Схемы измерения тока. Схема тока

Усилитель постоянного тока на кт315.

На рисунке 1 представлена схема инвертирующего усилителя постоянного тока, транзистор включен по схеме с общим эмиттером:

Рисунок 1 - Схема усилителя постоянного тока на КТ315Б.

Рассмотрим расчёт элементов схемы. Допустим схема питается от источника с напряжением 5В (это может быть например сетевой адаптер), выберем ток коллектора Iк транзистора VT1 таким чтобы он не превышал предельно допустимого тока для выбранного транзистора (для КТ315Б максимальный ток коллектора Ikmax=100мА). Выберем Iк=5мА. Для расчёта сопротивления резистора Rк поделим напряжение питания Uп на ток коллектора:

Если сопротивление не попадает в стандартный ряд сопротивлений то нужно подобрать ближайшее значение и пересчитать ток коллектора. (Подробнее о выборе Rк)

На семействе выходных вольт амперных характеристик построим нагрузочную прямую по точкам Uп и Iк (показана красным цветом). На нагрузочной прямой выберем рабочую точку (показана синим цветом) по середине.

Рисунок 2 - Выходные ВАХ, нагрузочная прямая и рабочая точка

На рисунке 2 рабочая точка не попадает ни на одну из имеющихся характеристик но находится чуть ниже характеристики для тока базы Iб=0.05мА поэтому ток базы выберем чуть меньше например Iб=0.03мА. По выбранному току базы Iб и входной характеристике для температуры 25Сo и напряжения Uкэ=0 найдём напряжение Uбэ:

Рисунок 3 - Входная характеристика транзистора для выбора напряжения Uбэ

Для тока базы Iб=0.03мА найдем напряжение Uбэ но выберем чуть больше так как Uкэ>0 и характеристика будет располагаться правее, например выберем Uбэ=0.8В. Далее выберем ток резистора Rд1, этот ток должен быть больше тока базы но не настолько большим чтобы в нем терялась большая часть мощности, выберем этот ток в три раза большим чем ток базы: По первому закону Кирхгофа найдем ток резистора Rд2:

Обозначим на схеме найденные токи и напряжения:

Рисунок 4 - Схема усилителя с найденными токами ветвей и напряжениями узлов

Рассчитаем сопротивление резистора Rд1 и подберем ближайшее его значение из стандартного ряда сопротивлений: Рассчитаем сопротивление резистора Rд2 и подберем ближайшее его значение из стандартного ряда сопротивлений: Обозначим сопротивления резисторов на схеме:

Рисунок 5 - Усилитель постоянного тока на КТ315Б.

Так как расчёт приближённый может потребоваться подбор элементов после сборки схемы и проверки напряжения на выходе, элементы Rд1 и/или Rд2 в этом случае нужно подобрать так чтобы напряжение на выходе было близко к выбранному напряжению Uбэ.

Для усиления переменного тока на вход и на выход надо поставить конденсаторы для пропускания только переменной составляющей усиливаемого сигнала так как постоянная составляющая изменяет режим работы транзистора. Конденсаторы на входе и выходе не должны создавать большого сопротивления для протекания переменного тока. Для термостабилизации в цепь эмиттера можно поставить резистор с небольшим сопротивлением и параллельно ему конденсатор для ослабления обратной связи по переменному току. Резистор в цепи эмиттера наряду с резисторами делителя будет задавать режим работы транзистора.

На фотографии ниже собранный по схеме на рисунке 2 усилитель:

На вход усилителя не подано напряжение, вольтметр подключенный к выходу показывает 2.6В что близко к выбранному значению. Если подать на вход напряжение прямой полярности (такой как на рисунке 5) то напряжение на выходе уменьшится (усилитель инвертирует сигнал): Если подать на вход напряжение обратной полярности то напряжение на выходе увеличится но не больше напряжения питания: Уменьшение напряжения на входе, при подключении ко входу источника, меньше чем увеличение напряжения на выходе что говорит о том что происходит усиление входного сигнала с инверсией. Схема с общим эмиттером производит большее усиление по мощности чем схемы с общей базой и общим эмиттером но она, в отличии от двух других, производит инверсию сигнала. Если необходимо произвести усиление по мощности постоянного тока без инверсии то каскадно можно соединить две схемы на рисунке 5 но при этом необходимо учесть что первый каскад будет изменять режим работы транзистора второго каскада поэтому сопротивления резисторов во втором каскаде необходимо будет подобрать так чтобы это изменение было как можно меньше. Также при каскадном соединении увеличится коэффициент усиления всего усилителя (он будет равен произведению коэффициента усиления первого каскада на коэффициент усиления второго).

electe.blogspot.com

Схемы измерения тока - E-core

Почти каждый электронщик рано или поздно сталкивается с необходимостью измерять ток, например при проектировании лабораторного блока питания или зарядного устройства.

В этой статье мы рассмотрим наиболее популярные схемы их преимущества и недостатки.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки

Схема измерения тока в отрицательном полюсе нагрузки наиболее простая и широко распространенная. Данную схему можно встретить как в лабораторных блока питания, так и в схемах управления двигателями, схемах защит и пр.

Если не требуется высокая точность измерения тока, как правило, используется схема 1а, для более точного измерения тока, как правило, используется схема 1б.

