При изменении режима работы генератора изменяется его ток возбуждения путем изменения углов отпирания вентилей, и в соответствии с этим меняются диаграммы токов и напряжений. Поэтому принято рассматривать режимы выпрямителя применительно к режимам работы генератора, а именно режимам х. х., номинальной нагрузки, полной форсировки, форсировки после ограничения, гашения поля ротора путем перевода выпрямителя в режим инвертора.
Рис. 33. Кривые напряжений управляемого выпрямителя мостовой схемы.
а —диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с.: б — кривая выпрямленного напряжения при работе на индуктивную нагрузку при α— 105; в —то же при а-90°; г —то же при работе на активную нагрузку.
Кроме указанных, к нормальным режимам работы следует отнести режим при среднем значении выпрямленного напряжения Ud, равном нулю. С этого режима начинается подъем возбуждения и он широко используется при предварительной настройке системы возбуждения. Изучение диаграммы целесообразно начать именно с этого режима. Все диаграммы напряжений, кроме одного случая, построены в предположении, что отсутствует сдвиг по фазе между напряжениями питания рабочей и форсировочной групп вентилей.
Мостовая схема выпрямления (одна группа) при выпрямленном напряжении, равном нулю (рис. 33). Рассмотрим процесс построения диаграммы при а=105°. Пусть, например, отпирающие импульсы подаются на вентили 1, 3, 5 в точках α1, α2, α3, а на вентили 2, 4, 6 — в точках b2, b4, b6. Определим, какой из вентилей анодной группы может работать в паре с вентилем 1, начиная с момента a1. Вентиль 2 имеет самый отрицательный катод, однако он заперт до момента b2. Катод вентиля 6 отрицательнее анода первого вентиля и отпирающий импульс на него подан в точке b6. Длительность промежутка между точками b6 и d составляет 60°. При ширине отпирающего импульса 90—120° в точке d вентиль 6 отперт и вступает в работу с вентилем 1.
В точке с при работе выпрямителя на активную нагрузку ток через вентили должен прекратиться, поскольку разность их питающих напряжений равна нулю. При работе на большую индуктивность (ротор генератора) этого не происходит, так как энергия, запасенная в индуктивности, не может мгновенно исчезнуть.
Поэтому вентили продолжают проводить ток до тех пор, пока не израсходуется весь запас энергии в индуктивности в идеальном случае до момента е, хотя катод вентиля 6 положительнее анода вентиля 1. Происходит процесс инвертирования тока. Энергия сети постоянного тока передается в сеть переменного тока. Если не учитывать потери энергии в активных сопротивлениях, то положительная площадка aicd должна быть равна отрицательной площадке cef. Кривая выпрямленного напряжения в течение периода (рис. 33,6) содержит шесть пилообразных импульсов и шесть промежутков нулевого потенциала (горизонтальных площадок). Среднее значение выпрямленного напряжения Ud равно нулю.
Аналогично строится диаграмма выпрямленного напряжения при а=90° (точка h на рис. 33,а). Этот угол регулирования является предельным между режимами
Ud>0 и Ud—0. При α<90° площадь, описываемая положительными импульсами в кривой и, будет превышать площадь, ограниченную кривой отрицательных импульсов, и среднее значение Ud будет больше нуля. Другой предельный угол, при котором не только среднее, но и мгновенное значение Ud=0, равен 120° (точка с, рис. 33,а). Признаком приближения к а=90° при плавном уменьшении угла регулирования и индуктивной нагрузке является исчезновение горизонтальных площадок в кривой u, что видно из сравнения рис. 33,б и в (а =105 и 90°). Это обстоятельство используется при испытаниях для точной установки угла инвертирования.
Рассмотренная диаграмма позволяет определить, все ли вентили работают, и найти дефектные. Как видно из диаграммы, каждая наклонная линия в кривой Ud соответствует прохождению тока через определенные вентили и каждый вентиль «участвует» в создании двух наклонных линий. Если один из вентилей не работает, то исчезают две линии в кривой иа. Зафиксировав на экране осциллоскопа фазу напряжения и подавая затем на его вход напряжение и<г, не. представляет труда с помощью диаграммы определить номер дефектного вентиля.
