Лекция №8 Файл

Лекция №8
Преобразователи с сетевой
коммутацией.
Общие сведения
Основными силовыми электронными устройствами
являются преобразователи, осуществляющие
преобразование электроэнергии – изменение одного
или нескольких ее параметров (напряжение, частота,
число фаз и т.п.) посредством электронных силовых
приборов, без существенных потерь мощности.
К преобразователям переменного/постоянного
относятся выпрямители- преобразователи
переменного тока в постоянный и инверторы преобразователи постоянного тока в переменный, а
также обратимые преобразователи, сочетающие те
и другие преобразователи
Силовые преобразователи подразделяют на типы
(рис.8.1.):
преобразователи переменного/постоянного
тока(преобразующие переменный ток в постоянный
или наоборот);
 преобразователи с преобладанием свойств источника
напряжения (с низким полным внутренним сопротивлением
для гармоник тока на стороне постоянного тока, которое
обеспечивается, например подключением конденсатора
параллельно шинам постоянного тока;
 преобразователи с преобладанием свойств источника тока
(имеющие высокое полное сопротивление для гармоник и
сглаженный ток на стороне постоянного тока, который
обеспечивается, например последовательно включенным с
главной цепью постоянного тока реактором)
преобразователи переменного тока (преобразующие
постоянный ток в постоянный);
преобразователи постоянного тока(преобразующие
постоянный ток в постоянный).
Прямые преобразователи осуществляют
непосредственное (без промежуточных звеньев)
преобразование электроэнергии внешнего источника в
электроэнергию с требуемыми параметрами.
Непрямые преобразователи содержат промежуточные
звенья преобразователей переменного или постоянного
тока (выпрямитель с бестрансформаторным входом,
инвертор повышенной частоты с трансформаторным
выходом и выходным выпрямителем, преобразующим
напряжение повышенной частоты в напряжение
постоянного тока
Рис.8.1.Классификация основных схем
электронных силовых преобразователей
По основным выполняемым функциям некоторые виды
силовых электронных преобразователей относят к
электронным силовым регуляторам или силовым
электронным прерывателем.
По виду используемых силовых ключей и способов их
коммутации преобразователи разделяют:
не полностью управляемые относятся диоды,
управляемость ограничивается включением под
воздействием прямого напряжения, и обычные,
традиционные тиристоры – преобразователи с сетевой
коммутацией;
полностью управляемые относятся все электронные
ключи, включение и выключение которых
осуществляется подачей на их управляющий вход токов
или напряжений.
Коммутацией в электронном преобразователе называют
переход тока с одного или нескольких одновременно
проводящих ключей на другой ключ в течение конечного
интервала времени, когда выключаемый и включаемый
ключи одновременно находятся в проводящем
состоянии.
Коммутация диодов возможна под воздействием
переменного напряжения, например электрической
сети.
Для тиристоров такая коммутация обеспечивается в
результате изменения полярности напряжения внешнего
источника.
Преобразователи можно классифицировать по:
номинальной мощности (малой, средней, большой);
рабочим напряжению и токам (низкого или высокого
напряжения, малых и больших токов);
значениям частоты входного или выходного
напряжения 9низкочастотные, высокочастотные);
числу фаз (однофазные, трехфазные, многофазные);
модульному принципу исполнения (многоячейковое,
многоуровневое и др.);
способам коммутации тиристоров (с конденсаторной
коммутацией, коммутацией LC-контуром,
коммутацией под воздействием резонансных
процессов в нагрузке и др.);
наличию резонансных цепей для снижения
коммутационных потерь, способам регулирования
Основными параметрами являются:
ток (число фаз и частота для переменного тока);
номинальные действующие значения тока и
напряжения (для переменного тока) и средние
значения (для постоянного тока);
диапазон регулирования выходного напряжения
(тока);
номинальные значения полной или активной
мощности для переменного тока, а также
коэффициент мощности
cos𝜑 для основных гармоник тока и напряжения в
номинальном режиме;
номинальное значение активной мощности для
постоянного тока, определяемое как произведение
номинальных средних значений тока и напряжения;
коэффициент полезного действия кпдном в
номинальном режиме ;
отклонения основных параметров в динамических
режимах при изменениях напряжения внешнего
источника электропитания или нагрузки, а также
установившееся значения этих отклонений после
завершения переходных процессов.
