|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Однофазных управляемых выпрямителей
В выпрямителях средней и большой мощности возрастает влияние э.д.с., создаваемых в первичной и вторичной обмотках трансформатора их магнитными потоками рассеяния.
Повышение роли индуктивностей рассеяния сказывается на процессе перехода тока нагрузки с одного тиристора на другой (процесс коммутации). В маломощных выпрямителях ввиду относительной малости индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, указанный переход тока протекает за короткий интервал времени. Коммутацию тока в этих выпрямителях считают мгновенной и не учитывают. В выпрямителях же средней и большой мощности интервал коммутации, характеризуемый углом
(или суммарным индуктивным сопротивлением
Процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характеристики выпрямителя рассмотрим вначале для однофазной схемы с нулевым выводом. Поскольку неуправляемый выпрямитель является частным случаем управляемого при
Временные диаграммы, поясняющие влияние коммутационных процессов в схеме выпрямителя, приведены на (рис. 9.4.5 б – е). Влияние проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 237
Рис. 9.4.5. Электромагнитные процессы в схеме УВ 238 Электронные аппараты
напряжение
Уравнение (3.3) описывает внешние характеристики управляемого выпрямителя. Для различных значений угла управления они представляются семейством параллельных прямых (9.4.6). Наклон характеристик зависит от величины приведенного к вторичной обмотке трансформатора суммарного реактивного сопротивления
Коммутационные явления в схеме управляемого выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питания. Фазовый сдвиг первой гармоники потребляемого тока
Кривая напряжения на тиристоре (см. рис. 9.4.5 в) отличается от аналогичной кривой (рис. 9.4.1 в) увеличением интервала его проводимости на время коммутации. С учётом угла
Рис. 9.4.6. Внешние характеристики однофазного УВ Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 239
Коммутационные процессы в однофазном подобны процессам в однофазной схеме с нулевой точкой. Особенность заключается в том, что на этапе коммутации в проводящем состоянии находится одновременно все четыре тиристора.
Уравнение внешних характеристик мостовой схемы записывается в виде:
Первая гармоника потребляемого тока
9.4.3. Трёхфазные управляемые выпрямители
Трёхфазные управляемые выпрямители строятся по схемам с однополупериодным выпрямлением (рис. 9.4.9 а) и двухполупериодным выпрямлением (рис. 9.4.9 б) [1, 10, 18].
Трёхфазная мостовая схема получила преимущественное применение при построении управляемых выпрямителей трёхфазного тока. Анализ схемы выпрямителя (рис. 9.4.9 б) проведём для активно-индуктивной нагрузки с обратным диодом вначале при
Особенность работы управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол
Влияние изменения угла 240 Электронные аппараты
При изменении угла
Рис. 9.4.9. Трёхфазные управляемые выпрямители
Рис. 9.4.10. Напряжение на выходе трёхфазного мостового УВ при Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 241
При
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла (регулировочная характеристика) при
где
Участок регулировочной характеристики на интервале
Регулировочная характеристика трёхфазного мостового выпрямителя, построенная по выражениям 3.5, 3.6, приведена на рис. 9.4.11.
Кривые анодных токов тиристоров и тока потребления так же, как и в схеме однофазного управляемого выпрямителя (рис. 9.4.4) отличаются от синусоиды. Амплитуда обратного напряжения на тиристоре равна 1, 045
Рис. 9.4.11. Регулировочная характеристика трёхфазного мостового выпрямителя 242 Электронные аппараты
Коммутация токов, обусловленная наличием индуктивности в цепи питания, протекает так же, как и в схемах однофазных выпрямителей. Коммутационные падения напряжения сказываются на форме кривой напряжения
где
Соотношение (3.7) является уравнением внешних характеристик трёхфазного управляемого выпрямителя.
9.4.4. Энергетические характеристики Управляемых выпрямителей
Энергетические характеристики управляемого выпрямителя определяются следующими зависимостями:
□ зависимости среднего, эффективного и максимального тока тиристора от среднего тока нагрузки (
□ зависимости полной и активной мощности по первой гармонике, потребляемой УВ из сети от средней мощности в нагрузке (
□ зависимость потерь в тиристоре от средней мощности в нагрузке
Управляемый выпрямитель отрицательно влияет на питающую сеть переменного тока. Во-первых, он потребляет из сети несинусоидальный ток. Во-вторых, он сдвигает фазу потребляемого тока относительно питающего напряжения. Несинусоидальность тока может быть охарактеризована коэффициентом гармоник (ТНD-Total Harmonic Distorsion)
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 243
где
Фазовый сдвиг зависит от угла управления управляемым выпрямителем и несинусоидальности тока потребления. Поэтому коэффициент мощности УВ определяется следующим образом. Первую гармонику тока можно разложить на активную
□ полная мощность, потребляемая из сети
□ полная мощность по первой гармонике
□ активная мощность по первой гармонике
□ реактивная мощность по первой гармонике
□ мощность искажений D =
Все перечисленные характеристики являются функцией среднего тока нагрузки УВ, который в общем случае определяется выражением
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 244
9.4.5. Ведомые сетью инверторы
В управляемом выпрямителе можно организовать режим работы, при котором энергия будет передаваться от цепи постоянного тока в сеть [10, 18]. Условия, при котором такой режим может быть реализован, следующие:
□ в нагрузке должна быть включена большая индуктивность;
□ должен отсутствовать обратный диод;
□ э.д.с. нагрузки должна быть направлена согласно с направлением напряжения на выходе выпрямителя.