Если выпрямитель работает на активное сопротивление, то при а=90° выпрямленное напряжение будет иметь вид, показанный на рис. 33,г, т. е. вместо отрицательных значений в кривой иа появляются площадки нулевого потенциала.
Рис. 34. Кривые напряжений управляемого выпрямителя схемы с нулевым выводом и уравнительным реактором.
а — диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с.; б — кривая выпрямленного напряжения при работе на индуктивную нагрузку при а=120°; в — то же при работе на активную нагрузку.
Схема выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором (одна группа) при выпрямленном напряжении, равном нулю (рис. 34). Как говорилось выше, при малых токах эта схема (одна из групп схемы рис. 3) работает как шестифазная с нулевым выводом, в которой каждый вентиль поочередно пропускает ток. Ток протекает по контуру: фаза источника питания — вентиль — нагрузка — нулевая точка источника питания. Продолжительность управляющего импульса не играет особой роли. При работе на обмотку ротора горизонтальные площадки в кривой выпрямленного напряжения в этой схеме наблюдаются в диапазоне углов регулирования: а= 120-:-150°. При этом угол а= = 120° является предельным, ниже которого Ud>0.
При работе на активное сопротивление отрицательные значения в кривой ud отсутствуют и среднее значение Ud будет больше нуля во всем диапазоне 0—150°. Граничной точкой в обоих случаях является а=150°, когда и мгновенное значение ud равно нулю.
Две параллельно включенные мостовые схемы выпрямления при х. х. генератора (схема рис. 1, диаграммы рис. 35). Существенным для работы таких схем выпрямления является длительность отпирающего импульса, с которой связана возможность повторной коммутации между форсировочным и рабочим вентилем одной фазы. При построении диаграмм рис. 35 учитывалась коммутация.
Процесс построения диаграммы рассмотрим, начиная с вентиля рабочей группы 1р, на который отпирающий импульс подается в точке а. Переход тока с вентиля 5р (от работал до рассматриваемого момента времени) на вентиль 1р длится некоторое время, определяемое углом коммутации γι. Поскольку в это время работают два вентиля параллельно и катоды их объединены, а аноды находятся под напряжением фаз Л и С, то мгновенное значение напряжения катодов равно полусумме мгновенных значений напряжений этих фаз (отрезок ab равен половине отрезка af). Во время коммутации в кривых напряжения фаз появляются провалы. В точке с коммутация кончается и вентиль 1р приобретает напряжение своей фазы еар.
В точке d открывается вентиль форсировочной группы (1ф) и начинается коммутация вентилей в одной фазе (с рабочего ответвления на форсировочное), определяемая углом коммутации γ2.
Напряжение катодов обоих вентилей в этом случае определяется напряжением рабочего ответвления, поскольку форсировочное ответвление оказывается закороченным своим вентилем. Так как в одной фазе появляются короткозамкнутые витки, происходит размагничивание сердечника и в напряжении рабочего ответвления появляется провал.
Рис. 35. Кривые напряжений и токов двух параллельно включенных мостовых схем выпрямления при х. х. генератора.
а — диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с.; б — кривая выпрямленного напряжения; в — токи в вентилях; г — напряжение фазы А рабочей группы Uaр и напряжение анод-катод uак вентиля 3р.
Рис. 36. Осциллограммы процессов в вентилях 6р (а) и 6ф (б) при углах регулирования и коммутации, соответствующих х. х. генератора.
1- напряжение uск; 2 — сеточный ток; 3 —напряжение uак; 4 — ток вентиля; 5, 6 — ток анодов возбуждения; 7, 8 — напряжение на анодах возбуждения; 9 — отметчик времени.
Коммутация вентилей кончается в точке е, и вентиль 1ф приобретает напряжение своего ответвления. При принятой ширине отпирающих импульсов вентилей рабочей группы (120°) в точке А происходит обратная коммутация с вентиля 1ф на вентиль 1р, т. е. имеет место двойная коммутация в фазе. Она происходит потому, что анод вентиля 1ф становится отрицательнее анода вентиля 1р. Коммутация заканчивается в точке g, в кривой иР появляется коммутационный провал по указанной выше причине.
Аналогично происходит коммутация вентилей анодной группы (четные вентили). Заштрихованные площадки на линейной диаграмме определяют среднее значение выпрямленного напряжения. Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 35,б.
