Преобразовательная техника

u2

θ

ud

θ ud α1

ud θ

α2

θ

Рис. 3.1. Временные′ диаграммы изменения выпрямленного напряжения управляемого однофазного выпрямителя при различных значениях угла регулирования (моменты подачи отпирающих импульсов на управляющие электроды тиристоров указаны стрелками)

1. Среднее значение выпрямленного напряжения:

Ud

где Ud 0

		1
		2

2 2

2

U2

			2 U		cos			1 cos
	U2m sin d			2			Ud 0		,
								2

– среднее значение выпрямленного напряжения для не-

управляемого выпрямителя.

Заметим сразу, что напряжение на нагрузке является функцией угла управления: оно уменьшается при росте α. Важной характеристикой управляемого выпрямителя является его регулировочная характеристика (см. рис. 3.2, в). Она показывает, как меняется среднее выпрямленное напряжение (напряжение на нагрузке) в зависимости от угла регулирования.

41

а)	u1	б)	u22	u1
			u21

U2m

					π	2π
	u21	u22		0		θ
uVD	id
	VD1		VD2	udα
	Rd	ud		α	α	Udα
				id		θ
в)	Udα					Id
	Ud0
						θ
				uVD
						θ
						u21
				Uобр.m = 2U2m

α		u21 + u22

0

π

′

Рис. 3.2. Схема, временные диаграммы и регулировочная характеристика двухполупериодного управляемого выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора:

а– схема выпрямителя; б – временные′ диаграммы в – регулировочная характеристика

2.Среднее значение выпрямленного тока для заданного угла управления α можно найти, зная сопротивление нагрузки, по закону Ома для участка цепи:

Id Ud . Rd

3. Средний ток через тиристор, максимальное обратное напряжение на тиристоре и расчетные параметры трансформатора определяются так же, как и для неуправляемого выпрямителя. Это объясняется тем, что вентили и трансформатор должны обеспечивать все режимы работы, включая режим α = 0.

42

4. Параметры качества выпрямленного напряжения в управляемом выпрямителе хуже, чем в неуправляемом. Это связано с тем, что гармонический состав выпрямленного напряжения ухудшается с ростом угла управления α.

Временные диаграммы токов и напряжений двухполупериодного управляемого выпрямителя при активной нагрузке представлены на рис. 3.2, б.

3.2.Однофазный управляемый выпрямитель

снулевым выводом при активно-индуктивной нагрузке

Как правило, в реальных условиях эксплуатации выпрямители работают на активно-индуктивную нагрузку, которой может быть, например, двигатель постоянного тока в управляемом электроприводе, питающемся от сети переменного тока. Наличие индуктивности Ld в цепи выпрямленного тока вносит существенные особенности в работу управляемого выпрямителя.

Рассмотрим два случая активно-индуктивной нагрузки (рис. 3.3). Первый соответствует относительно малому значению индуктивности Ld, такому, что запас энергии в ней недостаточен для поддержания непрерывного тока в нагрузке. Второй случай соответствует весьма большому значению Ld, при котором выпрямленный ток оказывается практически идеально сглаженным ( id Id const ). Последний случай достаточно часто

встречается на практике в выпрямителях большой и средней мощности и имеет место при Ld (5...10) Rd .

В режиме прерывистого тока форма импульсов тока нагрузки id ( )

отличается от синусоидальной. После включения тиристора VS1 в момент θ = α к нагрузке прикладывается напряжение вторичной полуобмотки трансформатора ud u21 , ток в нагрузке начинает нарастать. В интервале

α < θ < π полярность напряжения и тока в нагрузке совпадают (на рисунке обе кривые ud и id расположены в положительной полуплоскости). Это

значит, что нагрузка потребляет энергию от источника питания, преобразуя ее в другие виды энергии на активном сопротивлении Rd и запасая часть энергии в индуктивности Ld. В момент θ = π напряжение питания уменьшается до нуля и меняет полярность, однако энергия, запасенная в индуктивности Ld, согласно известному из теоретической электротехники закону коммутации, не позволяет в этот же момент измениться току нагрузки. В результате в интервале π < θ < α + λ ток нагрузки id сохраняет прежнее направление, поддерживая тиристор VS1 в открытом состоянии, а напряжение ud u21 меняет полярность (на рис. 3.3 оно изображено в отри-

