Oddziaływanie przekształtnika
tyrystorowego na sieć

1. Schemat i opis układu przekształtnika tyrystorowego.

Rys. 1. Schemat układu 6-pulsowego mostkowego przekształtnika tyrystorowego z obciążeniem.

Układ mocy przekształtnika to połączenie szeregowe dwóch prostowników trójpulsowych gwiazdowych. Składa się z sześciu tyrystorów SCR w układzie mostkowym. Wyróżniamy w nim grupę katodową: T1, T3, T5 oraz grupę anodową: T2, T4, T6. W stanie przewodzenia występuje zawsze jeden tyrystor z grupy katodowej i jeden z anodowej. Napięcie wyprostowane składa się z impulsów, które są wycinkami przebiegów napięć międzyprzewodowych zasilających mostek.

Układ w czasie pracy wpływa negatywnie na sieć zasilającą. Można wyróżnić trzy kategorie oddziaływania przekształtnika:

• komutacyjne załamania napięcia,

• moc bierną,

• wyższe harmoniczne.

2. Komutacyjne załamania napięcia.

Komutacją nazywamy proces przenoszenia się prądu. Dla przykładu można omówić jedną komutację. Niech w trakcie przewodzenia będą tyrystory T1 i T2. Prąd płynie przez tyrystor T1 dalej przez obciążenie i wraca tyrystorem T2 do sieci. Przewodzenie prądu odbywa się wtedy pod wpływem napięcia międzyfazowego. Po określonym czasie (zgodnie z kątem α) impuls dostaje załączający się tyrystor T3. Na załączanym tyrystorze prąd zaczyna narastać a na tyrystorze T1 prąd maleje. W czasie komutacji następuje proces przenoszenia się prądu pomiędzy tyrystorami z T1 na T3 pokazane na rysunku 2. Przewodzące przez czas komutacji dwa tyrystory tej samej grupy - T1, T3 powodują zwarcie napięcia międzyfazowego U_AB.

Każda taka komutacja prądu obciążenia pomiędzy kolejnymi fazami źródła wywołuje zwarcia odpowiednich faz i trwa przez czas komutacji. Oznacza to, że chwilowa wartość napięcia międzyfazowego bezpośrednio na zaciskach zasilania przekształtnika jest równa zero (Rys. 3).

Rys. 2. Zwarcie w czasie trwania komutacji.

Występuje sześć komutacji na okres. Na wejściu przekształtnika prąd tworzy układ schodkowy, którego kształt można aproksymować trapezem (prostokątem, gdy pominiemy zjawisko komutacji). (Rys. 3.)

Rys. 3. Przebiegi napięcia międzyfazowego i prądu fazowego na wejściu przekształtnika.

Aby dokładnie zaobserwować załamania komutacyjne, rys. 3 został powiększony. Powiększenie przedstawia rys. 4, gdzie można dokładnie zaobserwować spadek napięcia do zera w czasie trwania komutacji. Przedział kątowy równoczesnego przewodzenia prądu przez dwie zwarte fazy nazywamy kątem komutacji μ = ωt_k.

Rys. 4. Powiększony przebieg prądu i napięcia w czasie komutacji.

Komutacja wpływa negatywnie na sieć, co można zaobserwować w zjawiskach:

• migotania światła,

• powstawanie dużych prądów w obwodach o charakterze pojemnościowym. Wzór
  obrazuje przyczynę powstawania dużych prądów które powodowane są dużą szybkością zmian napięcia
  - przyjmuje duże wartości. Powoduje to, że odbiorniki pojemnościowe mogą ulec zniszczeniu na skutek ogromnych prądów dynamicznych,

Rys. 5. Schemat zasilania w czasie komutacji.

• utraty komutacyjnych zdolności innych przekształtników tyrystorowych o komutacji sieciowej, jeżeli zasilimy drugi przekształtnik bez układów ograniczających komutacyjne załamania napięcia.

W czasie komutacji trzecia nie zwarta faza nie ma wpływu na układ. Na podstawie rys. 5 spadek napięcia (załamania komutacyjne) wynosi:
. Wzór opisuje założenia redukcji komutacyjnych załamań napięcia.

Dostawcy energii elektrycznej nie dopuszczają, aby odbiorca generował tak duże odkształcenia napięcia zasilającego, co wymusza na odbiorcach stosowanie metod ograniczających wpływ komutacyjnych załamań napięcia:

• indukcyjność po stronie zasilania lub transformatora o większym napięciu zwarcia, (o większej reaktancji rozproszenia),

• zwiększenie mocy zwarcia systemu np. przez zmniejszenie reaktancji sieci.

Po stronie pierwotnej transformatora występują załamania napięcia, jednak są one znacznie mniejsze (Rys. 6).

Rys. 6. Przebieg napięcia po stronie pierwotnej transformatora (powiększenie).

