Zmieniając kąt załączania tyrystorów przekształtnika zmieniamy kąt przesunięcia fazowego harmonicznej podstawowej prądu względem napięcia zasilającego. Wraz ze wzrostem kąta wysterowania tyrystorów wzrasta kąt fazowy. Wynika stąd, że przekształtnik jest odbiornikiem pobierającym moc bierną indukcyjną. Przepływ mocy biernej indukcyjnej wywołuje spadki napięcia na elementach reaktancyjnych sieci. W przypadku przekształtnika jest to o tyle uciążliwe, że pobór tej mocy zmienia się wraz z regulacją kąta wysterowania tyrystorów (np. podczas regulacji obrotów silników prądu stałego). Zmienność poboru mocy biernej indukcyjnej stwarza problemy w jej kompensacji. Dlatego w układzie laboratoryjnym do kompensacji zastosowano baterię kondensatorów o pojemności potrzebnej do kompensacji maksymalnej mocy biernej oraz człon indukcyjny. Prąd członu indukcyjnego jest sterowany przez przekształtnik zwarty po stronie prądu stałego. Zastosowanie regulowanego członu indukcyjnego jest tańsze i łatwiejsze niż regulacja pojemnością. Wadą tego kompensatora jest maksymalna moc strat przy minimalnym poborze mocy kompensacyjnej. Zaleta jest odporność na błędy sterowania i fakt, że prądy zwarcia osiągają wartość prądu znamionowego. Dodanie mocy indukcyjnej przy dużej mocy pojemnościowej powoduje spadek wartości prądu kompensatora i sieci. Przy nawrocie obserwujemy duży wzrost prądu przekształtnika i kompensatora oraz niewielki wzrost prądu sieci. Tak mały wzrost osiągnięty jest dzięki istnieniu kompensatora.

Schemat pomiarowy:

Układ ten służył nam do ukazania możliwości zastosowań przekształtnika tyrystorowego. Chodziło o pokazanie jego zastosowania do sterowania silnikiem w układzie nawrotnym.

Podsumowanie

Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji sieciowej stanowią dla linii zasilającej odbiorniki o charakterze nieliniowym. W czasie pracy przekształtnika tyrystorowego wyróżnić można wiele jego niekorzystnych oddziaływań na sieć zasilającą takich jak : pobór mocy biernej , odkształcenia napięcia linii i wynikające stąd zakłócenia pracy innych urządzeń zasilanych z tej samej linii , a w liniach kablowych , które charakteryzują się dużymi pojemnościami międzyżyłowymi , praca przekształtników może wywoływać zjawiska rezonansowe , powodujące przepięcia w niektórych punktach systemu energetycznego oraz wzrost prądu upływu międzyżyłowego kabli . Jednak do najważniejszych oddziaływań przekształtnika tyrystorowego na sieć zasilającą należą :

• komutacyjne załamanie napięcia

• generacja wyższych harmonicznych

• pobór mocy biernej

Otrzymane przez nas schematy :

Rys.1 Rzeczywisty przebieg napięcia międzyfazowego i prądu fazowego dla pewnego obciążenia i kąta opóźnienia wyzwalania tyrystora 

Rys.2 Jak wyżej tylko w powiększeniu.

Rys.3 Zawartość wyższych harmonicznych sieci.

Rys.4 Wykres obrazujący przebieg odkształconego od sinusoidy prądu przesuniętego w fazie względem napięcia.

---