Рис. 37. Кривые напряжений и токов двух параллельно включенных мостовых схем выпрямления при, номинальной нагрузке генератора. Обозначения см. на рис. 35.
Диаграммы токов дают представление о том, сколько вентилей работают в данный момент, и о длительности их работы. Кривая фазного напряжения с учетом коммутационных провалов имеет вид, показанный на рис. 35,г. Там же приводится форма кривой напряжения анод — катод вентиля 3р. Когда вентиль пропускает ток, то напряжение равно прямому падению напряжения в вентиле, которое относительно мало. Когда тока в вентиле нет, его анод находится под фазным напряжением (ив), а катод — под напряжением вентиля катодной группы, который пропускает ток в данный момент (для четных вентилей — наоборот).
Рис. 38. Осциллограммы процессов в вентилях 6р (а) и 6ф (б) при углах регулирования и коммутации, соответствующих номинальной нагрузке генератора.
1- напряжение uск; 2 — ток управления: 3 —- напряжение uак; 4 — ток вентиля; 5, 5 —ток анодов возбуждения; 7, 8 — напряжение анодов возбуждения.
Для работы ионных вентилей важно то значение скачка обратного напряжения вентиля и'ск, при котором вентиль кончает пропускать ток, поскольку от него зависит вероятность обратного зажигания. Как видно из рис, 35,г, при данных углах регулирования величина и'ск более чем в 1,5 раза превышает амплитуду фазного напряжения.
Рис. 39. Кривые напряжений и токов двух параллельно включенных мостовых схем выпрямления в режиме ограничения форсировки возбуждения.
а — диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с.; б — токи в вентилях; в — фазное напряжение фазы А рабочей группы напряжение анод — катод вентиля Зр (uак); г —то же для форсировочной ГРУППЫ.
На рис. 36 приведена осциллограмма режима, подтверждающая правильность построенной выше диаграммы (сравните ток в вентиле и обратное напряжение по величине на диаграмме и осциллограмме).
Две параллельно включенные мостовые схемы выпрямления при номинальной нагрузке генератора (рис. 37). Диаграммы этого режима отличаются от предыдущих тем, что в них меньше угол регулирования рабочей группы αр. В результате увеличиваются средние значения выпрямленного напряжения и тока. Сочетание индуктивностей коммутации, токов и углов регулирования таковы, что при повторной коммутации вентилей в фазе ток на рабочий вентиль не успевает перейти полностью (незавершенная повторная коммутация). Это наиболее сложный вид коммутации, характерный для некоторых реальных систем возбуждения. Осциллограмма такого режима (рис. 38) показывает правильность построения диаграмм. Следует отметить, что в некоторых системах возбуждения повторная коммутация отсутствует. Диаграммы работы таких схем, естественно, построить легче.
Две параллельно включенные мостовые схемы выпрямления в режиме ограничения форсировки (рис. 39). Когда кратность форсировки по напряжению больше двух (при кратности по току, равной двум), форсировка возбуждения протекает в два этапа. На первом этапе вентили форсировочной группы открываются полностью и весь ток ротора проходит через них. Диаграмма этого режима очень проста и здесь не приводится. На втором этапе, когда ток ротора достигает двойного значения, угол регулирования вентилей форсировочной группы увеличивается до величины, обеспечивающей среднее значение выпрямленного напряжения, равное двойному номинальному. Если во время форсировки отпирающие импульсы с вентилей рабочей группы не сняты, то могут возникнуть два случая: αф>αρ и αф<αρ. Диаграммы режимов для первого случая будут отличаться от показанных на рис. 37 тем, что в них уменьшится угол регулирования форсировочной группы. Легко обнаруживается прохождение тока по рабочей группе вентилей. Во втором случае, как показано на рис. 39, наблюдается переход тока с вентилей форсировочной группы на вентили рабочей группы в точках а, б, с и т. д., поскольку напряжение анодов вентилей форсировочной группы становится отрицательнее напряжения анодов рабочей группы. Такой режим возможен при определенных соотношениях углов регулирования, выпрямленного тока, индуктивности коммутации и длительности отпирающих импульсов, что подтверждается осциллограммой рис. 40. С целью экономии места (рис. 39, в, г) амплитуды фазных напряжений и напряжения анод — катод uак уменьшены в 2 раза.