Силовые электронные преобразователи выполняются на
основе нелинейных электронных ключе, работающих в
импульсных режимах и кроме постоянной составляющей
содержат переменное напряжение несинусоидальной
формы - пульсация.
Выпрямители
ВЫПРЯМИТЕЛЬ – преобразователь переменного
напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители
выполняются на базе диодов, управляемые-на базе
тиристоров или других управляемых вентильных
приборов.
Принцип электронного силового выпрямления основан
на использовании свойств силовых электронных
вентильных приборов проводить однонаправленный ток
для преобразования переменного тока в постоянный без
существенных потерь энергии.
Процессы при выпрямлении определяются:
видом вентильного прибора и способом его
управления;
характером нагрузки на стороне постоянного тока;
техническими характеристиками источника энергии
переменного тока.
Принимаются основные допущения при рассмотрении
принципа выпрямления:
на стороне переменного тока включен источник
напряжения синусоидальной формы со стабильной
частотой;
нагрузка представляется сосредоточенными
элементами;
дополнительные потери в схеме выпрямления
отсутствуют.
Рассмотрим простейшую однополупериодную схему
выпрямления с одним вентильным элементом
(рис.8.2.).
В качестве вентильного элемента в схему включается
диод VD или тиристор VS, управляемый системой
управления СУ. Нагрузка может быть активной, активноиндуктивной или встречновключенной источником
постоянного напряжения.
Схема с активной нагрузкой. Процессы в схеме при
включении тиристора в моменты времени при угле
управления 𝛼 = 0(𝜗 = 0 на рис. 8.2. а, ветвь I)
соответствуют процессам при включении в схему диода.
Входное напряжение e(𝜗 )=𝐸𝑚 sin𝜗. В момент времени
𝜗 = 0 к диоду VD приложено прямое напряжение и в
нем протекает ток 𝑖𝑑 .
В момент времени 𝜗 = 𝜋 напряжение становится
равным нулю и диод выключается.
В следующий полупериод на VD подается отрицательное
напряжение и он будет находиться в непроводящем
состоянии. Ток в нагрузке 𝑅𝑑 повторяет форму входного
напряжения в интервале от 0 до 𝜋. Далее, при 𝜗 = 2𝜋
процессы повторяются (рис.8.2.б).
При замене диода VD тиристором VS момент начала
протекания тока определяется подачей на управляющий
электрод тиристора импульса управления от СУ, при угле
управления 𝛼 = 0(𝜗 = 0 на рис. 8.2. в). Выключение
тиристора происходит при спадании напряжения e(𝜗 ) и
тока 𝑖𝑑 до нуля, в момент 𝜗 =
𝜋. В результате длительность тока 𝑖𝑑 будет равна 𝜋 − 𝛼
Рис.8.2. Однофазный однополупериодный
выпрямитель
а-схема; б-диаграммы при активной нагрузке и угле 𝜶 = 𝟎; в-диаграммы при
активной нагрузке и угле 𝜶 = 𝝅 𝟔 ; г--диаграммы при активно-индуктивной
нагрузке и угле 𝜶 = 𝝅 𝟔 ; д-диаграммы при работе на противоЭДС
Схема с активно-индуктивной нагрузкой (ветвь 2 на
рис.8.2.а). Процессы выпрямления в такой схеме
существенно зависят от характера нагрузки на стороне
постоянного тока. При включении тиристора VS при 𝜗 =
𝜋 ток 𝑖𝑑 :
На рис.8.2.г. приведены диаграммы входного
напряжения e(𝜗 ) и тока 𝑖𝑑 для значения 𝛼 = 𝝅 𝟔. Ток 𝑖𝑑
продолжает протекать в тиристоре после прохождения
напряжения e(𝜗 ) через нуль. Это обусловлено тем, что в
реакторе накапливается в первом полупериоде энергия.
Нагрузка в виде противоЭДС (ветвь 3 на рис.8.2.а )
нагрузка включена с обратной полярностью для
вентильного ключа. Такие схемы выпрямления
применяются в устройствах для заряда аккумуляторных
батарей, в системах рекуперации электроэнергии из
источника постоянного тока в сеть переменного тока. В
качестве источника противоЭДС может быть использован
конденсатор фильтра большой емкости на выходе
выпрямителя.
