Преобразователи постоянно-переменного тока
1.Преобразователи постоянно-переменного тока (продолжение).
2.Преобразователи переменно-постоянного тока.
3.Сравнительная оценка эффективности схемных решений.
4.Расчет основных параметров элементов.
На рис. 41 приведён вариант схемного решения преобразователя напряжения, выполненный на базе SCR-тиристоров, запирание которых, как и в схеме инвертора тока производится при помощи индивидуальных узлов емкостной коммутации. Принцип работы ключа, используемого в данном преобразователе, был рассмотрен ранее (см. рис. 39). Поэтому остановимся только на описании принципа работы преобразователя со 1800 схемой управления в целом.
Включение преобразователя в работу начинается с подготовки узла коммутации, для чего необходимо произвести предварительный заряд его конденсатора. Заряд коммутирующих конденсаторов верхних плеч происходит после отпирания тиристоров VS1.1 и VS2 фазы а, VS3.1 и VS4 фазы в, VS5.1 и VS6 фазы с. Заряд конденсаторов нижних плеч происходит после включения тиристоров VS1 и VS2.1 фазы а, VS3 и VS4.1 фазы в, VS5 и VS6.1 фазы с. Все конденсаторы заряжаются до напряжения источника питания U1d с полярностью, обозначенной без скобок. Для облегчения описания принципа работы воспользуемся диаграммами рис. 38.
В интервале времени 0 – Т/6 в проводящем состоянии находятся тиристоры VS1, VS4 и VS5. Ток ТЭД течёт по цепям C7 – VS1 – L8 – фаза с – фаза в – L9 – VS4 – C7 и C7 – VS5 – L10 – фаза а – фаза в – L9 – VS4 – C7.
В момент времени Т/6 запирается тиристор VS5 и отпирается тиристор VS6. При этом ток фазы а изменяет направление на противоположное и течёт по цепи C7 – VS1 – L8 – фаза с – фаза а – L10 – VS6 – C7, а в фазах в и с сохраняет своё направление.
Рекомендуемые материалы
В момент времени Т/3 запирается тиристор VS4 и отпирается тиристор VS3. При этом ток фазы в изменяет направление на противоположное и течёт по цепи C7 – VS3 – L9 – фаза в – фаза а – L10 – VS6 – C7, а в фазах а и с сохраняет своё направление.
В момент времени Т/2 запирается тиристор VS1 и отпирается тиристор VS2. При этом ток фазы с изменяет направление на противоположное и течёт по цепи C7 – VS3 – L9 – фаза в – фаза с – L8 – VS2 – C7, а в фазах а и в сохраняет своё направление.
В момент времени 2Т/3 запирается тиристор VS6 и отпирается тиристор VS5. При этом ток фазы а изменяет направление на противоположное и течёт по цепи C7 – VS5 – L10 – фаза а – фаза с – L8 – VS2 – C7, а в фазах в и с сохраняет своё направление.
В момент времени 5Т/6 запирается тиристор VS3 и отпирается тиристор VS4. При этом ток фазы в изменяет направление на противоположное и течёт по цепи C7 – VS5 – L10 – фаза а – фаза в – L9 – VS4 – C7, а в фазах а и с сохраняет своё направление.
В момент времени Т запирается тиристор VS2 и отпирается тиристор VS1. При этом ток фазы с изменяет направление на противоположное и течёт по цепи C7 – VS1 – L8 – фаза с – фаза в – L9 – VS4 – C7, а в фазах а и в сохраняет своё направление.
Далее процессы в цепях повторяются.
Для коммутации тиристоров может использоваться и общий узел емкостной коммутации. При этом тиристоры верхних плеч запираются при помощи одного узла (контур C3 – L3 на рис 42), а тиристоры нижних плеч – при помощи другого (контур C2 – L2).
Принцип формирования тиристорами инвертора трёхфазного переменного напряжения аналогичен рассмотренному выше, поэтому остановимся только на работе узлов коммутации, использовав диаграмму проводящего состояния тиристоров инвертора рис. 38. Пусть в исходный момент времени в проводящем состоянии (интервал времени 0 – Т/6) находились тиристоры VS1, VS4 и VS5. При этом конденсаторы С2 и С3 были заряжены до напряжения U1d c полярностью, указанной на рис. 42. В момент времени Т/6 отпирается гасящий тиристор VS5.1, что приводит к появлению на катоде тиристора VS5 положительного потенциала и его запиранию, так как анод и катод тиристора находятся под одним потенциалом. Ток фазы с двигателя, протекавший ранее по цепи C1 – VS5 – фаза с – фаза в –VS4 – C1, сохраняя своё направление, протекает по цепи C3 – VS5.1 – фаза с – фаза в –VS4 – C3 пока не произойдёт перезаряда конденсатора C3. После перезаряда конденсатора запирается тиристор VS5.1., а ток в фазе с начинает циркулировать по контуру фаза с – фаза в –VS4 – VD6 – фаза с. После отпирания тиристора VS6 ток в фазе изменяет направление на противоположное, протекая по контуру C1 – VS1 – фаза а – фаза с – VS6 – C1. Одновременно отпирается тиристор VS7, что приводит к перезаряду конденсатора С3 до исходной полярности.