Две параллельно включенные схемы выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором при номинальной нагрузке генератора и питании от выпрямительного трансформатора (параллельное самовозбуждение).
Для построения диаграмм данной схемы выпрямления (рис. 41) использован способ параллельного сложения диаграмм двух схем выпрямления с нулевым выводом, питающихся от вторичных обмоток прямой и обратной звезды выпрямительного трансформатора. Выпрямленное напряжение получено как полусумма выпрямленных напряжений двух звезд (заштрихованные площадки линейных диаграмм). Диаграммы построены для случая, когда повторная коммутация вентилей в фазе отсутствует, что соответствует большинству случаев работы такой схемы выпрямления.
Рис. 40. Осциллограммы процессов в вентилях 6р (а) и 6ф (б) при углах регулирования и коммутации, соответствующих режиму форсировки.
Обозначения см. на рис. 36.
При коммутации вентилей в одной фазе в кривой напряжения появляется провал из-за размагничивающего действия короткозамкнутых витков. При принятом соотношении углов регулирования в кривых выпрямленного напряжения отдельных звезд имеются отрицательные значения (площадки «инвертирования»), но в суммарной кривой выпрямленного напряжения они отсутствуют.
Рис. 41. Кривые напряжений и токов схемы выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором при номинальной нагрузке генератора для схемы самовозбуждения. а — диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с. прямой звезды; б— токи в вентилях прямой звезды и напряжение анод—катод вентиля 1ф —диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с. для обратной звезды; г — токи в вентилях обратной звезды и напряжение анод-катод вентиля 2р, д —кривая выпрямленного напряжения ud; е — напряжение на уравнительном реакторе ир.
По выпрямленным напряжениям отдельных звезд удобно контролировать работу вентилей; для этого на вход осциллоскопа снимается разность потенциалов катода и нуля источника питания.
Известны случаи, когда в таких схемах возникает двойная коммутация ионных вентилей в фазе. Это имеет место, если аф = = 125-:-130°, γ= 15-:-18°, ар=40 = 60°, так как межэлектродный промежуток рабочего вентиля не успевает деионизироваться. Диаграммы при двойной коммутации могут быть легко построены на основе указанных выше закономерностей.
Некоторую особенность работы схемы нужно иметь в виду при построении кривой напряжения анод — катод. Она состоит в следующем. При коммутации вентилей противоположной фазы в кривой напряжения появляется соответствующий «провал». Но поскольку обмотки прямой и обратной фаз находятся на одном стержне, то напряжение прямой фазы также искажается, но с обратным знаком.
Напряжение на реакторов строится как разность выпрямленного напряжения прямой и обратной звезд (разность соответствующих ординат заштрихованных площадок) и, как видно из рис. 41, частота его в 3 раза больше частоты питания.
Две параллельно включенные схемы выпрямления с уравнительным реактором при номинальной нагрузке генератора и питании от выпрямительного и последовательного трансформаторов (смешанное самовозбуждение). При построении данных диаграмм (рис. 42) учтены следующие особенности. Во-первых, напряжения рабочей и форсировочной групп сдвинуты по фазе на угол, который изменяется при изменении напряжения, тока или cos φ главного генератора. На холостом ходу угол φ' равен нулю. В номинальном режиме для турбогенераторов ТГВ-200 угол φ равен 13,7°, а при номинальной активной нагрузке и равной нулю реактивной нагрузке он равен 16° [Л. 13]. Во-вторых, имеет место незавершенная коммутация вентилей в фазе, т. е. выпрямленный ток переходит на форсировочный вентиль не полностью, не достигает величины 0,5 Id и уменьшается снова до нуля. Это происходит из-за большой индуктивности коммутации последовательного трансформатора (она в 3 раза больше индуктивности выпрямительного трансформатора), в связи с чем и углы коммутации велики.
Рис. 42. Кривые напряжений и токов при наличии последовательных трансформаторов.
γ2 и γ3— углы, характеризующие длительность нарастания и спадания тока в вентиле форсировочной группы. Обозначения см. на рис. 41.
По этой же причине при коммутации вентилей в фазе ток в короткозамкнутых витках невелик и искажения формы кривой фазного напряжения отсутствуют. Поэтому выпрямленное напряжение и напряжение на реакторе менее искажены.
