Мартынов_силаI

линия 2′). Увеличение выпрямленного напряжения в этом случае происходит за счет сокращения длительности работы тиристора в отрицательной области напряжения U2 вторичной обмотки трансформатора.

При холостом ходе (Id = 0) напряжение в режиме прерывистых токов (αгр < α) может быть подсчитано по формуле (113).

Прерывистый характер тока имеет место при токах нагрузки Id: 0 < Id < Iгр m:

	U	æ	π		π	ö
	d0	ç				÷
Iãð m =		sinαç1-		ctg		÷	(121)
						÷,
	ωñLô	ç	kòm2			÷
		è			kòm2 ø

где ωc = 2πfc, fc – частота сети, питающей выпрямитель;

Lф – индуктивность дросселя сглаживающего фильтра цепи нагрузки выпрямителя.

Для трехфазного мостового выпрямителя, а также для всех схем, пульсность которых p = kтm2 = 6:

I	=0,0946	Ud0	sinα.	(122)
ãð m		ωñLô

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение понятию «внешняя характеристика».

2.Перечислите виды падения напряжения на элементах схемы выпрямителя и укажите формулы для их расчета.

	Коэффициент полезного действия выпрямителя
		η=	Pd
				,	(123)
			Pd +å∆P
где:
∑ ∆Р – суммарная мощность потерь выпрямителя;
∑ ∆Р = ∆Ртр + ∆Рдр + ∆Рв;
∆Ртр = ∆Рc + ∆Рм;
∆Ртр – потери в трансформаторе;
∆Рc – потери в стали трансформатора;
∆Рм – потери в меди трансформатора;
∆Р	= I2R	– потери в меди дросселя;
др	d L

81

∆Рв – потери в вентилях выпрямителя:
∆Р = k I ∆U		+ k I2	R	;	(124)
в т d	в.пр	т в.д		в.дин

Iв.д – действующее значение тока, протекающего через вентиль.

Вопросы для самоконтроля

1.Укажите, как следует рассчитывать КПД выпрямителя.

2.Как рассчитать потери мощности на элементах схемы выпрямителя, укажите формулы для их расчета?

82

2.ЗАВИСИМЫЙ ИНВЕРТОР

2.1.Работа выпрямителя

врежиме зависимого инвертирования

Зависимые инверторы, как уже отмечалось, представляют собой управляемые­ преобразователи с естественной коммутацией, используемые в этом режиме непрерывно или при чередовании с выпрямительным режимом, например в реверсивном электроприводе постоянного тока. Так, при работе машины постоянного тока двигателем питающий ее преобразователь работает вы­прямителем, и электроэнергия поступает из сети переменного тока к машине­. Когда машина переходит в генераторный режим (торможение, движение­ электропоезда под уклон и т. д.), преобразователь работает зависи­мым инвертором, передавая энергию, генерируемую машиной, в сеть переменного­ тока.

Перевод выпрямителя в режим зависимого инвертирования

Рассмотрим­ перевод управляемого выпрямителя в инверторный режим на примере трехфазного­ мостового тиристорного преобразователя, нагруженного на машину постоянного тока, схема которого представлена на рис. 25.

При работе преобразователя в выпрямительном режиме ток в машине протекает навстречу ее противоЭДС Ed под действием выпрямленного напряжения Ud.

			Режимы
	Ld		Выпря-	Èíâåð-
		мительный		торный
	VS4 VS6 VS2		α < π/2	α < π/2
			Id	Id
T	a		Ed	Ed
			Ud	Ud
A	b
B		+
	c
C		ÌÏÒ	ÎÂ
	VS1 VS3VS5		IÎÂ
		–

Рис. 25. Трехфазная мостовая схема зависимого инвертора: МПТ – машина постоянного тока; ОВ – обмотка возбуждения

83

Принципиально­ изменение направления потока энергии может быть достигнуто путем изменения направления тока или ЭДС машины. Однако вследствие односторонней проводимости тиристоров переход к инверторному режиму путем изменения направления тока в данной схеме не может быть осуществлен­. Поэтому для перехода к инверторному режиму необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины Ed и напряжения преобразователя­ Ud так, чтобы Ed > Ud, а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное направление­. Электрическая машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого необходимо к валу этой машины подвести механическую энргию от внешнего источника механической энергии (постороннего двигателя). Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника электрической энергии.