Zjawisko komutacji wpływa na ograniczenie zakresu regulacyjnego falownika. Teoretycznie dla układu z prądami ciągłymi wynosi on 180^o. Praktycznie trzeba odjąć kąt β_min=20-30° (minimalny kąt wyprzedzenia wysterowania) oraz α_min. Zakłada się α_min=β_min.

Po wprowadzeniu ograniczeń zakres regulacji często wynosi około 120^o. Ma to swoje negatywne odzwierciedlenie w eksploatacji przekształtnika.

3. Moc bierna.

Niekorzystną cechą prostownika tyrystorowego jest moc bierna podstawowej harmonicznej, obciążająca źródło i linię przesyłową. Moc ta jest zmienna w czasie, gdyż jej wartość jest funkcją średniej wartości napięcia wyprostowanego. Osiąga ona dla (α+μ/2)=π/2 czyli dla U_d=0 wartość największą. Oznacza to (przy stałej mocy), że prostownik zasilający np. układ napędowy w fazie rozruchu, gdy napięcie silnika jest bliskie zera i dostarczana do niego moc czynna jest bardzo mała, obciąża źródło maksymalną wartością mocy biernej podstawowej harmonicznej. W układzie występująca moc bierna jest mocą indukcyjną. Wynika to z samej zasady działania układu, a nie z zastosowania indukcyjności L. Moc bierna indukcyjna w tym układzie jest często nazywana mocą sterowania. Moc bierna obciąża system energetyczny, co jest związane z dodatkowymi kosztami dla odbiorcy energii.

Moc bierna podstawowej harmonicznej wyrażona w wielkościach charakterystycznych przekształtnika wynosi:

(1)

gdzie:

U_d0 - maksymalne napięcie wyprostowane,

I_d - prąd wyprostowany,

α - kąt opóźnienia wysterowanego,

μ - kąt komutacji.

Rys. 7. Wykres kołowy przekształtnika dla stałej mocy.

Wykres kołowy rys. 7 przedstawia względną wartość mocy biernej pobieranej przez przekształtnik tyrystorowy w układzie mostkowym. Moc bierna bezpośrednio zależna od kąta wysterowania przekształtnika.

Zmienne w czasie obciążenie bierne powoduje powstawanie zmiennych spadków napięcia na reaktancjach sieci zasilającej oraz dodatkowych strat mocy na rezystancjach systemu zasilającego. Wywołane zmiennym obciążeniem biernym spadki napięcia mogą osiągać wartości wymagające zastosowania środków dla ich ograniczania.

Proces komutacji wpływa na wartość mocy biernej, zwiększając ją w zakresie pracy prostownikowej i zmniejszając dla falownika. Zmiana kierunku przepływu energii nie wpływa na charakter obciążenia biernego.

Jeżeli prąd po stronie wtórnej transformatora tworzy przebieg jedno-schodkowy (Rysunek 3, prąd), wówczas po stronie pierwotnej przy konfiguracji transformatora gwiazda - trójkąt przebieg dwu-schodkowy (Rysunek 8, prąd).

Przedstawione na rys. 8 przebiegi tej samej fazy umożliwiają zaobserwowanie indukcyjnego charakteru mocy (napięcie fazy wyprzedza prąd fazy).

Rys. 8. Przebiegi prądu i napięcia po stronie pierwotnej transformatora tej samej fazy.

4. Wyższe harmoniczne.

W prądzie zasilania przekształtnika występują wyższe harmoniczne. Ze względu na symetrię układu przekształtnika sześciopulsowego (6x50Hz = 300Hz) nie generuje składowych parzystych. Występują za to harmoniczne 5, 7, 11, 13 itd. Wartość prądu obciążenia I_d nie występuje we współczynnikach szeregu Fouriera w sposób jawny.

Wyrazy (harmoniczne) szeregu Fouriera rzędu h = 1±6n przyjmują niezerowe wartości. Oznacza to, że w prądach trójfazowych źródła występują harmoniczne nieparzyste niebędące wielokrotnością 3. Pomiędzy podstawową harmoniczną napięcia i podstawową harmoniczną prądu fazy występuje przesuniecie fazowe równe przesunięciu osi symetrii krzywych. Z wykresu harmonicznych (Rys. 9.) widać, że występują także 3 i 9 harmoniczne. Biorą się one z powodu niesymetrii układu i sterowania czym zawsze w pewnym stopniu obarczone są rzeczywiste układy.

Rys. 9. Zawartość początkowych wyższych w prądzie zasilania przekształtnika.

Aby ograniczyć zawartość wyższych harmonicznych stosuje się filtry LC (instalowane po stronie zasilania).

Wszystkie oscylogramy w instrukcji były zarejestrowane dla rzeczywistego układu.

7

2

---