Такие условия возникают в реверсивных управляемых выпрямителях при управлении двигателем постоянного тока по цепи якоря.
Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Инверторы, ведомые сетью, осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока, т. е. решают задачу, обратную выпрямлению.
Ведомые инверторы выполняют по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. На рис. 9.4.13 а приведена двухполупериодная схема однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом трансформатора.
Прежде чем перейти к рассмотрению электромагнитных процессов и характеристик ведомого инвертора укажем основные положения, отличающие режим инвертирования от режима выпрямления.
При выпрямлении источником энергии (генератором) является сеть переменного тока. Поэтому при
Показателем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на 180 245 Электронные аппараты
Рис. 9.4.13. Двухполупериодная схема однофазного ведомого инвертора Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 246
отпирания тиристоров осуществляется поочерёдное подключение вторичных обмоток трансформатора через дроссель
Указанному режиму отпирания тиристоров при инвертировании соответствует (на рис. 9.4.13 г) значение угла управления
Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании очередного тиристора в ведомом инверторе осуществляется под действием обратного напряжения, создаваемого напряжением сети со стороны вторичных обмоток трансформатора (чем главным образом и обуславливается название инвертора – «ведомый» или «ведомый сетью»). Очевидно, к ранее проводившему тиристору при отпирании очередного тиристора будет приложено обратное напряжение (равно сумме напряжений двух вторичных обмоток) только в этом случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключённой к нему обмотке действует напряжение положительной полярности. Иными словами, реальное значение угла
Угол
или
Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений, проводя их отпирание с углом опережения
Электромагнитные процессы в схеме однофазного ведомого сетью инвертора с учётом коммутационных процессов показаны на рис. 9.4.14. 247 Электронные аппараты
На рис. 9.4.14 а приведены кривые вторичных напряжений трансформатора, а на рис. 9.4.14 б – сигналы управления тиристорами.
На интервале 0 -
По окончании интервала
В последующем процессы, протекающие в схеме, связаны с чередованием коммутационных интервалов, когда ток проводят оба тиристора, и интервалов одиночной работы тиристоров. В связи с тем. Что используются участки синусоид
Кривая напряжения на тиристоре (рис. 9.4.14 е) определяется суммой напряжений вторичных обмоток трансформатора. Максимальное прямое напряжение равно
Кривые напряжения сети
Если принять
Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 248
Рис. 9.4.14. Электромагнитные процессы в схеме ведомого инвертора
Отсюда
или
где
249 Электронные аппараты
Энергетические характеристики ведомых сетью инверторов идентичны с характеристиками управляемых выпрямителей.
9.4.6. Высшие гармонические первичного тока Управляемых выпрямителей И ведомых сетью инверторов
Кривые тока сети управляемых выпрямителей и ведомых сетью инверторов при больших индуктивностях в нагрузке значительно отличаются от синусоиды. Это свидетельствует о том, что рассматриваемые силовые преобразователи для сети переменного тока являются генераторами некоторого спектра высших гармонических, что отрицательно воздействует на сеть. Протекание высших гармоник по обмоткам генераторов, питающих сеть, вызывает в них дополнительные потери и нагрев. Дополнительные потери создаются в передающих линиях и трансформаторах. Падение напряжения от высших гармонических на внутренних импедансах питающей сети вызывает искажение формы питающего напряжения, что отрицательно сказывается на работе других потребителей. Искажение формы питающего напряжения особенно ощутимо, когда мощность сети соизмерима с мощностью силового преобразователя.
Исследование спектрального состава для рассматриваемых преобразователей и для всех последующих рассмотрений (когда это необходимо) Осуществляется с использованием пакета расширения Signal Processing Toolbox (SPTool). На рис. 9.4.15, в качестве примера, показан спектр тока потребления трёхфазного мостового управляемого выпрямителя.
Как видно, спектр потребляемого тока содержит 1, 5, 7, 11 гармоники. Относительные (по отношению к первой гармонике) амплитуды высших
Рис. 9.4.15. Спектральный состав тока потребления управляемого выпрямителя Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 250
гармоник рассчитываются, как отношение
9.4.7. Непосредственные Преобразователи частоты
Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) предназначены для одноступенчатого преобразования энергии переменного тока частоты
Принцип действия однофазного НПЧ, работающего на активную нагрузку, показан на рис. 9.4.16 при питании от однофазной сети через трансформатор со средней точкой.
Схема (рис. 9.4.16 а) по сути является реверсивным однофазным управляемым выпрямителем, который подробно рассмотрен выше.