Схема 1а

Схема 1б

В схеме 1б резистор R4 подключается к сигнальной аналоговой земле, резисторы R3 и R1 подключаются непосредственно к шунту. Сопротивление резисторов R1 и R3, R2 и R4 должно быть одинаковым.

Преимущества схемы:

простая реализация;
низкий уровень синфазного сигнала;
низкое выходное сопротивление;
широкий диапазон напряжений питания нагрузки;
низкая стоимость.

Недостаток у данной схемы один — токоизмерительный резистор (шунт) устанавливается в отрицательном полюсе нагрузки, что накладывает определенные ограничения.

Крутизна выходного сигнала схемы 1а определяется по формуле

(1) $\begin{equation*} K_{1a}=Rsh(1+\frac{R2}{R1}) \end{equation*}$

Крутизна выходного сигнала схемы 1б определяется по формуле

(2) $\begin{equation*} K_{1b}=Rsh\frac{R2}{R1} \end{equation*}$

В схемах с однополярным питанием когда требуется высокая точность измерений, кроме усиления сигнала с шунта требуется его небольшое смещение. Рассмотрим этот момент поподробнее.

При однополярном питании получить на выходе операционного усилителя (ОУ) нулевой потенциал достаточно сложно, даже при использовании дорогих Rail-to-rail ОУ минимальное напряжение на выходе может составлять десятки и сотни милливольт. Поскольку напряжение на выходе ОУ не опускается до нуля, то мы не может корректно измерять ток при около нулевых значениях, диапазон измерения оказывается «зарезан» на величину минимального выходного напряжения.

На схемах 2а и 2б приведена доработанная схема 1б со смещением выходного сигнала.

Схема 2а

Схема 2б

Вариант 2б сложнее, но дает чуть более высокую точность, кроме того он может оказаться более удобным если в устройстве несколько измерительных каналов, в этом случае ОУ U1B формирует единое смещение на все каналы.

В схемах 2а и 2б резистор R5 необходимо подключать к источнику опорного напряжения, если он имеется.

Смещение выходного сигнала схемы 2а определяется по формуле

(3) $\begin{equation*} dI_{1a}=Uref(1+\frac{R5}{R3})\frac{R2}{R1} \end{equation*}$

Смещение выходного сигнала схемы 2б определяется по формуле

(4) $\begin{equation*} dI_{1b}=Uref(1+\frac{R5}{R3}) \end{equation*}$

В формулах (3) и (4) Uref — это напряжение к которому подключается R5.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки является более предпочтительным, но это более сложная задача.

Наиболее распространенные схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки приведены ниже.

Схема 3а

Схема 3б

Преимущества схемы 3а:

измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
выходной сигнал от 0В.

Недостатки схемы 3а:

высокий уровень синфазного сигнала;
высокое выходное сопротивление.

Преимущества схемы 3б:

измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
низкое выходное сопротивление.

Недостатки схемы 3б:

высокий уровень синфазного сигнала;
необходимость точного подбора резисторов;
необходимость смещения выходного сигнала при однополярном питании.

В схеме 3б аналогично схеме 1б, резисторы R1 и R3, R2 и R4 должны быть равны.

Крутизна выходного сигнала схемы 3а и 3б определяется по формуле

(5) $\begin{equation*} K_{3a}=Rsh\frac{R2}{R1} \end{equation*}$

Общим и существенным недостатком схем 3а и 3б является высокий уровень синфазного сигнала близкий к напряжению на нагрузке, из-за этого диапазон допустимых напряжений на нагрузке ограничен напряжением питания ОУ. Существуют ОУ допустимый уровень синфазного сигнала которых может существенно превышать напряжение питания ОУ, например LT1637, но такие ОУ труднодоступны и дороги.

Высокий уровень синфазного сигнала приводит к существенной погрешности при использовании недорогих ОУ. Типовой уровень ослабления синфазного сигнала недорогих ОУ на уровне 80Дб, что дает погрешность 1мВ на входе ОУ на каждые 10В напряжения на нагрузке, погрешность на входе ОУ усиливается на величину коэффициента усиления схемы (R2/R1).

Для схемы 3б ситуация с ослаблением синфазного сигнала оказывается еще хуже из-за несогласованности сопротивления резисторов, так при использовании 1% резисторов коэффициент ослабления синфазного сигнала находиться на уровне 45Дб, что дает погрешность 56мВ на входе ОУ на каждые 10В напряжения на нагрузке.

Впрочем не все так плохо, данные схемы выпускаются в интегральном исполнении и называются токовые мониторы, например INA225, INA169 и др. В этих микросхемах используются высококачественные ОУ и точная подгонка сопротивления резисторов, благодаря чему коэффициент ослабления синфазного сигнала 100Дб и более, кроме того у них расширен диапазон допустимых синфазных напряжений.

Токоизмерительный резистор (шунт)

Все описанные схемы усиливают сигнал с токоизмерительного резистора (шунта) и естественно, что точность измерения тока зависит и от качества шунта.

Лучше всего для изготовления шунтов подходит манганин (проволока и лента), преимущество манганина в том, что он имеет очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС) на уровне 10-20 ppm/C и низкое значение термоЭДС с медью.

Чуть похуже в плане ТКС константан 30 ppm/C, но он имеет относительно высокое значение термоЭДС с медью, что приводит к дополнительной погрешности при измерении. Погрешность от термоЭДС незначительна и при разрешении системы на уровне 12 бит практически не заметна.

