Temat: Oddziaływanie przekształtnika 6-cio plusowego, tyrystorowego na sieć zasilającą i nadążny kompensator typu FC-TCR.

Na rys.1 przedstawiony został trójfazowy tyrystorowy prostownik mostkowy będący połączeniem dwóch prostowników gwiazdowych. 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. Przebieg napięcia wyprostowanego pokazano na rys.2.

Przełączanie za pomocą tyrystorów prądu obciążenia pomiędzy fazy źródła nie może odbywać się skokowo, gdyż każda faza źródła ma pewną indukcyjność ograniczającą szybkość zmian prądu. Indukcyjności te ograniczają szybkość narastania prądu załączonego tyrystora i zmniejszania się prądu wyłączanego tyrystora . Powoduje to, że po załączeniu kolejnej pary tyrystorów przez pewien czas przewodzą jednocześnie trzy tyrystory. Stan taki kończy się, gdy prąd w załączonym tyrystorze wzrośnie do wartości prądu obciążenia, a prąd komutującego z nim tyrystora zmaleje do zera. Przełączenie prądu obciążenia pomiędzy elementami układu nazywa się komutacją. W prostowniku mostkowym, w ciągu okresu, zachodzą 3 komutacje prądu obciążenia w grupie katodowej i 3 komutacje w grupie anodowej. Podczas komutacji powstaje m.in. układ elektryczny przedstawiony na rys.3.

Kąt komutacji μ, jest funkcją prądu obciążenia I_d i kata opóźnienia wyzwalania tyrystorów α (napięcia wyprostowanego). Najmniejszą wartość kąt komutacji osiąga dla α = π/2. Przy tej wartości kąta opóźnienia występuje największa różnica napięć pomiędzy fazą włączoną do pracy i fazą wyłączaną. Kąt komutacji μ, w funkcji kąta opóźnienia wyzwalania α i prądu obciążenia I_d, dla danej wartości prądu zwarcia dwufazowego I_z2f, przedstawiono na rys.4.

Praca prostowników sterowanych ma bardzo niekorzystny wpływ na linię zasilającą, stwarzając wiele problemów technicznych związanych przede wszystkim z mocą bierną oraz odkształceniem napięcia i prądu linii zasilającej. Na laboratorium zaobserwowaliśmy znaczne odkształcenie napięcia zasilania, które z sinusoidy przetwarza się w kształt trapezu. Jest to spowodowane dużym nasileniem wykorzystywania prostowników sterowalnych, które są powszechnie stosowane w gospodarstwach domowych.

Przedmiotem naszych badań było właśnie oddziaływanie przekształtnika 6-cio plusowego, tyrystorowego na sieć zasilającą, oraz rejestrowanie wyników badań na wykresach przebiegów czasowych prądu i napięcia linii zasilającej.

Wykres 1 przedstawia rzeczywiste przebiegi prądu i napięcia jednej fazy dla obciążenia RL i pewnego kąta opóźnienia wysterowania tyrystorów. Pomiędzy kolejnymi komutacjami w prądach faz (a tym samym i w prądzie obciążenia) występuje składowa zmienna będąca skutkiem niepełnej eliminacji składowej zmiennej prądu przez dławik wyjściowy w obciążeniu prostownika. Kat komutacji jest jednocześnie określony przez parametry źródła i wartość prądu obciążenia. Amplituda składowej zmiennej prądu obciążenia jest funkcją stałej czasowej obciążenia, napięcia obciążenia i kąta opóźnienia wyzwalania tyrystorów.

Dla kątów opóźnienia wyzwalania tyrystorów prostownika α ≥ π / 6 podczas komutacji prąd zmienia się prawie liniowo (co widać na wykresie 2) i dlatego dla prostowników tyrystorowych można aproksymować przebieg prądu, w czasie komutacji, liniami prostymi. Na wykresie tym można też zauważyć że w czasie komutacji napięcie linii spada do zera.

W prądach trójfazowego źródła występują harmoniczne nieparzyste nie będące wielokrotnością 3. Czynnik sin
ma niezerowe wartości dla h = 1±6n. Wykres 3 przedstawia zawartość wszystkich harmonicznych, chociaż harmonicznej trzeciej i dziewiątej nie powinno być, mimo to pojawiają się one ze względu na niesymetrię wykonania np. transformatora.

Wykres 4 przedstawia przebieg czasowy prądu pobieranego z sieci trójfazowej przez prostownik sześciopulsowy. Jak wynika z tego wykresu, prąd jest odkształcony od przebiegu sinusoidalnego zmiennego (harmonicznej podstawowej) i przesunięty w fazie względem napięcia. Jeśli pomija się wpływ komutacji, to przesunięcie fazowe prądu jest wynikiem sterowania fazowego przekształtnika. Zakładając pomijalnie krótki czas komutacji oraz przyjmując, że prąd wyjściowy przekształtnika jest stały i nie zawiera tętnień, prąd linii zasilającej ma przebieg prostokątny lub schodowy, przy czym liczba schodów w półfali tego prądu wzrasta wraz za wzrostem liczby impulsów q napięcia wyprostowanego. Ze wzrostem liczby q maleje oczywiście udział wyższych harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci zasilającej, co oznacza, ze maleje współczynnik odkształcenia. Wpływ komutacji na w współczynnik odkształcenia jest pomijalny, gdy liczba tętnień napięcia wyprostowanego q ≥ 6. W układach złożonych, o bardzo dużej liczbie q, przebieg czasowy prądu pobieranego z sieci zasilającej jest wieloschodowy i przybliża się do przebiegu sinusoidalnego.