Подключение источника напряжения e(𝜗) к источнику
противоЭДС приводит к неограниченному увеличению
тока, поэтому для снижения включен реактор
индуктивностью 𝐿𝑑 и ток 𝑖𝑑 :
и
(рис.8.2.д.).
Основные схемы выпрямления
Электромагнитные процессы, протекающие при
выпрямлении, рассматриваются для активной и активноиндуктивной статической нагрузки при углах управления
тиристоров α > 0, которые характерны для большей
части выпрямителей средней и большой мощности.
Процессы в схемах при углах управления 𝛼 =
0 соответствуют процессам в неуправляемых
выпрямителях, выполненных на диодах.
Однофазная двухполупериодная схема со средней
точкой (нулевым выводом) (рис.8.3).Такую схему
называют двухтактной, так как она выпрямляет оба
полупериода напряжения. Особенностью является то,
что вторичные полуобмотки трансформатора
относительно его средней точки создают систему
напряжений, сдвинутых на 𝜗 = 𝜋
Рис.8.3.Однофазный двухполупериодный
выпрямитель со средней точкой
а-схема; б-диаграммы напряжения и тока
При активной нагрузке (ключ К) в момент времени 𝜗 =
0 тиристоры выключены и ток не проводят к тиристору
VS1 будет приложено прямое напряжение
𝑢𝑉𝑆1 =𝑢𝛼0 , тиристоруVS2- обратное напряжение
𝑢𝑏0 . Тиристор VS1 находится в проводящем состоянии,
пока ток не спадет до нуля (𝜗 = 𝜋). При подаче импульса
управления на тиристор VS2 он включается и указанные
процессы повторяются в каждом периоде.
Изменение угла 𝛼 от 0 до 𝜋 приводит к изменению
среднего значения выходного напряжения до нуля.
Зависимость среднего значения выходного напряжения
от угла управления называется регулировочной
характеристикой.
Наличие реактора индуктивностью 𝐿𝑑 при углах
управления α > 0 в тиристоре продолжает протекать ток
за счет энергии, накопленный в реакторе (рис.8.4.).
Рис.8.4.Диаграммы напряжения и тока на элементах
однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней
точкой при активно-индуктивной нагрузке и угле 𝜶 = 𝝅 𝟔
а-при прерывистом токе нагрузки; б-присглаженном непрерывном
токе нагрузке (𝝎L=∞)
При одинаковых значениях угла 𝛼 среднее значение
выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым
током будет больше, чем в режиме с непрерывным
током, благодаря уменьшению площади отрицательного
участка в кривой выпрямленного напряжения. В
режимах с прерывистым током регулировочные
характеристики будут находится между кривыми 1и2 в
заштрихованной области (рис.8.5.)
При прерывистом токе трансформатор и тиристоры
схемы работают в более тяжелом режиме, так как при
одном и том же среднем значении выпрямленного тока
действующее значение тока в элементах схемы
увеличиваются. Поэтому в мощных выпрямителях при
широком диапазоне изменения угла 𝛼 индуктивность 𝐿𝑑
обычно выбирают из условия обеспечения
непрерывности выпрямленного тока в режимах работы с
нагрузками близкими к номинальным.
Рис.8.5. Регулировочные характеристики однофазного
двухполупериодного выпрямителя
а-при активной нагрузке; б- при активно-индуктивной нагрузке
Однофазная мостовая схема. На рис.8.6.представлена
однофазная мостовая схема, работающая при угле
управления α > 0, формы токов и напряжений на
элементах такие же, как и в однофазном
двухполупериодном выпрямителе со средней точкой.
Рис.8.6.Однофазный
мостовой
выпрямитель
Рис.8.7.Трехфазный
выпрямитель со
средней точкой
В выпрямлении каждого полупериода напряжения
участвуют два тиристора VS1, VS3 или VS2, VS4.При угле
управления α = 0 (или в неуправляемом выпрямителе
на диодах) среднее значение выпрямленного
напряжения на нагрузке
2√2
𝑈𝑑0 = 𝑈2 , где
𝜋
𝑈2 − действующее значение напряжения во вторичной
обмотке трансформатора.
Расчетная мощность элементов , так же как и в схеме со
средней точкой, увеличивается при увеличении угла 𝛼
при активной нагрузке и активно-индуктивной в режиме
прерывистых токов.