Изменение полярности ЭДС на зажимах машины постоянного тока может­ быть осуществлено путем изменения направления тока в обмотке возбуждения­ или переключением полярности якорных выводов. Изменение полярности­ напряжения преобразователя осуществляется установкой таких углов управления α > π/2, при которых вентили естественно коммутируют и проводят ток при отрицательном напряжении питающих фаз.

В результате­ для перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования необходимо:­

–установить угол регулирования α > π/2;

–изменить полярность ЭДС машины постоянного тока;

–к валу машины приложить вращающий момент, обеспечивающий ее работу­ в генераторном режиме;

–увеличить ЭДС машины так, чтобы Ed > Ud при допустимой величине­ тока в цепи обмотки якоря.

Электромагнитные процессы. Рассмотрим диаграммы токов

инапряжений­ в схеме зависимого инвертора, представленные на рис. 26, при общепринятых допущениях.

Пусть проводят ток вентили VS5 и VS6, примем угол регулирования α= 5π/6. В момент времени k′на вентиль VS1 подается­ управля-

ющий сигнал. Поскольку линейное напряжение uаb выше uсb, произойдет естественная коммутация тока с вентиля VS5 на вентиль

VS1. Из-за наличия реактивного сопротивления в контуре коммутации коммутация длится в течение угла γ. Величина мгновенного

напряжения­ преобразователя ud в интервале коммутации определяется полусуммой­ линейных напряжений (uаb + uсb)/2. Аналогичным образом через 60° в точке l′ произойдет коммутация с вентиля VS6 на вентиль VS2 и т. д.

84

uab	uac	ubc		uba		uca		ucb	uab	uac
ud
		Uâ1
							δ
0	π/2		π		3/2π			2π		5/2π	ωt
	k′	k2		l2		m2		n2	p2
			l′		m′		n′	p′		q′
		γ δ
	α
	iâ6	β		iâ2				iâ4
	iâ5		iâ1			iâ3
0											ωt
	Рис. 26. Временные диаграммы,
	поясняющие работу зависимого инвертора

При анализе инверторного режима для отсчета угла регулирования более удобно пользоваться не значением угла α, а сопряженным углом­ β = π – α, который принято называть углом опережения. Угол опережения отсчитывается от точек предельной коммутации k2, l2, m2, представляющих точки пересечения отрицательных полуволн линейных напряжений­.

Для осуществления естественной коммутации, при которой ток переходит от вентиля с меньшим потенциалом анода к вентилю с более высоким потенциалом анода, необходимо, чтобы открытие очередного вентиля­ происходило с некоторым опережением относительно точек предельной­ коммутации. Это опережение должно учитывать как угол коммутации γ, так и угол выключения вентиля δ, предоставляемый для восстановления­ запирающих свойств, т. е. β ≥ γ + δ. После вступления­ в работу очередного вентиля потенциал

85

анода предшествующего вентиля­ начинает увеличиваться, принимая положительные значения. Изложенное­ иллюстрируется построенной на рис. 26 (утолщенный контур) кривой мгновенного напряжения uв1 на вентиле VSI. Построение данной­ кривой осуществляется так же, как для выпрямительного режима (см. подразд. 1.8), форма ее характерна тем, что на большей части периода­ напряжение на запертом вентиле положительное, и только в течение угла δ оно отрицательное. При положительном uв1 за точкой m2 вентиль VS1 может вновь открыться, если к этому времени в нем не будет восстановлена управляемость (блокирующая способность). При таком повторном открытии вентиль будет пропускать ток в течение положительного­ полупериода линейных напряжений, в результате чего инвертор­ опрокидывается – образуется аварийное короткое замыкание сети и машины при согласном направлении их ЭДС. Для надежной коммутации очередной­ вентиль должен открываться с опережением относительно точек предельной коммутации на угол

β

= γ + kзtq,

(125)

где kз – коэффициент запаса устойчивости коммутации, принимаемый практически 1,5–3,0;

tq – время восстановления управляющей способности вентиля, приводимое в паспортных данных тиристора и равное, например для тиристоров типа ТЛ, 20–50 мкс.