В момент времени Т/3 отпирается тиристор VS4.1, что приводит к разряду конденсатора С2 по контуру C2 – VS1 – фаза а – фаза в – VS4.1 – C2. При этом тиристор VS4 запирается, а ток фазы в начинает протекать по вновь образованному контуру, сохраняя своё направление. После перезаряда конденсатора ток фазы циркулирует по контуру VS1 – фаза а – фаза в – VD3 – VS1 до тех пор, пока не спадёт до нуля или не откроется тиристор VS3, после чего ток в фазе в изменит направление на противоположное. Одновременно отпирается тиристор VS8, что приводит к перезаряду конденсатора С2 до исходной полярности.
 |
Преобразователи переменно-постоянного тока предназначены для питания потребителей постоянного тока в том случае, когда электрическая энергия вырабатывается на переменном токе. Преобразователи подобного рода называются выпрямителями. В зависимости от количества фаз питающего напряжения выпрямители называются одно- либо многофазными. Если в процессе выпрямления производится изменение формы кривой выпрямленного напряжения, то выпрямитель называется регулируемый. Элементной базой выпрямителей являются полупроводниковые приборы. Для получения нерегулируемого выпрямленного напряжения используются диоды, для регулируемого – тиристоры. Для выпрямления может использоваться одна либо две полуволны питающего напряжения. В первом случае выпрямитель называется однополупериодным, во втором – двухполупериодным. Разновидностью двухполупериодного выпрямления является так называемая мостовая схема выпрямления.
Рассмотрим вариант схемного решения однофазного мостового выпрямителя с регулируемым выходным напряжением, представленным на рис. 43. Выпрямительный мост выполнен на двух тиристорах VS1 и VS2 и двух диодах VD1 и VD2. При появлении положительной полуволны питающего напряжения на аноде тиристора VS1 питающее напряжение не подаётся в нагрузку (на клеммы «+» и «-») до тех пор, пока не произойдёт его отпирание. На рисунке показано, этот момент наступает при 1350 эл. После смены полярности питающего напряжения положительная полуволна поступает на анод тиристора VS2, отпирание которого производится с задержкой на 900 эл. При следующей смене полярности питающего напряжения регулирование величины выходного напряжения вновь осуществляется путём изменения угла задержки отпирания тиристора VS1, который принят равным 450 эл. При последующих сменах полярности питающего напряжения тиристоры VS1 и VS2 отпираются в момент прохождения питающего напряжения через ноль, т.е. без задержки, поэтому на выходе выпрямителя форма кривой выпрямленного напряжения представляет собой в каждый полупериод положительную полуволну синусоиды.
В тех случаях, когда нет необходимости регулировать выпрямленное напряжение от нуля, достаточно использовать один тиристор.
При использовании в цепях моста диодов кривая выпрямленного напряжения представляет собой в каждый полупериод положительную полуволну синусоиды.
Аналогичную форму кривой выпрямленного напряжения можно получить и при двухполупериодной схеме выпрямления (см. рис. 44). Однако несмотря на сокращение количества полупроводниковых элементов в схеме, она менее привлекательна, так как параметры трансформатора при этом хуже, чем в мостовом варианте.
Применение однополупериодной схемы выпрямления в сильноточных цепях нецелесообразно вследствие наличия в кривой выпрямленного напряжения интервалов с нулевой величиной напряжения, что вызывает необходимость применения для сглаживания пульсаций громоздких фильтровых устройств.
Аналогичные схемные решения применяются и в трёхфазных цепях переменного тока. Минимальную пульсацию выпрямленного напряжения, как и в случае однофазного питания позволяет получить мостовая схема выпрямления, приведённая на рис. 45. Здесь же показана кривая выпрямленного напряжения при различных задержках времени на отпирание тиристоров, позволяющая регулировать среднюю за период регулирования величину питающего напряжения. Рассмотрим, каким образом происходит регулирование величины напряжения. Пусть в момент времени t1 отпираются тиристоры VS1 и VS6. Анод тиристора VS1 находится под положительным потенциалом фазы а, а катод тиристора VS6 – под отрицательным потенциалом фазы с. Величина выходного напряжения u1d в этот момент определяется разностью потенциалов, изображаемой на рисунки ординатой, заключённой между кривыми напряжений этих фаз. В интервале времени t1 – t2, форма кривой выходного напряжения описывается синусоидой. В момент времени t2 тиристор VS1 и VS6 запираются, так как разность потенциалов между фазами спадает до нуля, а затем становится отрицательной.