Трехфазная схема со средней точкой (рис.8.7.). Такую
схему называют трехфазной однотактной схемой, так
как выпрямлению подвергается только одна з полуволн
переменного напряжения каждой фазы.
Первичные обмотки трансформатора соединены в
треугольник, а вторичные в звезду(рис.8.8., рис.8.9. и
рис.8.10).
При α = 0
При активной нагрузке
При активно-индуктивной
При увеличении угла управления α интервалы
проводимостей тиристоров уменьшаются, а
действующие значения токов увеличиваются.
Рис.8.8.Диаграммы тока и напряжения трехфазного
выпрямителя со средней точкой при угле α = 0
Рис.8.9.Диаграммы тока и напряжения трехфазного
выпрямителя со средней точкой при угле α < 𝝅 𝟔
Рис.8.10.Диаграммы тока и напряжения трехфазного
выпрямителя со средней точкой при угле α = 𝝅 𝟔 и α >
𝝅
𝟔
Трехфазная мостовая схема. Схема и диаграммы,
поясняющие ее работу при угле управления 𝛼 = 0
приведены на рис.8.11. Начиная с момента времени𝜗1
ток проводят тиристоры VS1 и VS6, а остальные
тиристоры выключены. К нагрузке 𝑅𝑑 приложено
линейное напряжение 𝑢𝑎𝑏 и выпрямленный ток
𝑖𝑑 протекает по контуру: обмотка фазы a – тиристор VS1 –
нагрузка 𝑅𝑑 - тиристор VS2 – обмотка фазы b. Этот
процесс в схеме продолжается до момента времени 𝜗2 ,
когда потенциал фазы b станет выше потенциала фазы c.
Поочередная работа различных пар тиристоров в схеме
приводит к появлению на сопротивлении 𝑅𝑑
выпрямленного напряжения, состоящего из частей
линейных напряжений вторичных обмоток
трансформатора .
Рис.8.11.Трехфазный мостовой выпрямитель
схема и диаграммы тока и напряжения при угле 𝛼 = 0
Выражение справедливо для выпрямленного
напряжения (среднее значение) для интервала
повторяемости равного 𝜋 3 :
когда 𝑈𝑅𝑚𝑎𝑥 =√2𝑈2л и 𝐼𝑚𝑎𝑥 =𝐼𝑑 и
𝐼𝑑
𝐼𝑇𝐴𝑉 =
3
В трехфазной мостовой схеме импульсы управления
поступают на тиристоры с задержкой на угол 𝛼
относительно нулевых значений линейных напряжений
или моментов пересечения синусоид напряжений фаз. В
результате задержки моментов коммутации тиристоров
на угол 𝛼 среднее значение выпрямленного
напряжения, образованного из соответствующих частей
линейных напряжений, снижается.
До тех пор пока кривая мгновенных значений
выпрямленного напряжения 𝑢𝑑 остается выше нуля (0<
𝛼 < 𝜋 3) выпрямленный ток 𝑖𝑑 будет непрерывным вне
зависимости от характера нагрузки.
При 𝛼 > 𝜋 3 - режим с прерывистым выпрямленным
током 𝑖𝑑 для обеспечения работы данной схемы и для ее
первоначального запуска на тиристоры схемы следует
подавать сдвоенные импульсы управления с интервалом
или одиночные длительностью больше 𝜋 3( рис.8.12).
Заштрихованная область на рис.8.13 соответствует
семейству регулировочных характеристик в режиме с
прерывистым током при различных значениях 𝛼.
Рис.8.12.Диаграммы тока и напряжения трехфазного
мостового выпрямителя при углах α = 𝝅 𝟔; α = 𝝅 3 и
α>𝝅 3
Рис.8.13.Регулировочные характеристики трехфазного
мостового выпрямителя: 1-при активной нагрузке; 2при активно-индуктивной нагрузке
Многомостовые схемы. Основное назначение – это
уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и
улучшение формы тока, потребляемого из питающей
сети (рис.8.14).