Хуже всего в плане ТКС проволочные резисторы типа KNP ( цилиндрические) и типа SQP (прямоугольные), имеющие ТКС 400 ppm/C и 300 ppm/C соответственно. Даже обычные выводные металлопленочные резисторы лучше и имеют ТКС 100 ppm/C.

Низкий ТКС для шунта важен потому, что при протекании через него большого тока он сильно нагревается, температура перегрева шунта может составлять 20 и более градусов. Если шунт из манганина, то изменение температуры на 20 градусов приведет к изменению сопротивления шунта всего на 0,02-0,04%, изменение сопротивления проволочного резистора составит 0,6-0,8%, металлопленочного 0,2%.

www.e-core.ru

Схемы электропередач и вставок постоянного тока

Структурные схемы ППТ и ВПТ приведены на рис. 11.1. В электропередачах постоянный ток используется лишь для транспорта электрической энергии от удаленной электростанции в приемную систему или из одной системы в другую. Для этого электрическая энергия переменного тока, вырабатываемая генераторами передающей системы, должна быть сначала преобразована в энергию постоянного тока, в таком виде передана по линии, затем снова преобразована, но уже в энергию переменного тока и передана в приемную систему.

В схеме, где используется вставка постоянного тока, транспорт энергии на расстояние осуществляется на переменном токе. Причем обычно это расстояние сравнительно невелико, так как ВПТ используется для связи примыкающих друг к другу систем. Постоянный ток здесь играет лишь роль звена, которое полностью развязывает соединенные системы по частоте и, с этой точки зрения, делает их не зависящими друг от друга.

Преобразование электрической энергии осуществляется преобразователями П1 и П2, связанными с передающей и приемной системами. Преобразователь, который преобразует энергию переменного тока от передающей системы в энергию постоянного тока, называется выпрямителем. Другой преобразователь, который получает энергию от выпрямителя и преобразует ее в энергию переменного тока, отдавая эту энергию в приемную систему, называется инвертором.

Преобразователи обладают свойством реверсивности: при необходимости изменения направления передачи мощности выпрямитель становится инвертором, а инвертор — выпрямителем. В зависимости от типа преобразователя реверс мощности осуществляется или за счет изменения полярности преобразователя, или путем изменения направления тока при сохранении его полярности.

Схема замещения передачи постоянного тока для установившегося режима приведена на рис. 11.2. В этой схеме выпрямитель представлен ЭДС Ев, а инвертор противоЭДС Еи. Выпрямитель и инвертор связаны между собой через сопротивление линии Rл. Важно отметить, что и ЭДС, и противоЭДС — величины не постоянные, они могут практически мгновенно меняться под воздействием регулирующих устройств независимо друг от друга. Это придает электропередаче свойство глубокой управляемости, поскольку при этом также изменяется передаваемая мощность и, при необходимости, ее направление.

Ток в линии определяется выражением

(11.1)

мощность, отдаваемая выпрямителем в линию постоянного тока,

(11.2)

мощность, получаемая инвертором от линии,

(11.3)

В этих выражениях индексом d обозначены ток Id, напряжения Ud1, Ud2, мощности Pd1, Pd2, относящиеся к постоянному току (direct — прямой). Здесь rв и rи — внутренние сопротивления выпрямителя и инвертора соответственно, эти сопротивления определяются сопротивлениями элементов систем переменного тока, приведенными к стороне постоянного тока.

Для выпрямителя направления ЭДС и тока совпадают. Это говорит о том, что выпрямитель является генератором электрической энергии по отношению к линии постоянного тока. В то же время по отношению к передающей системе он является потребителем этой энергии.

В инверторе направления тока и противоЭДС противоположны. Это говорит о том, что инвертор потребляет энергию от линии постоянного тока и генерирует ее в приемную систему.

При этом выполняются условия

(11.4)

Эти свойства являются общими для цепей постоянного тока, и рассматриваемая схема не исключение. Аналогичные соотношения имеются для генераторов и двигателей постоянного тока, работающих совместно. Генератор, потребляя энергию от приводного двигателя, передает ее в цепь постоянного тока, а двигатель, потребляя энергию от цепи постоянного тока, передает ее машине (орудию). При этом сохраняются направления ЭДС и тока, показанные на рис. 11.2, и соотношения между ЭДС и напряжением линии. Важно отметить, что для изменения тока в линии, а следовательно, и мощности от нуля до номинального значения достаточно изменять Ев и Еи на незначительную величину, обычно в пределах 8—10 % номинального.

В рассматриваемой схеме звеном, соединяющим выпрямитель и инвертор, является линия электропередачи, которая может иметь различные длину и исполнение. Возможные способы выполнения линий постоянного тока рассматриваются ниже. Применительно к вставке постоянного тока в данной схеме замещения будет отсутствовать линия, но соотношения (11.1)—(11.4) сохраняют свою силу. В этом случае сопротивления линий переменного тока, подходящих к вставке, будут включены в величины rв и rи.

В настоящее время в качестве преобразователей в электропередачах и вставках постоянного тока повсеместно используются статические управляемые вентильные преобразователи. Эти преобразователи могут быть двух типов — преобразователи с неполностью управляемыми вентилями и преобразователи с полностью управляемыми вентилями.