Мостовая схема выпрямления при гашении поля ротора инвертированием (рис. 43). Элементы режима инвертирования встречались выше при построении диаграмм.
Рис. 43. Кривые токов и напряжений мостовой схемы выпрямления при гашении поля ротора путем инвертирования выпрямителя.
а —диаграмма работы вентилей и кривые фазных з. д. с.; б —токи в вентилях; в — выпрямленное напряжение.
Инверторный режим имеет место до тех пор, пока протекает ток ротора, и кончается при подходе тока к нулю. В рассматриваемом режиме вентили работают так, что катодная группа вентилей проводит ток при отрицательных анодах, а анодная группа вентилей— при положительных катодах. Для вентилей, находящихся в работе в режиме инвертирования, разность напряжений анода катодной группы и напряжения катода анодной группы всегда отрицательна, тогда как в режиме выпрямления эта разность положительна.
Гашение поля производится всегда по одной группе— либо рабочей, либо форсировочной. Поэтому на рис. 43 представлены диаграммы схемы с одной группой вентилей. Процесс построения диаграмм рассмотрим при α = 105° и γ = 15°. Пусть во время t работали вентили 1 и 2, разность их напряжений отрицательна.
В точке а на вентиль 3 поступает отпирающий импульс, напряжение анода вентиля положительнее напряжения катода вентиля 2 и мгновенное значение выпрямленного напряжения было бы больше нуля, т. е. имел бы место режим выпрямления. Однако этого не происходит из-за коммутации вентилей. Напряжение в момент коммутации равно полусумме напряжений фаз А и В и изменяется по кривой cd (отрезок сb равен 1/2 отрезка ab), а это напряжение отрицательнее катодного напряжения вентиля 2. После окончания коммутации напряжения вентилей 3 и 2 становятся равными, что соответствует нулю мгновенного значения иа, т. е. имеет место предельный случай. На диаграмме показано, что с увеличением угла регулирования увеличиваются среднее и мгновенное значения и, а при уменьшении угла появляются мгновенные положительные значения, однако среднее значение Ud отрицательно. Отмеченный предельный случай возникает положительных значений, зависит от суммы углов а и γ и имеет место при α+γ=120°. Особенностью режима инвертирования является то, что в отличие от режима выпрямления при коммутации вентилей среднее значение Ud увеличивается. Без коммутации кривая иа показана пунктиром (рис. 43,в). Для работы ртутных вентилей в режиме инвертирования необходимо, чтобы управляющие свойства сетки были восстановлены у погасшего анода (закончилась деионизация околоанодного пространства) к моменту, когда его напряжение станет более положительным относительно следующего по очередности работы анода вентиля, т. е. необходимо, чтобы угол опережения зажигания (β) при предельных нагрузках был больше суммы углов коммутации (у) и деионизации (0): β>γ + θ. В первый момент гашения поля ток ротора равен току предшествующего режима и может быть равен току форсировки. Угол Θ зависит от тока вентиля и от конструкции вентилей, угол γ — от индуктивности коммутации и тока вентиля. Поэтому целесообразно в первый момент для обеспечения устойчивой работы вентилей в инверторном режиме увеличить угол β или уменьшить угол а, поскольку α+β=18θ°. Однако, для того чтобы быстрее погасить поле ротора, необходимо увеличить угол регулирования (рис. 43,в). Поэтому в некоторых системах возбуждения принято производить гашение поля в два этапа, причем угол регулирования первого этапа меньше, чем второго.
Схема выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором при гашении поля инвертированием выпрямителя (рис. 44).
Диаграммы построены отдельно для прямой и обратной звезд и совмещены на одном чертеже. Выпрямленное напряжение здесь также определено как полусумма выпрямленных напряжении двух звезд.
Рис. 44. Кривые токов и напряжений для схемы выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором.
Все сказанное выше при построении диаграмм мостовой схемы справедливо и для данной, однако полярность напряжений рассматривается относительно нуля источника питания, а не относительно другой фазы, как в мостовой схеме. Следует отметить, что положительные значения в кривой выпрямленного напряжения отдельных звезд имеют место при гораздо больших углах регулирования, чем в суммарной кривой.