43

цательной полуплоскости) и в кривой выпрямленного напряжения появляются «отрицательные участки». Это означает, что в интервале π < θ < α + λ нагрузка отдает энергию, запасенную в индуктивности Ld, обратно источнику питания. Длительность этого интервала определяется величиной энергии, запасенной в индуктивности нагрузки. Если значение Ld невелико и запасенная в ее магнитном поле энергия мала, то между моментом запирания тиристора VS1 (θ = α + λ) и моментом отпирания тиристора VS2 (θ < π + α) возникает бестоковая пауза.

а) uy					б)	uy
	α VS1	α		α			α VS1	α		α
			VS2						VS2
					VS1					VS1
	udα						udα
		id						id
Udα					U2m	Udα				U2m
0						0
					θ					θ

i1	VS1	VS2	VS1	i1	VS1	VS2
		λ< π				λ= π
0		2π		0		2π
	π		θ		π	θ

φ(1) = α i1(1) – основная гармоника первичного тока

Рис. 3.3. Временные′ диаграммы токов и напряжений двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при активно-индуктивной нагрузке для режимов:

а – Ld >0 (режим прерывистого тока); б – Ld → ∞ (режим непрерывного тока)

Режим прерывистых токов нагрузки нежелателен, поскольку приводит к ухудшению характеристик электропривода, питающегося от выпрямителя, а также к росту тепловыделений в вентилях и трансформаторе.

В режиме непрерывного тока нагрузки, когда индуктивность Ld велика, запирание тиристора VS1 происходит именно в тот момент, когда отпирается другой тиристор – VS2. В результате ток нагрузки оказывается идеально сглаженным: id Id const, «отрицательные участки» в кривой

44

выпрямленного напряжения увеличиваются, а ток i1, потребляемый из сети (для краткости его часто называют первичным током, так как он является током первичной обмотки трансформатора), принимает вид прямоугольных импульсов. Очевидно, что основная гармоника этого тока i1(1) будет

отставать от синусоиды напряжения питающей сети u1 на угол		.
	1 1

Иными словами, коэффициент мощности такого выпрямителя будет тем меньше (а потребляемая из сети реактивная мощность тем больше), чем больше угол управления. Несинусоидальная форма первичного тока позволяет рассматривать выпрямитель по отношению к сети как генератор некоторого спектра высших гармоник тока, что также ухудшает коэффициент мощности выпрямителя. Кроме того, появление «отрицательных участков» в кривой выпрямленного напряжения приводит к уменьшению среднего напряжения на нагрузке и увеличению его коэффициента пульсаций.

Среднее значение выпрямленного напряжения для режима непрерывных токов определяется выражением:

1

2

2

Ud

U2m sin d

U2 cos Ud 0 cos ,

где Ud 0

2

2

U2

– среднее значение выпрямленного напряжения для не-

управляемого выпрямителя.

Вид регулировочной характеристи-

Udα

ки управляемого выпрямителя при ин-

Ud0

дуктивной нагрузке представлен на рис.

3.4. Там

же

для

сравнения приведена

Ld = 0

регулировочная характеристика выпря-

мителя при активной нагрузке. Все харак-

теристики, соответствующие смешанному,

Ld →∞

активно-индуктивному характеру нагрузки,

α

располагаются между этими двумя кри-

выми.

0

π

2π

Для снижения реактивной мощно-

сти, потребляемой из сети (особенно вы-

Рис. 3.4. Регулировочные

характеристики управляемого

прямителями большой и средней мощно-

выпрямителя при активной (Ld = 0)

сти), т. е. для повышения коэффициента

и индуктивной (Ld → ∞) нагрузке

мощности

выпрямителя, в схемах

вы-

прямления применяется обратный диод VD0, который шунтирует индуктивную нагрузку (рис. 3.5).