К первому типу относится известная трехфазная мостовая схема (рис. 11.3, а). В этой схеме в качестве вентилей используются обычные тиристоры, у которых контролируется только момент их открытия путем подачи маломощного управляющего импульса на их управляющий электрод. Закрываются такие вентили при переходе протекающего в них тока через нуль, что происходит под воздействием иных факторов (не за счет подачи управляющего сигнала). Такие преобразователи обладают свойствами преобразователей тока. Трехфазная мостовая схема была использована при сооружении почти всех существующих ППТ и ВПТ.

К другому типу преобразователей относятся преобразователи, в которых используются полностью управляемые вентили — силовые транзисторы или запираемые тиристоры (рис. 11.3, б). В этих полупроводниковых приборах, в отличие от неполностью управляемых вентилей, контролируется как момент открытия, так и момент закрытия путем воздействия на их систему управления. Кроме того, в схему входят и неуправляемые диоды. Такие преобразователи получили название преобразователи напряжения (ПН). Эта схема обладает иными, значительно улучшенными, энергетическими характеристиками, чем схема на рис. 11.3, а. Нумерация тиристоров (1—6) и диодов (1’ —6') соответствует очередности их работы.

Принцип действия преобразователя напряжения основан на следующем. Из постоянного напряжения, неизменность которого обеспечивается конденсатором, с помощью соответствующих законов управления вентилями, формируется несинусоидальное переменное напряжение на вентильной обмотке трансформатора. Вектор основной гармоники этого напряжения может изменять свое значение и фазу по отношению к вектору напряжения сети.

Если вектор напряжения преобразователя отстает от вектора напряжения сети, преобразователь потребляет энергию из сети, т.е. осуществляется режим выпрямителя, если опережает — преобразователь генерирует энергию в сеть, т.е. осуществляется режим инвертирования. Если напряжение преобразователя по своему значению больше напряжения сети, преобразователь генерирует реактивную энергию в сеть, если меньше — преобразователь потребляет реактивную мощность из сети.

Иными словами, преобразователь напряжения, в какой-то степени, подобен синхронной машине.

Для придания напряжению и сетевому току формы, близкой к синусоидальной, используется широтно-импульсная модуляция, благодаря которой выходное напряжение преобразователя формируется из последовательности высокочастотных импульсов разной длительности и полярности. Длительность этих импульсов изменяется так, что их среднее значение за период соответствует заданной форме кривой (синусоида, треугольник и др.). Более подробно работа этой схемы описана в гл. 12 настоящего учебника.

Сопоставляя два типа преобразователей между собой, можно отметить следующие их различия:

преобразователь первого типа может работать как выпрямителем, так и инвертором, но при переходе из одного режима в другой у него меняется полярность выпрямленного напряжения, в то время как полярность тока остается неизменной. У преобразователя второго типа при переходе из режима выпрямления в режим инвертирования меняется направление (полярность) тока, но полярность напряжения не изменяется;

преобразователь первого типа при работе как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертирования потребляет из сети значительную реактивную мощность и имеет сугубо несинусоидальную форму тока фазы сети, что принуждает применять фильтрокомпенсирующие устройства

(ФКУ) достаточно большой мощности. Преобразователь второго типа в обоих режимах может генерировать или потреблять реактивную мощность, что исключает необходимость применения мощных компенсирующих устройств. При этом форма тока фазы сети близка к синусоидальной, что значительно уменьшает мощность фильтров;

при использовании преобразователя первого типа короткое замыкание в цепи выпрямленного тока (в самом преобразователе или в линиях) может быть отключено закрытием тиристоров путем снятия с них управляющих импульсов; у преобразователей второго типа этого сделать нельзя из-за наличия в его схеме неуправляемых диодов. Если в составе электропередачи или вставок постоянного тока используют два преобразователя второго типа (один в качестве выпрямителя, другой — инвертора), то короткое замыкание следует отключать двумя выключателями в цепи переменного тока — со стороны выпрямителя и инвертора,

у преобразователя первого типа в цепи выпрямленного тока включен реактор, предназначенный для сглаживания пульсаций этого тока; у преобразователя напряжения такого реактора нет, но между полюсами включен конденсатор, что необходимо по условиям работы вентилей преобразователя;

тиристоры в схеме преобразователя первого типа имеют меньшую стоимость и меньшие потери мощности, чем запираемые тиристоры или транзисторы в схеме преобразователя второго типа.

В настоящее время преобразователи напряжения разработаны на мощность до 1000 МВт при напряжении 300 кВ. Сейчас сооружено несколько ВПТ и кабельных ППТ относительно небольшой мощности (200— 300 МВт). Эти преобразователи находятся еще на стадии исследований и опытной эксплуатации. Можно предположить, что в обозримой перспективе мощные дальние ППТ будут сооружаться с использованием преобразователей первого типа с обычными тиристорами, поэтому в дальнейшем речь пойдет о преобразователях, выполненных по схеме рис. 11.3, а.

Современный мощный высоковольтный преобразовательный блок включает в себя не только преобразователь, но и ряд других элементов, составляющих неотъемлемую часть этого блока. Рассмотрим их назначение.

Основным элементом преобразовательного моста являются вентили. В настоящее время в качестве вентилей используются высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ), собранные из единичных тиристоров, включенных последовательно. Для современных тиристоров необходимости в их параллельном соединении, как правило, нет. Более подробно конструкции ВТВ рассмотрены в § 11.3.