Рис.8.14.Трехфазные двухмостовые
выпрямители с параллельным соединением
мостов
Первая схема (а) состоит из трехобмоточного
трансформатора, соединенного по схеме звезда/звезда
– треугольник, и двух трехфазных мостов. Вторая схема
(б) имеет два двухобмоточных трансформатора, один
из которых соединен по схеме звезда/звезда, а другой –
по схеме треугольник-звезда, и два трехфазных моста В
обеих схемах вторичные напряжения трансформаторов
сдвинуты по фазе на угол 𝜋 6.
Для уравнения мгновенных значений выпрямленных
напряжений параллельное соединение мостов
производят через уравнительный реактор УР.
Суммарное напряжение на нагрузке будет иметь
пульсации, частота которых в 2 раза выше частоты
пульсаций напряжения. Мостовая схема имеет шесть
пульсаций за период , а суммарное напряжение – 12
пульсаций за период (12-фазная схема)(рис.8.15).
Рис.8.15.Диаграммы тока и напряжения двухмостового
выпрямителя с параллельным соединением мостов
Разность мгновенных значений напряжения
воспринимается в уравнительным реактором, две
обмотки которого расположены на одном
магнитопроводе :
На рис.8.16 -двухмостовая схема
с последовательным соединением мостов
Принцип образования 12-фазной
схемывыпрямления основан на
использовании трансформаторов
с разными схемами соединения
обмоток. Схемы 18- и 24-фазные
получают путем параллельного
соединения трех и четырех мостов.
Рис.8.16
Характеристики выпрямителей
Пульсации выпрямленного напряжения.
Выпрямленное напряжение представляют в виде суммы
переменной (синусоидальной)
где n-номер высшей гармоники;
m-число пульсаций за один период; 𝜔 −угловая частота
сети; 𝑈𝑛𝑚 -амплитуда n-гармоники напряжения.
и постоянной составляющей 𝒇п = 𝒏𝒇𝟏 =mnf, где
𝑓1 - частота первой гармоники пульсации;f-частота сети.
На практике оценивается коэффициентом Кп .Задержка
подачи на тиристоры импульсов управления
относительно моментов естественной коммутации на
угол 𝛼 приводит к изменению гармонических
составляющих в выпрямленном напряжении, возрастает
пульсация.Период повторяемости не зависит от угла 𝛼 .
Искажение входных токов выпрямителей.
Гармонический состав тока, потребляемого из сети
управляемым выпрямителем, существенно зависит от
характера нагрузки. Если нагрузка активная или
активно-индуктивная, но не обеспечивается режим
работы с непрерывном током 𝑖𝑑 , то с ростом угла 𝛼
происходит увеличение амплитуд высших гармоник
потребляемого тока при условии неизменности
амплитуды первой гармоники.
Уменьшение пульсаций напряжения и искажений
входного тока. Для уменьшения пульсаций
выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя
устанавливают сглаживающие фильтры(рис.8.17.).
𝑺𝒄 =𝒌п 𝒌"п,где 𝑘п -коэффициент пульсаций напряжения
входного (до фильтра); 𝑘"п - выходного (после фильтра).
Рис.8.17.Выпрямители с фильтром:
а - индуктивным; б - емкостным; в – Г-образным
Требования к значению коэффициента 𝑺𝒄 фильтра
является основным при проектировании.
Сглаживающие фильтры подразделяются на пассивные
и электронные (активные).Электронные фильтры
содержат электронные элементы (транзисторы).
Пассивные фильтры являются наиболее
распространенными. В зависимости от числа элементов
и способа их соединения различают основные типы
пассивных фильтров:
• однозвенные (индуктивные или емкостные фильтры),
Г-образные ( LC-фильтры);
• многозвенные.
Индуктивные фильтры применяются в выпрямителях
средней и большой мощности, а емкостные – в
выпрямителях малой мощности при высоком
сопротивлении нагрузки.
Отрицательное влияние выпрямителя на качество
напряжения сети проявляется в искажении его входных
токов. Особенно заметно это наблюдается при
соизмеримости мощностей выпрямителя и источника
переменного тока. Если мощность сети значительно
превышает мощность полностью загруженного
выпрямителя, то несинусоидальность потребляемого им
тока практически не сказывается на напряжении сети.
Снижение гармонических составляющих токов и
напряжения может быть обеспечено с помощью
резонансных LC-фильтров, настроенных на основной ряд
гармоник токов выпрямителя.