45

Шунтирование нагрузки обратным диодом VD0 создает контур, в ко-
тором может замыкаться ток нагрузки в те интервалы времени, когда за-
крыты оба тиристора. Обратный диод открывается в моменты k , где
k – целое, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора снижает-
ся до нуля и меняет полярность. В интервалах открытого состояния обрат-
ного диода напряжение нагрузки		ud 0 ,		а ток нагрузки замыкается через
обратный диод. В результате форма выпрямленного напряжения и регули-
ровочная характеристика становятся такими же, как при активной нагрузке
(исключаются отрицательные участки в кривой выпрямленного напряже-
ния); основная гармоника тока первичной обмотки трансформатора оказы-
вается сдвинутой	относительно	синусоиды			напряжения			сети	на угол
(1) 2 , т. е. улучшается коэффициент мощности управляемого выпря-
мителя.
	б)	uy					α
			α		α
а)				VS1		VS2		VS1
u1
				udα
					id
		Udα							U2m
u21	u22	0
									θ
				VS1		VS2		VS1
iVD0		i1
	Rd
VS1	VS2	0				2π
				π
	ud								θ
id
	Ld		φ(1) = α/2
VD0					i1(1) – основная гармоника
			iVD0			первичного тока
									θ
	′
Рис. 3.5. Схема и временные диаграммы работы двухполупериодного управляемого
выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора
	при активно-индуктивной нагрузке:
		′
а – схема выпрямителя; б – временные диаграммы с обратным диодом (VDо)

46

3.3. Инверторы, ведомые сетью

Инвертором называется устройство, преобразующее постоянный ток в переменный. Инвертор, передающий энергию от источника постоянного тока в сеть переменного тока, величина и частота напряжения которого заданы другими более мощными источниками переменного тока, называется

инвертором, ведомым сетью, или зависимым инвертором. Инверторы, ве-

домые сетью, нашли применение в электроприводах постоянного тока, питающихся от сети переменного тока, для осуществления режима рекуперации энергии в питающую сеть. В частности, электровозы переменного тока с рекуперацией (ВЛ80Р, ВЛ85 и др.) оборудованы выпрямительно-инверторными преобразователями. Такой преобразователь работает выпрямителем в режиме тяги и зависимым инвертором в режиме рекуперативного торможения. Таким образом, при определенных условиях один и тот же преобразователь может работать как в режиме выпрямителя, так и в режиме зависимого инвертора.

Рассмотрим принцип действия однофазного выпрямительно-инвертор- ного преобразователя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 3.6). В цепи выпрямленного тока такого преобразователя должна быть машина постоянного тока (МПТ), которая, как известно, может работать в режиме двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую (тогда преобразователь будет работать как выпрямитель), или в режиме генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую (тогда преобразователь будет работать как зависимый инвертор). При рассмотрении будем считать индуктивность нагрузки весьма большой (Ld → ∞); кроме того, будем учитывать индуктивность обмоток трансформатора (La ≠ 0), т. е. будем учитывать коммутацию тока в преобразователе, характеризующуюся интервалом коммутации γ.

При работе преобразователя с углами управления 0 < α < π/2 среднее значение выпрямленного напряжения Udα положительно, МПТ работает в двигательном режиме, потребляя энергию из сети (направления Ud и Id = id совпадают). Преобразователь работает в выпрямительном режиме.

Для того чтобы перевести преобразователь в инверторный режим, необходимо выполнить следующие условия:

1. В цепи выпрямленного тока должен быть источник электрической энергии (в нашем случае – это МПТ, работающая в генераторном режиме, т. е. приводимая во вращение внешним источником механической энергии), ЭДС которого согласована с направлением выпрямленного тока. По-

47

следнее означает, что полярность МПТ, как источника ЭДС, должна быть

изменена на противоположную по сравнению с режимом выпрямителя.

2. Угол управления тиристорами должен быть α > π/2.