Каждый вентиль характеризуется следующими основными параметрами:

· средним значением тока, протекающим через него за период частоты сети Iср;

· максимальным значением напряжения, которое прикладывается к нему как в прямом, так и обратном направлении, когда вентиль закрыт, и которое этот вентиль должен выдержать Uобр max.

В первом приближении можно принять

где Udм — выпрямленное напряжение моста.

Тогда мощность преобразовательного моста будет функцией параметров вентилей

(11.5)

Отсюда следует: чем выше ток и напряжение вентилей, тем большая единичная мощность моста может быть достигнута. Поэтому усилия инженеров и конструкторов направлены на разработку вентилей с возможно более высокими параметрами.

В настоящее время разработаны конструкции ВТВ, позволяющие получить единичную мощность моста Pdм до 750—800 МВт при напряжении Udм до 500 кВ. Тем не менее полученная мощность единичного моста и его напряжение могут оказаться недостаточными для преобразования всей мощности ППТ, поэтому необходимо применять последовательно-параллельное соединение отдельных преобразовательных мостов. Следует отметить, что к последовательному (каскадному) соединению мостов необходимо прибегать и при значительно меньшей их мощности по причинам, которые будут рассмотрены ниже.

Другим важным элементом преобразовательного блока является трансформатор, который связывает преобразовательный мост с сетью передающей или приемной системы. Этот трансформатор выполняет две функции:

· 1) создает необходимое выпрямительное напряжение Udм, что обеспечивается выбором соответствующего коэффициента трансформации;

· 2) электрически отделяет цепь выпрямленного тока от сети переменного тока.

Необходимость такой гальванической развязки объясняется следующим обстоятельством. При глухо заземленной нейтрали сетей 220—500 кВ, куда включаются преобразователи ППТ и ВПТ, потенциалы фаз по отношению к земле жестко фиксированы и в нормальных режимах не превышают амплитуды фазного напряжения. В то же время потенциалы отдельных мостов по отношению к земле при их последовательном соединении различны, и потенциал полюса может существенно превышать потенциал фазы. Так, например, при Ud = ±750 кВ и напряжении сети 500 кВ потенциал полюса равен 750 кВ, амплитуда фазного напряжения сети составляет 407,5 кВ. Отсюда необходимость их электрического разделения.

Обмотку трансформатора, присоединенную к питающей сети, обычно называют сетевой обмоткой, а обмотку, подключенную к вентильному мосту, вентильной. Группами соединений обмоток трансформатора, которые обычно применяются на практике, являются Y/Y-12 или Y/-11. При этом с целью уменьшения содержания токов высших гармоник в токе фазы эти группы обычно используют в сочетании друг с другом.

Трансформатор может быть как двухобмоточный, так и многообмоточный, обычно трех- или четырехобмоточный. В последнем случае одна из обмоток — сетевая, две — вентильные, присоединенные к двум последовательно включенным мостам, к четвертой обмотке могут подключаться фильтры высших гармоник или синхронный компенсатор.

Вентили, применяемые в схеме моста, обладают свойством управляемости, т.е. они могут открыться только при подаче на управляющий электрод вентиля электрического импульса относительно небольшой мощности, в последних конструкциях — светового импульса. Изменяя момент подачи этого импульса (сдвиг по фазе), можно в широких пределах регулировать параметры режима моста (мощность, напряжение), переводить мост из выпрямительного режима в инверторный и наоборот. Важно отметить, что изменение режима может осуществляться практически безынерционно.

Управление режимом моста может осуществляться с помощью системы управления СУ, показанной на рис. 11.3, которая генерирует управляющие импульсы, распределяет их по вентилям моста и осуществляет необходимый сдвиг их по фазе относительно питающего напряжения.

На систему управления воздействует система автоматического регулирования САР, поддерживающая неизменными параметры режима, например ток в линии, передаваемую мощность и ряд других, в заданных пределах путем изменения фазы подаваемых импульсов. На эту же систему СУ воздействует система защиты СЗ, которая автоматически снимает передачу управляющих импульсов на вентили при возникновении аварийных ситуаций в преобразовательном мосту или в линии. Кроме того, на СУ воздействует система автоматики СА, которая осуществляет, например, автоматический ввод моста в работу после действия защиты и выполняет ряд других функций. Все эти системы объединены в один комплекс СУРЗА (система управления, регулирования, защиты, автоматики), являющийся неотъемлемой частью преобразовательного блока. На современных ППТ и ВПТ СУРЗА выполняется с использованием микропроцессорной техники.

Трансформатор и СУРЗА являются обязательными элементами обоих типов преобразователей, приведенных на рис. 11.3, а.

На рис. 11.3, а в полюс моста включен реактор. Обычно этот реактор включается в каждый полюс линии. Он предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока и исключает совместно с фильтрами, установленными на полюсах, проникновение переменных токов высших гармоник в линию. Кроме того, этот реактор ограничивает скорость изменения тока при авариях на линии, что диктуется условиями работы вентилей, а также защищает оборудование подстанции и прежде всего преобразовательные мосты от волн перенапряжений, которые могут приходить с линии. Для вставок постоянного тока такие реакторы также необходимы. Здесь они включаются непосредственно между выпрямителем и инвертором.