Этот реверсивный выпрямитель управляется по определённой программе, представленной на (рис. 3.16 б). Первоначально проводят тиристоры Т1 и Т2 при изменении угла включения т. к.
На (рис. 9.4.16 б) показаны временные зависимости напряжения сети и напряжения на выходе НПЧ.
Схема трёхфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух мостовых тиристорных групп, соединённых встречно-параллельно, приведена на рис. 9.4.17. 251 Электронные аппараты
Рис. 9.4.16. Однофазно-однофазный НПЧ
Нагрузка Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 252
Рис. 9.4.17. Трёхфазно-однофазный НПЧ
Вид кривой выходного напряжения преобразователя показан на рис. 9.4.18 а. Она формируется при последовательном вступлении в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров (рис. 9.4.18 б).
В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора. 253 Электронные аппараты
Рис. 9.4.18. Напряжение на выходе (а) и алгоритм управления (б) трёхфазно-однофазного НПЧ
При активно-индуктивной нагрузке имеются интервалы времени, в течение которых первая гармоника напряжения
Для управления НПЧ, как правило, используется так называемый раздельный способ. Суть этого способа управления состоит в разнесённом во времени управлении тиристорными группами Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 254
инвертирования, управляющие импульсы в момент времени
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 946; Нарушение авторского права страницы
, может занимать довольно значительную часть длительности рабочих процессов. Коммутационные процессы здесь оказывают существенное влияние на работу, показатели и характеристики выпрямителя. Влияние индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора 
, 
, а при более точных расчётах – и индуктивности питающей сети 
, учитывается суммарной индуктивностью.
= 
) 
), приведенной к вторичной обмотке трансформатора.
= 0, анализ проводится для управляемого выпрямителя. При 
∞.
и 
затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводившего тиристора и нарастания до значения 
тока тиристора, вступающего в работу (рис. 9.4.5 д). В результате, на интервале коммутации 
и сопротивлением 
при учёте угла коммутации 
. (3.3)
. Выпрямителю, выполненному на диодах (неуправляемый выпрямитель), соответствует внешняя характеристика со значением 
(1) растёт пропорционально углу коммутации и составляет 
.
.
. (3.4)
= 
= 
= 0, а затем укажем их влияние.
(рис. 9.4.10) переход напряжения 
60 
, (3.5)
= 2, 34 
.
находится из выражения
, (3.6)
, которое для трёхфазной схемы определяется из уравнения
, (3.7)
); 
); 
, (3.8)
- эффективные значения тока первой и т. д. гармоник, 
- эффективный ток всех высших гармоник.
и реактивную 
составляющие. Если принять, что напряжение сети синусоидально, тогда отдельные составляющие мощности для трёхфазных схем определятся следующими выражениями: 
; 
; 
.
. (3.9)
. При 
= ∞ и 
, а тиристор Т2 – при положительной полярности напряжения 
(рис. 9.4.13 в).
, отсчитываемого в направлении запаздывания относительно точек естественного отпирания вентилей (0, 
, 2 
(рис. 9.4.13 е), т. е. 
(рис. 9.4.14 д), равный току 
, протекает под действием э.д.с. 
источника постоянного тока через вторичную обмотку трансформатора навстречу напряжению 
= 
, а обратное - 
. Длительность действия обратного напряжения на тиристоре, определяемая углом 
, не должна быть меньше величины 
, необходимой для восстановления запирающих свойств тиристора, ( 
- паспортное время восстановления запирающих свойств тиристора; 
- частота питающей сети).
, где 
- коэффициент трансформации трансформатора На этапах коммутации ток 
.
(3.11)
, (3.12)
. (3.13)
, где 
- порядковый номер гармоники. Расчёт абсолютных величин гармоник будет описан далее в лабораторных работах.
. В этих преобразователях кривая выходного напряжения составляется из участков напряжений сети благодаря осуществлению с помощью тиристоров непосредственной связи цепи нагрузки с сетью переменного тока. Непосредственные преобразователи частоты выполняются с однофазным или трёхфазным выходом и с однофазным или трёхфазным входом. Для получения более качественной формы кривой выходного напряжения (с малым содержанием высших гармонических) преобразователи обычно питаются от сети трёхфазного тока.
в диапазоне 
, а тиристоры Т3 и Т4 закрыты, т. к. их угол включения 
. В последующем временном интервале проводят тиристоры Т3 и Т4; ( 
.
преобразователя имеет активно-индуктивный характер (индуктор низкочастотного нагрева, низкоскоростные асинхронные двигатели в преобразователях с трёхфазным выходом, сеть переменного тока частоты 
, 
). В указанных интервалах времени обеспечивается работа соответствующей тиристорной группы в режиме инвертирования. Так, например, на интервале - 
работает в режиме выпрямления, а при достижении точки 
сетевой частоты 50 Гц, а по отношению к периоду выходной частоты – ещё меньше) и практически их можно не учитывать при анализе процессов в схеме.