а)

u1

б)

u1

u21

u22

u21

u22

VS1

E

VS2

VS1

E

VS2

ia1

ud

ud

ia2

ia1

ia2

id

id

uy

α

α

α

uy

α

VS1

α

VS2

α

VS1

VS1

VS2

VS1

ud

ud

Udα

U2m

U2m

0

0

θ

Udα

θ

VS1

VS2

γ

VS1

γ

ia

ia

VS2

2π

Id

2π

Id

0

π

θ

0

π

θ

uVS

uVS

β-γ

θ

θ

2u2

α

β

2u2

B

Рис. 3.6. Однофазный управляемый преобразователь с нулевым выводом,

работающий в режимах выпрямления и инвертирования:

а – α < π/2, преобразователь – в режиме выпрямления, МПТ – в двигательном режиме;

48

б – α > π /2, преобразователь – в режиме инвертирования, МПТ – в генераторном режиме; B – длительность интервала приложения обратного напряжения должна обеспечивать надежное запирание тиристора

При выполнении этих условий среднее значение выпрямленного напряжения становится отрицательным Udα < 0, а ток нагрузки продолжает протекать в том же направлении (оно определяется проводящим направлением тиристоров). Таким образом, направления Ud и Id = id становятся противоположными, что соответствует режиму возврата энергии источнику питания, т. е. работе преобразователя в режиме инвертора, ведомого сетью.

Поскольку в инверторном режиме α > π/2, для удобства вместо угла управления α в рассмотрение вводят угол опережения β, связанный с углом управления соотношением

.

Получим выражение для регулировочной характеристики (рис. 3.7, а) выпрямительно-инверторного преобразователя (для простоты вывода пока будем пренебрегать интервалом коммутации):

	1				2		2
Ud	2	2		U2m sin d				U2 cos Ud 0 cos Ud 0 cos .

Из этого выражения видно, что при α < π/2 Ud0 > 0, т. е. преобразователь работает в выпрямительном режиме, а при α > π/2 Ud0 < 0, т. е. преобразователь работает в режиме инвертора.

Если учитывать интервал коммутации, то среднее напряжение на нагрузке будет:

Ud Ud 0 cos Ud ,

где Udγ – потеря выпрямленного напряжения, обусловленная коммутацией. Напомним, что Udγ пропорциональна индуктивному сопротивле-

нию анодной цепи вентилей xa (иными словами, индуктивности обмоток трансформатора, так как xa = 2πfLa) и току нагрузки Id. Заметим, что при

работе преобразователя в выпрямительном режиме Ud

<

Ud

, т. е. яв-

ление коммутации приводит к снижению среднего напряжения на нагрузке

с ростом тока нагрузки. Напротив, в инверторном режиме

Ud

>

U

d

,

т. е. коммутация тока в вентилях приводит к увеличению среднего напряжения нагрузки с ростом тока нагрузки.

49

Внешняя характеристика выпрямительно-инверторного преобразователя приведена на рис. 3.7, б. Вид этой характеристики (прямые линии, имеющие наклон слева направо, сверху вниз) объясняется потерей напряжения от коммутации.

а)	Udα	ограничительная	б)
		характеристика
	выпрями-
		по αmax (βmin)	Udγ
	тельный
Ud0	режим		Ud0

0	π	2π	α	0
	π	0	β

инверторный режим

α = 0

α = 30○		выпрями-
α = 60○		тельный
		режим
α = 90○	β = 90○
β = 60○		Id
		инвер-
β = 30○		торный
		режим
		ограничительная
		характеристика

по αmax (βmin)

Рис. 3.7. Характеристики выпрямительно-инверторного преобразователя:

а – регулировочная характеристика; б – внешние характеристики

Минимальное значение угла опережения βmin ограничивается минимальным временем, которое схема должна предоставить тиристору для восстановления его запирающих свойств (т. е. минимальным интервалом, обеспечивающим надежное запирание тиристоров). Чтобы тиристор закрылся, к нему в течение некоторого времени должно быть приложено обратное напряжение, причем это время должно превышать паспортное время выключения тиристора данного типа (tвыкл). Следовательно, минимальное значение угла опережения:

min tвыкл .

Если это условие нарушается, то при приложении прямого напряжения тиристор самопроизвольно откроется без управляющего сигнала. В результате возникает короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора. Такой режим называется опрокидыванием инвертора и является аварийным.

50