Одним из обязательных элементов преобразовательного блока являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Они предназначены для компенсации токов высших гармоник и реактивной мощности. В состав ФКУ входят фильтры токов высших гармоник, батареи статических конденсаторов, синхронные компенсаторы или статические регулируемые источники реактивной мощности. Схемы включения и состав элементов ФКУ могут быть различны. Так, например, фильтры могут включаться как на дополнительную обмотку трансформатора преобразователя, так и непосредственно на шины сети. Синхронные компенсаторы могут также быть включены или на шины сети через дополнительные трансформаторы, или же на дополнительную обмотку преобразовательного трансформатора. Целесообразность размещения фильтров высших гармоник в той или иной точке схемы во многом определяется параметрами примыкающей сети переменного тока и ее частотными характеристиками.

Как уже отмечалось, максимальная мощность преобразовательных мостов, разработанных к настоящему времени, достигает 750—800 МВт, что достаточно для решения существующих задач. В принципе, при достигнутых параметрах тиристоров преобразовательные мосты можно конструировать на значительно большие мощности. Однако здесь возникает ограничение, связанное с возможностью выполнения трансформаторов, питающих такие преобразователи.

Отсюда возникает проблема увеличения мощности всей передачи при ограниченной мощности преобразовательных мостов. Эту проблему можно разделить на две: 1) увеличение мощности электропередач постоянного тока и 2) увеличение мощности вставок постоянного тока.

Для электропередач, особенно дальних, как известно, важнейшим фактором увеличения передаваемой мощности является повышение напряжения линии. Поэтому увеличение мощности электропередачи и одновременно ее напряжения может быть достигнуто за счет последовательного (каскадного) соединения нескольких преобразовательных мостов. При этом напряжение полюса равно сумме напряжений отдельных мостов. Для того чтобы ограничить количество последовательно включенных мостов с целью упрощения схемы подстанции, необходимо, чтобы каждый мост имел достаточно высокое выпрямленное напряжение, что, естественно, увеличивает стоимость оборудования.

Однако для очень мощных электропередач этого решения может быть недостаточно. Для увеличения мощности электропередачи в этом случае необходимо увеличить еще и ток полюса. С этой целью прибегают к параллельному соединению двух ветвей, в каждую из которых входят несколько последовательно соединенных преобразовательных мостов. Такое решение может быть объяснено тем, что пока еще нет возможности изготовить оборудование, в том числе и линейные реакторы, на необходимые номинальные токи.

Другим путем увеличения мощности дальней электропередачи является сооружение второй параллельной цепи линии. Выбор того или иного варианта решения задачи должен производиться на основании тщательных технико-экономических сопоставлений. Возможные схемы увеличения мощности ППТ приведены на рис. 11.4.

У вставок постоянного тока нет линии, значит, нет и необходимости значительно увеличивать выпрямленное напряжение, что положительно сказывается на стоимости оборудования и упрощает конструктивные решения. Поэтому в ВПТ увеличение мощности достигается за счет параллельного включения преобразовательных блоков относительно меньшей мощности и более низкого, чем в ППТ, напряжения. Причем увеличение мощности ВПТ может осуществляться и в дальнейшем по мере необходимости за счет параллельного включения новых блоков. В то же время и здесь приходится прибегать к каскадному соединению преобразовательных мостов отдельных блоков, чтобы уменьшить содержание токов высших гармоник в сетевом токе преобразователя.

Выше говорилось о возможных схемах преобразовательных подстанций. Теперь рассмотрим возможные схемы выполнения самих электропередач постоянного тока.

Поскольку цепи переменного и постоянного тока в ППТ электрически не связаны, то, если в цепи постоянного тока отсутствует связь с землей, потенциалы относительно земли в этой цепи будут определяться случайными факторами, главным образом токами утечки по изоляции, что недопустимо, так как в этом случае невозможно осуществить координацию изоляции. Поэтому хотя бы одна из точек в цепи постоянного тока должна быть заземлена. На практике в ППТ обычно заземляют две точки. Это могут быть или один из полюсов передачи, или средние точки преобразовательных подстанций.

В первом случае, когда с двух сторон заземляется один из полюсов передачи, провод этого полюса обычно отсутствует, его роль выполняет земля. Для постоянного тока сопротивление земли равно нулю. Поэтому сопротивление заземленного полюса будет определяться только сопротивлением растекания заземлителей, с помощью которых полюс соединяется с землей. Это сопротивление имеет очень малую величину (0,05—0,15 Ом) и поэтому не оказывает влияния на режим передачи. В результате для электропередачи требуется только один полюс, подвешенный на изоляторах, если линия воздушная, или одножильный кабель, проложенный в земле или по дну морского пролива. Такие передачи называются униполярными, или монополярными. Схема униполярной ППТ приведена на рис. 11.5, а.

Обычно электропередачи такого типа сооружаются при пересечении больших водных пространств, например морских проливов. Для передачи мощности от выпрямителя к инвертору требуется проложить одножильный кабель, рассчитанный на напряжение полюс-земля. Заземляющие электроды закладываются в землю непосредственно на берегу или опускаются прямо в воду. В последнем случае применяются мероприятия по защите рыбы от воздействия тока растекания.

По такой схеме выполнен целый ряд электропередач: Италия — о-в Сардиния в Средиземном море, Швеция—Дания через пролив Скагеррак в Балтийском море, Швеция—Финляндия через Ботнический залив и ряд других. На электропередаче Швеция—Финляндия, которая является самой мощной из униполярных передач, проложен кабель длиной 200 км всего лишь с одной соединительной муфтой.