Для увеличения среднего за период значения выпрямленного напряжения, например, с момента времени t3 до момента t4, когда в проводящем состоянии находятся тиристоры VS2 и VS3, а выходное напряжение определяется разностью потенциалов фаз в и а, в момент времени t4, запирается тиристор VS3 и отпирается тиристор VS5. В интервале времени t4 – t5 величина выходного напряжения определяется разностью потенциалов фаз с и а. В момент времени t5 отпирается тиристор VS4 и запирается тиристор VS2, так как начиная с этого момента времени потенциал на его катоде становится выше потенциала на катоде тиристора VS4. В интервале времени t5 – t6 величина выходного напряжения определяется разностью потенциалов фаз с и в. В момент времени t6 разность потенциалов фаз с и в становится равной нулю и тиристоры запираются. При этом выходное напряжение становится равным нулю. Если возникает необходимость получения максимальной величины выпрямленного напряжения, начиная, например, с момента времени t7, когда в проводящем состоянии находятся тиристоры VS1 и VS6, то по достижении момента времени t8 отпирается тиристор VS3, что приводит к запиранию тиристора VS1, так как потенциал фазы в становится более положительным, чем у фазы а. В момент времени t9 равенства потенциалов фаз а и с отпирается тиристор VS2 и запирается тиристор VS6. Форма кривой выпрямленного напряжения описывается верхушками синусоид, показанных на графике жирной линией.
Для получения выходного напряжения с минимумом амплитуды пульсации на выходе выпрямителя следует установить фильтр, в качестве которого обычно используется Г-образный LC-фильтр.
При сравнении различных схемных решений преобразователей переменно-постоянного тока необходимо руководствоваться следующими соображениями:
- суммарная величина мощности (а также действующее значение тока) потребителей электрической энергии должна быть одинаковой;
- величина пульсации выпрямленного напряжения не должна превышать допустимых по условиям потребителя значений:
- К.П.Д. преобразования должен быть максимально возможным:
- коэффициент использования элементной базы преобразователя – максимальный;
- массогабаритные и стоимостные показатели – минимальные.
Кроме того, специально не оговариваются, но подразумеваются такие показатели, как экслуатационные расходы, надёжность, удельная мощность и т.д., по которым также необходимо сравнивать варианты исполнения преобразователей на стадии их проработки.
Лекция "1 Первое начало термодинамики" также может быть Вам полезна.
Из перечисленного выше видно, что сравнение требует проведения достаточно большого объёма расчётов, которых можно избежать, если знать заранее «сильные» и «слабые» стороны, присущие тому или иному схемному решению преобразователя. Остановимся на них более подробно. Поскольку преобразователь содержит, как минимум, два основных компонента – согласующий трансформатор и выпрямитель (а при необходимости и фильтровые устройства), то остановимся вначале на трансформаторе. Сравнивая схемы одно- и двухполупериодного выпрямления, сразу обнаруживаем, что первая из них является менее привлекательной, так как поддержание на её выходе номинального напряжения, требуемого потребителем, предполагает не только использование мощного фильтрового устройства, но и поднятия напряжения на выходной обмотке трансформатора, что влечёт за собой увеличение его установленной мощности (а также стоимости) и снижает коэффициент использования трансформатора. Поэтому для нужд электрической тяги такое схемное решение является неприемлемым.
Сопоставляя двухполупериодную и мостовую схемы выпрямления видим, что трансформатор первой из них имеет большую установленную мощность, так как обе вторичные полуобмотки должны быть рассчитаны на номинальное напряжение потребителя, что несмотря на уменьшение сечения проводника вторичной обмотки, требует увеличения окна, а, следовательно, и массы магнитопровода со всеми вытекающими отсюда последствиями. Вместе с тем, нельзя не отметить того факта, что потери в выпрямителе первого варианта меньше, чем второго, что связано с меньшим количеством полупроводниковых приборов. Фильтровые устройства обоих выпрямителей – идентичны. Таким образом, наиболее предпочтительной (в условиях постоянного снижения стоимости изготовления полупроводниковых элементов и роста цен на медь и сталь) является схема мостового выпрямления.
Производя аналогичные рассуждения по трёхфазному источнику питания, приходим к выводу о целесообразности использования в электрических цепях преобразователей мостовых схем выпрямления.
Рассматривая собственно выпрямитель, необходимо отметить, что современная элементная база сильноточных полупроводниковых приборов позволяет использовать в качестве выпрямителя монокристаллическую структуру, в которой собран, например, трёхфазный мостовой выпрямитель, для подключения которого в цепи преобразователя выведены выходные клеммы. Кроме того, нельзя не отметить, что в качестве полупроводникового элемента могут быть использованы не только тиристоры, но и транзисторы, обладающие большим быстодействием.
Основой для проведения инженерных расчётов преобразователей переменно-постоянного тока являются диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схем. Для всех рассмотренных схем расчёт сводится, как и случае применения преобразователей с частотно-импульсным способом регулирования, к выбору элементной базы (тиристоров, диодов, дросселей, конденсаторов) из перечня серийно выпускаемых, которые выдерживают прикладываемые к ним напряжения и протекающие через них токи для выбранной частоты работы преобразователей. Методика расчёта параметров этих элементов рассмотрена ранее и поэтому не приводится.