Рис.8.18.Двухполупериодный тиристорный
выпрямитель
а-эквивалентная схема; б-диаграммы напряжения и
тока
Коммутация токов в выпрямителях. Процессы
коммутации в реальных схемах выпрямителей
рассматриваются с учетом индуктивных
сопротивлений обмоток при допущении, что
распрямленный ток идеально сглажен (𝜔𝐿𝑑 =∞). При
увеличении угла 𝛼 уменьшается угол коммутации 𝛾.
Длительность протекания тока в тиристорах схемы с
учетом коммутации - 𝜋 + 𝛾 (рис.8.18).
Внешние характеристики выпрямителей.
Внешней характеристикой выпрямителя называется
зависимость среднего значения выпрямленного
напряжения от среднего значения тока нагрузки 𝑼𝒅 = 𝒇(𝑰𝒅 ). Внешняя характеристика определяется
внутренним сопротивлением выпрямителя, которое
приводит к снижению выпрямленного напряжения
при увеличении нагрузки (рис.8.19).
Рис.8.19.Внешние характеристики
выпрямителей
а-однофазного двухполупериодного или мостового;
б-трехфазного мостового; I, II, III – области режимов
работы
Снижение напряжения обусловлено падением
напряжения на активных сопротивлениях элементов
схемы ∆𝑈𝑅 , падением напряжения в тиристорах ∆𝑈𝑉𝑆 и
внутренним сопротивлением сети, имеющим
индуктивный характер ∆𝑈𝑥 . Уравнение внешней
характеристики: 𝑼𝒅 =𝑼𝒅𝒐 cos𝜶 − ∆𝑼𝑹 ℃ − ∆𝑼𝑽𝑺 − ∆𝑼𝒙
В трехфазном мостовом выпрямителе выделяют три
режима работы: В режиме I характеристики линейные.
При достижении углом коммутации 𝛾 величины 𝝅 3
начинается режим II. В этом режиме начало
коммутации тиристоров в одной группе совпадает по
времени с ее окончанием в другой группе. Уравнение
внешней характеристики соответствует дуге эллипса.
Режим III возникает с ростом нагрузки при наступлении
поочередно одновременной проводимости трех и
четырех тиристоров.
В этом режиме угол 𝛾 увеличивается, становясь больше
𝝅 , а угол 𝛼 остается постоянным и равным 𝝅 ;
3
6
характеристики при этом становятся линейными.
Существование этих режимов зависит от значения угла
управления 𝛼.
Энергетические характеристики выпрямителя.
Следует различать значения коэффициента мощности и
КПД, определяемые с учетом пульсации выпрямленного
напряжения и без учета пульсаций.
Основные потери активной мощности имеют место в
трансформаторе (∆РТ ), тиристорах выпрямителя (∆Р𝑉𝑆 )
и во вспомогательных устройствах – системах
управления, защиты, охлаждения, сигнализации и т.п.
(∆РВСП )
𝑈𝑑 𝐼𝑑
η=
𝑈𝑑 𝐼𝑑 +∆РТ +∆Р𝑉𝑆 +∆РВСП
Изготовляемые в настоящее время выпрямители
средней и большой мощности на тиристорах имеют КПД
0,7 – 0,9.
Активную мощность Р, потребляемую выпрямителем
𝑃 = 𝑈𝑐 𝐼𝑐1 𝑐𝑜𝑠𝜑1 , где
𝑈𝑐 -действующее значение напряжения сети; 𝐼𝑐1 действующее значение первой гармоники тока сети; 𝜑1 угол сдвига первой гармоники тока по отношению к
напряжению сети.
Полная мощность, потребляемая выпрямителем
S=𝑈𝑐 𝐼𝑐 =𝑈𝑐 √𝐼𝑐1 2 +
2
∞
𝐼
𝑛=3 𝑐𝑛
λ=
𝑃
𝐼𝑐1 𝑐𝑜𝑠𝜑1
= 2 ∞
𝑆 √𝐼𝑐1 + 𝑛=3 𝐼𝑐𝑛 2
Для режима работы с несинусоидальным входным
током помимо активной и реактивной мощности
вводится понятие «мощности искажения».
Традиционные способы улучшения коэффициента
мощности. При увеличении угла управления
увеличивается реактивная мощность, потребляемая
выпрямителем из сети, а его коэффициент мощности
становится меньше.