Использование земли для возврата тока имеет и свои отрицательные стороны. Наиболее существенным недостатком здесь является возможность коррозионного разрушения металлических инженерных сооружений, проложенных в земле вблизи заземления, — трубопроводов, кабелей. Часть тока передачи будет распространяться по этим сооружениям и, стекая с них, может вызвать их повреждения за счет электролиза вплоть до образования отверстий в трубопроводах или оболочках кабелей. Последствия этого очевидны.

На основании расчетов и экспериментальных исследований установлено, что при токе заземленного полюса, равном 1 кА, радиус опасной зоны вокруг заземлителя составляет около 5 км. Для подземных сооружений, расположенных в этой зоне, необходимо применение катодной защиты. В некоторых случаях, когда линия прокладывается в местности, где много подземных инженерных сооружений, например при глубоком вводе в город, для того чтобы избежать растекания тока по земле, заземленный полюс выполняется в виде кабеля, жила которого заземлена. Область применения униполярных ППТ — передача относительно небольших мощностей (несколько сотен мегаватт) на сравнительно небольшие расстояния, главным образом при пересечении водных преград.

Для мощных электропередач применяют другую схему, где линия выполнена с двумя полюсами, каждый из которых изолирован от земли. Заземляются средние точки преобразовательных подстанций, расположенных по концам передачи. Такая передача называется биполярной. Схема одной цепи такой передачи приведена на рис. 11.5, б. Иногда такую цепь называют биполем. При необходимости увеличения мощности передачи сооружают вторую такую же цепь. Так сделано на ППТ Итайпу, где мощность каждого биполя составляет 3150 МВт.

Благодаря тому, что средние точки преобразовательных подстанций заземлены, каждая цепь (биполь) может быть разделена на две независимые полуцепи. В нормальных режимах ток от выпрямителя к инвертору передается по положительному полюсу линии и возвращается по отрицательному. При равной нагрузке обеих полуцепей ток в земле равен нулю. Однако на практике невозможно обеспечить полную идентичность параметров оборудования и параметров режима каждой из полуцепей. Поэтому некоторый небаланс может быть, и ток в земле не будет равен нулю. Однако он много меньше тока полюса, и в дальнейшем его не будем учитывать. При выходе одной полуцепи из работы другая продолжает работать, но с возвратом тока через землю. При этом мощность передачи уменьшается вдвое, но, тем не менее, передача, хотя и со сниженной мощностью, продолжает работать.

Для мощных электропередач, где ток полюса составляет несколько тысяч ампер, зона опасного влияния тока в земле значительно больше упомянутой ранее. Поэтому точки заземления с помощью специальных линий выносятся на расстояние в несколько десятков километров от преобразовательных подстанций туда, где нет подземных инженерных сооружений.

Для биполярных передач различают два вида напряжения линии: напряжение полюс-земля Udп-з и напряжение полюс-полюс Udп-п. Очевидно, что напряжение полюс-полюс в 2 раза больше напряжения полюс-земля. Поэтому передача с напряжением, например, ±500 кВ и передача 1000 кВ — это одна и та же передача.

Область применения биполярных электропередач — передача больших мощностей на большие расстояния. По биполярной схеме выполнены все мощные и дальние электропередачи постоянного тока, построенные к настоящему времени: Итайпу (Бразилия), Тихоокеанская (США), Кабора Басса — Апполо (Мозамбик — ЮАР) и многие другие. По этой же схеме строилась электропередача Экибастуз—Центр. Следует, правда, отметить, что к биполярным передачам прибегают и в других случаях, например ППТ Англия—Франция, проложенная через пролив Ла-Манш, выполнена как биполярная. Одной из причин, приведших к такому решению, было стремление избежать влияния магнитного поля однополюсной линии на навигационные приборы судов, идущих по проливу.

Линии постоянного тока как униполярные, так и биполярные не имеют линейных выключателей. Их роль с успехом выполняют управляемые вентили преобразователя. При возникновении аварийных ситуаций в линии постоянного тока достаточно снять управляющие импульсы с вентилей выпрямителя (закрыть вентили), чтобы ток в линии прекратился. Закрытие вентилей может быть выполнено как вручную дежурным персоналом подстанции, так и автоматическими устройствами защиты, реагирующими на возникновение повреждения.

Отсутствие линейных выключателей упрощает конструкцию преобразовательной подстанции и благоприятно отражается на ее экономических показателях. Однако такое решение может быть принято лишь для магистральных электропередач, т.е. передач, не имеющих промежуточных подстанций. Для передач с промежуточными подстанциями (сети постоянного тока) необходимо применение выключателей постоянного тока, предназначенных для локализации аварий, которые могут возникнуть на отдельных участках передачи.

Создание высоковольтного выключателя постоянного тока представляет собой весьма сложную техническую задачу, решение которой требует проведения серьезных научно-исследовательских и конструкторских проработок. Пути решения этой задачи найдены.

В настоящее время в России и за рубежом разработаны опытные образцы высоковольтных выключателей постоянного тока напряжением до 750 кВ, однако применения в практике они пока не нашли. Для промежуточного отбора мощности от ППТ необходимо в точке отбора соорудить преобразовательную подстанцию. При этом необходимо, чтобы туда можно было подать напряжение от местной энергосистемы для обеспечения работы инвертора. Эта промежуточная преобразовательная подстанция может быть включена в линию последовательно или параллельно, как это показано на рис. 11.6.