Jest oczywiste, że odkształcenie napięcia wzrasta wraz ze wzrostem mocy prostownika i wzrostem reaktancji linii. W liniach kablowych, które mają duże pojemności międzyżyłowe, praca prostowników może wywołać zjawiska rezonansowe, powodujące niedopuszczalne przepięcia w niektórych punktach linii zasilającej. Przepięcia rezonansowe mogą pojawiać się przy: przypadkowej eksploatacyjnej zmianie konfiguracji linii zasilającej, zmianie obciążenia prostownika, załączeniu transformatora lub innego dowolnego odbiornika. Odkształcenie napięcia linii zasilającej, wywołane pracą prostowników, ma ujemny wpływ na podłączone do tej samej linii silniki prądu przemiennego i transformatory, gdyż powoduje dodatkowe straty mocy w odwodach magnetycznych tych urządzeń.

Przekształtnik pracujący jako prostownik pobiera z linii prądu przemiennego moc czynną i bierną. Odwód komutacji wywołuje również pobór mocy biernej komutacji wywołanej reaktancją obwodu. Proces komutacji powoduje bowiem dodatkowe przesunięcia prądu względem napięcia. W wielu przypadkach moc bierną komutacji można praktycznie pominąć. Przy pracy falownikowej przekształtnik wraz z aktywnym odbiornikiem dostarcza moc czynną do linii, ale nadal pobiera z niej moc bierną indukcyjną.

Problem poprawy współczynnika mocy wiąże się z kompensacją mocy przesunięcia fazowego i mocy deformacji. Moc przesunięcia fazowego jest określona przez składową przesunięcia fazowego harmonicznej podstawowej prądu fazowego, natomiast moc deformacji jest określona przez wyższe harmoniczne prądu fazowego.

W naszym przypadku współczynnik mocy poprawialiśmy nadążnym kompensatorem FC+TCR. W układzie tym do sieci podłączona jest stała bateria kondensatorów, a równolegle do kondensatorów przyłączony jest zespół dławików, których prąd jest regulowany przez zmianę fazy załączenia tyrystorów łącznika. Bateria kondensatorów wywołuje pojemnościowy prąd bierny o nieregulowanej wartości, a prąd członu indukcyjnego jest regulowany w zakresie od zera do wartości wynikającej z bezpośredniego załączenia dławików części indukcyjnej. Od nadążnego kompensatora oczekuje się dużej szybkości działania. Warto zwrócić uwagę, że błędne załączenie łączników tyrystorowych tego kompensatora nie wywołuje żadnych niebezpiecznych skutków.

Podczas wykonywania ćwiczenia zapoznamy się również z pracą nawrotnych układów zasilania napędów elektrycznych.

Nawrotne układy zasilania są realizowane poprzez zastosowanie dwóch prostowników sterowanych wielopulsowych połączonych przeciwsobnie. Umożliwiają praktycznie bezprzerwaną zmianę kierunku przepływu energii i prądu odbiornika. Przeważnie są stosowane w napędowych układach prądu stałego, w których jest wymagana częsta zmiana kierunku wirowania wału silnika. Zmiana kierunku prądu odbiornika nie odbywa się przez przełączenie jago zacisków, ale przez odpowiednie załączenie tyrystorów układu, które w praktyce są przekształtnikami sterowanymi trójpulsowymi lub szesciopulsowymi mostkowymi. W naszym przypadku układ nawrotny jest realizowany przy użyciu przekształtników sześciopulsowych.

Krótki opis układu nawrotnego, zrealizowanego na przekształtniku sześciopulsowym, wykorzystanego w naszym ćwiczeniu.

W przekształtnik bez prądów wyrównawczych tyrystory tylko jednego mostka przekształtnika są w danym stanie pracy wyzwalane . Tyrystory mostka nie pracującego , który wywołuje w układzie przepływ prądu wyrównawczego nie są wyzwalane ( ich generatory impulsów są zablokowane ) .Działanie takie wyklucza możliwość powstania zwarć międzyfazowych , a tym samym można oba mostki zasilać ze wspólnego uzwojenia transformatora . Brak prądu wyrównawczego umożliwia zastosowanie jednego wspólnego dla obu mostków dławika wygładzającego w obwodzie obciążenia . Zmiana kierunku prądu obciążenia wymaga doprowadzenia prądu aktualnie przewodzącego mostka do zera , zablokowania jego impulsów wyzwalających , i po czasie większym od czasu wyłączania zastosowanych tyrystorów , uruchomienia drugiego mostka . Postępowanie takie powoduje , że pomiędzy wyłączeniem z pracy jednego mostka , a załączeniem drugiego dla przeciwnego kierunku prądu , występuje przerwa w przewodzeniu prądu . Przerwa ta musi być na tyle duża by zawsze tyrystory wyłączanego z przewodzenia mostka były wyłączone , gdyż w przypadku gdyby nie były wyłączone, to załączenie tyrystorów drugiego mostka spowodowało by , poprzez tyrystory , międzyfazowe zwarcie transformatora . Ze względu na ograniczoną dokładność detekcji braku prądu blokowanego mostka przerwa w sterowaniu mostków jest ustalana większa niż czas wyłączania tyrystorów .Zwiększa to czas zmiany kierunku prądu obciążenia . Przerwa w przewodzeniu prądu podczas nawrotu nie ma praktycznie znaczenia , dlatego przekształtniki bez prądu wyrównawczego są powszechnie stosowane w nawrotnych układach napędowych prądu stałego.

4

4

---