Меры по повышению коэффициента мощности
управляемых выпрямителей:
1.Установка источников реактивной мощности
(конденсаторов) на входе выпрямителя. Этот способ не
экономичен (дорогостоящее оборудование).
2.Использование в выпрямителе трансформатора с
отпайками на различные напряжения. Вместо
увеличения угла управления при регулировании
выходного напряжения переключают тиристорную
схему на отпайку обмотки трансформатора с более
низким напряжения. Способ обеспечивает грубое
регулирование выпрямленного напряжения. Наличие
механических переключающих устройств снижает его
надежность и долговечность.
3.Использование схемы с нулевым диодом
(рис.8.20.).Принцип действия подобен принципу
действия однофазной двухполупериодной схемы.
Наличие нулевого диода изменяет характер
электромагнитных процессов, протекающих в схеме.
Рис.8.20.Однофазный выпрямитель с нулевым
диодом
а-схема;б-диаграммы напряжения и тока
Инверторы, ведомые сетью
При инвертировании поток энергии изменяет свое
направление на обратное и поступает от источника
постоянного тока в сеть переменного тока.
Преобразователь, работающий в этом режиме, инвертор, ведомый сетью, коммутация его вентилей
осуществляется под действием переменного
напряжения внешней сети (зависимый инвертор).
Принцип действия рассмотрим на схеме (рис.8.21 ).
Наличие источников переменного и постоянного тока и
управляемого тиристора позволяет организовать
реверсирование потока электроэнергии (однофазный
преобразователь на тиристоре может работать как в
выпрямительном, так и в инверторном режиме). Ток
протекает от сети в аккумуляторную батарею и обратно в
сеть переменного тока.
Рис.8.21.Однополупериодный обратимый
преобразователь
а-схема; б- диаграммы напряжения и тока в выпрямительном
режиме; в- диаграммы напряжения и тока в инверторном
режиме
Переход из выпрямительного режима работы в
инверторный и наоборот может осуществляться
переключением полярности источника постоянного
тока относительно общих выводов анодной и катодной
групп тиристоров мостовой схемы.
На рис. 8.22. представлена мостовая схема однофазного
преобразователя, в котором схема подключения
источника постоянного тока с ЭДС 𝐸ПР в инверторном
режиме изображена пунктирными, а в выпрямительном
с ЭДС 𝐸ист - сплошными линиями. При установившихся
режимах работы с разными значениями угла
управления 𝛼, которые определяют момент подачи
системой управления СУ импульсов управления токов в
тиристоры.
Рис.8.22.Однофазный мостовой преобразователь
а-схема;
б-е – диаграммы напряжения при различных углах 𝛼
На рис.8.23. представлены диаграммы напряжения сети
и входного тока 𝑖𝑐 инвертора на стороне сети. Если
учесть только первую гармонику этого тока, то для
различных режимов работы можно составить векторные
диаграммы (рис.8.24).
Режим работы с углом 𝛼 = 𝜋 возможен при идеальных
тиристорах, способных восстановить свою запирающую
способность. С учетом реальных значений времени
выключения тиристоров, индуктивности рассеяния
согласующего трансформатора 𝐿𝑠 и других факторов
диапазон изменения угла 𝛼 в инверторном режиме
будет меньше 𝜋 2 ÷ 𝜋
Рис.8.23.Диаграммы тока
и напряжения
Рис.8.24. Векторные
диаграммы
Работа основных схем в инверторном режиме
Однофазный мостовой инвертор
Для обеспечения инверторного режима угол управления
𝛼 должен быть больше𝜋 2. При анализе схем угол
управления в инверторном режиме принято
отсчитывать в сторону опережения (влево) (рис.8.25)
относительно сдвинутых на угол 𝛼 моментов времени
естественной коммутации в схемах с неуправляемыми
диодами (или относительно углов 𝛼 = 0, 𝛼 = 𝜋, 𝛼 = 2𝜋 и
так далее в схемах с тиристорами). Угол, исчисляемый
по такому принципу, называется углом опережения и
обозначается 𝛽 = 𝜋 − 𝛼
Рис.8.25.Однофазный мостовой инвертор
а-схема; б-диаграммы напряжения и тока на элементах схемы
при непрерывном токе в реакторе; в-диаграммы напряжения и
тока на элементах схемы при прерывистом токе в реакторе
Трехфазный мостовой инвертор
В схеме (рис.8.26) импульсы управления подаются на
тиристоры с опережением на угол 𝛽 относительно
моментов времени, соответствующих началу
коммутации тиристоров.