При последовательном включении часть преобразовательных мостов как бы разнесена по линии от концевых подстанций в промежуточные точки. Каждая из промежуточных подстанций может работать как в выпрямительном, так и инверторном режиме. При работе в выпрямительном режиме энергия промежуточной системы поступает в линию постоянного тока, при работе в инверторном — отбирается от линии и поступает в эту промежуточную систему.

Недостатком схемы последовательного отбора мощности является зависимость работы всех подстанций друг от друга. Это проявляется в трудности регулирования мощности отдельных подстанций, поскольку ток в последовательной цепи должен оставаться неизменным для всех ее участков. Выход из работы любой из подстанций в результате аварии может привести к прерыванию тока и обесточиванию всех остальных подстанций. Поэтому промежуточные подстанции должны быть оборудованы шунтирующими аппаратами, в том числе и шунтирующими вентилями, которые автоматически включаются при аварии на данной подстанции.

Параллельное включение промежуточных подстанций, во-первых, позволяет осуществить независимое регулирование мощности на всех подстанциях и изменять ее направление, т.е. переходить на любой из подстанций из режима выпрямителя в режим инвертирования и наоборот; во-вторых, параллельное включение позволяет перейти к созданию высоковольтной сети постоянного тока, предназначенной для связи нескольких промежуточных энергосистем.

Недостаток схемы ППТ с параллельным отбором мощности состоит в необходимости использования выключателей постоянного тока для отключения поврежденных участков. Выключатели могут быть заменены разъединителями с дистанционным приводом. Но в этом случае необходимо сначала обесточить всю передачу, затем в бестоковую паузу отключить поврежденный участок передачи и снова ее включить. Обесточивание передачи может быть осуществлено снятием управляющих импульсов с преобразователей, работающих выпрямителем (закрытием вентилей). Все это осуществляется средствами защиты и автоматики электропередачи. На пятиподстанционной ППТ Канада—США использован именно этот метод. Этот же метод используется на электропередаче Италия — о-в Корсика — о-в Сардиния с отбором мощности на о-ве Корсика.

В случае если какие-то преобразовательные подстанции в схеме их параллельного включения должны работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме, то на таких подстанциях необходимо иметь устройство для переключения полярности полюсов преобразователя, чтобы изменять направление тока в преобразователе при сохранении полярности напряжения линии. При использовании преобразователей напряжения, где полярность остается неизменной, такие устройства не нужны.

Для вставок постоянного тока, как уже отмечалось, нет необходимости увеличивать напряжение и мощность преобразовательного блока. Увеличение мощности вставки достигается параллельным включением нескольких блоков аналогично тому, как это делается на электростанциях при параллельном включении генераторов. В качестве примера может быть приведена ВПТ Россия—Финляндия в г. Выборге. Она состоит из четырех одинаковых комплектных высоковольтных преобразовательных устройств (КВПУ) мощностью по 355 МВт каждое и включенных с одной стороны на шины 330 кВ, куда заходят линии от системы Ленэнерго, с другой — на шины 400 кВ, связанные с энергосистемой Финляндии. Каждое КВПУ размещено в отдельном здании, где также расположены все системы, обслуживающие преобразователи (СУРЗА, система охлаждения и др.).

Каждый из преобразователей (выпрямитель и инвертор) благодаря применению тиристорных вентилей, которые могут практически мгновенно включаться и столь же мгновенно отключаться (время включения для мощных тиристоров составляет несколько десятков, а выключения — несколько сотен микросекунд), по существу является быстродействующим переключателем. Поэтому принцип действия преобразователя основан на поочередном подключении фаз сети переменного тока к линии постоянного тока таким образом, чтобы в этой линии сохранялись неизменными полярность полюсов линии и направление тока. Такие переключения осуществляются 6 раз за каждый период частоты сети переменного тока, т.е. через каждые 0,0033 с. Изменяя момент подачи управляющего импульса на вентили, можно изменять как величину, так и полярность выпрямленного напряжения. В последнем случае осуществляется переход из режима выпрямления в режим инвертирования и наоборот.

В преобразовательной технике принято измерять временные интервалы не в единицах времени, а в электрических градусах (1 эл. град, равен 55,5 мкс) и все временные интервалы измеряются в углах (10 эл. град., 20 эл. град, и т.д.). При угле управления преобразователем, равном нулю (α = 0), на его выходе будет наибольшее выпрямленное напряжение. При изменении угла α от 0 до 90 эл. град, это напряжение будет снижаться и при α = 90 эл. град., будет равно нулю. При дальнейшем увеличении угла α сверх 90 эл. град, полярность напряжения изменится на противоположную и преобразователь перейдет в режим инвертирования (рис. 11.7). Нетрудно видеть, что напряжение на выходе моста образовано отрезками синусоид междуфазных напряжений вентильной обмотки трансформатора преобразователя. Для сглаживания имеющихся пульсаций и предназначен реактор, который включается последовательно в цепь выпрямленного тока. За реактором на стороне линии при этом будет постоянное без пульсаций напряжение, значение и знак которого также будут зависеть от угла α.

На возможности быстрого изменения углов управления преобразователями и основана система автоматического регулирования ППТ и ВПТ. При этом система включает в себя несколько регуляторов и делится на две подсистемы — первичного и вторичного регулирования. Первая из них быстродействующая, вторая действует с некоторым замедлением.

Одними из основных регуляторов подсистемы первичного регулирования являются регуляторы тока, которые