Процессы коммутации как в инверторном, так и в
выпрямительном режимах работы преобразователей
вызывают периодические провалы напряжения на
стороне постоянного тока. Одновременно появляются
провалы и всплески в сетевом напряжении переменного
тока :
:
и среднее значение напряжения источника 𝑈𝑑𝑜
Рис.8.26.Трехфазный мостовой инвертор
а-электрическая схема; б-диаграммы тока и
напряжения на элементах схемы
Мощность инвертора, ведомого сетью
Первая гармоника несинусоидального тока сети
сдвинута относительно напряжения сети на угол,
равный 𝛽 − 𝛾 2 . Инвертор, ведомый сетью, передавая
активную мощность от источника постоянного тока в
сеть, потребляет из нее реактивную мощность.
Рассмотрим баланс мощностей в системе: источник
постоянного тока – однофазный инвертор – сеть,
полагая КПД инвертора равным единице.
Активная мощность, потребляемая инвертором от
источника постоянного тока:𝑃 = 𝑈𝑑 𝐼𝑑
Активная мощность на стороне переменного тока:
𝑃 = 𝑈𝑐 𝐼𝑐1 cos(β −
𝛾
)
2
Реактивная мощность на стороне переменного тока:
Q=𝑈𝑐 𝐼𝑐1 sin(β −
𝛾
)=P
2
tg (β −
𝛾
)
2
Полная мощность на стороне переменного тока:
S=𝑈𝑐 𝐼𝑐 =√𝐼𝑐1 2 +
2
∞
𝐼
𝑛=3 𝑐𝑛
Коэффициент мощности инвертора:
λ=
𝑃
𝑆
≅ ν𝑐𝑜𝑠(β −
𝛾
)
2
Основные характеристики инвертора,
ведомого сетью
Входная характеристика представляет собой
зависимость среднего значения входного напряжения
инвертора 𝑈𝑑 от среднего значения входного тока𝐼𝑑
(рис.8.27)
Рис.8.27.Входные характеристики однофазного
инвертора
В отличие от выпрямителей, у которых падение
напряжения вычитается из напряжения холостого хода, в
ведомых инверторах эти составляющие суммируются:
𝑈𝑑 =𝑈𝑑𝑂 +∆𝑈 ,где
Для однофазного инвертора внешняя характеристика :
Так как по этой характеристике можно определить
предельно допустимые нагрузки инвертора, то она
называется ограничительной.
Напряжения на шинах постоянного тока
преобразователей при 𝐼𝑑 =0 одинаковы для
выпрямительного и инверторного режимов и зависят от
угла 𝛽(или 𝛼) зависимость называется регулировочной
характеристикой
При работе инверторов, ведомых сетью, могут возникать
аварийные режимы (пробой тиристоров, коротким
замыканием в трансформаторе и т.д.) - режим
опрокидывания (уменьшение угла запаса𝛿 < 𝛿𝑚𝑖𝑛 ),
когда тиристоры схемы не успевают восстановить
запирающую способность, когда напряжение на них
становится прямым и остаются в проводящем состоянии.
В результате источник постоянного тока оказывается
закороченным через два тиристора.
В трехфазной мостовой схеме протекание аварийного
процесса разделяют на два этапа: замыкание накоротко
цепи постоянного тока и замыкание накоротко всех
силовых цепей, включая цепь переменного тока.
Поэтому необходимо применять быстродействующие
средства защиты, обеспечивающие аврийные
отключения от внешних источников напряжения.
Прямые преобразователи частоты с
естественной коммутацией тиристоров.
Преобразованием частоты называется процесс
преобразования переменного тока одной частоты в
переменный ток другой частоты.
Прямые преобразователи частоты (с однократным
преобразованием электроэнергии) называют
преобразователями с непосредственной связью или
циклоконверторами.
Число фаз входного и выходного напряжения в
преобразователях с непосредственной связью является
существенным признаком классификации,
определяющим структуру построения схемы
преобразователя (рис.8.28.).
Рис.8.28.Преобразователь частоты с
непосредственной связью
а-схема; б-диаграммы напряжения и тока при
активной нагрузке