С учетом условий перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования, изложенных выше, в выражении внешней характеристики выпрямителя (116) при переводе выпрямителя в режим инвертирования должны измениться знаки перед напряжением Ud (напряжением источника постоянного тока) и перед напряжением «подпора» вентильного блока, Ud0cosα, поскольку угол α > 90° и cosα имеет отрицательный знак. Нетрудно видеть, что в инверторном режиме все члены формулы (107) имеют отрицательный знак.

Введем угол опережения β = 180° – α. Умножив правую и левую части этого уравнения на –1, получим выражение внешней характеристики зависимого инвертора

Ud =Ud0 cosβ+∆Uõ +∆UR ô +∆UL ô +∆Uâ.ïð ,

(126)

где ∆Uх, ∆UR ф, ∆UL ф, ∆Uв.пр – те же падения напряжения, что и в формуле (116).

86

После подстановки значений ∆Uх, ∆UR ф, ∆UL ф, ∆Uв.пр в формулу (126) получим

				æ					ö
U	=E	=U	cosβ+I	çkòm2		x	+R	+R	÷	+∆U	, (127)
									÷
d	d	d0	dç			ô	ô	Lô÷		â.ïð
				è 2π					ø

где Ud = Ed – напряжение источника постоянного тока;

Id – ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока:

I	=	Ed -Ud0 cosβ-∆Uâ.ïð						.	(128)
d			k m
			ò	2	x	+R	+R
			2π
				ô		ô	L ô

Нетрудно видеть, что для увеличения тока Id, а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо увеличивать напряжение источника постоянного тока (Ud = Ed) (при постоянном угле β) или уменьшать угол β (при постоянном напряжении источника постоянного тока).

Внешняя характеристика зависимого инвертора Ud = f(Id) при постоянных значениях угла β приведена на рис. 27.

Важным параметром, определяющим устойчивость работы за-

	висимого инвертора, является угол δз. На интервале, определяемом
	углом δз, к выключаемому тири-
	стору приложено отрицательное					Ud		α1 = 0°
	напряжение (см. рис. 26).
	Для устойчивой работы ин-
	вертора необходимо, чтобы угол							α2 > α1
	δз превышал угол, необходимый
	для восстановления запирающих							α3 > α2	Id
	свойств тиристора, который при
								α4 = 90°
	частоте 50 Гц находится в пре-
								α5 > 90°
	делах
	δ	восст	» 360 t		= 360 t ,		α7 > α6	α6 > α5
			Tc	q	0,02 q		Îãðàíè÷ительнàÿ
	где tq – время, необходимое для							õàðàктеристикà
						Рис. 27. Внешние характеристики
	восстановления				управляющих
	свойств тиристора;						в режиме выпрямления
							(0 < α < 90°)
	Тс = 1/fc, при fc = 50 Гц Тс =						и в режиме инвертирования
	= 0,02 с.						(90° < α < 180°)

87

Как видно из рис. 26:

δз = β – γ.

(129)

С увеличением тока Id при неизменном угле опережения β угол коммутации γ возрастает и, следовательно, угол δз уменьшается и может достигнуть при определенном токе минимально допустимого значения.

Это и определяет допустимый ток инвертора Id. Угол δз уменьшается также при постоянном Id, уменьшении β и соответствующем увеличении противоЭДС инвертора. Следовательно, чем больше противоЭДС, тем меньше допустимый инвертируемый ток.

Зависимость противоЭДС инвертора Ud от допустимого инвертируемого тока Id при δз = const называют ограничительной характе-

ристикой, выражение которой
U =-3					cosδ-I x ).
		(	6	U		(130)
d	π	ô2			d ô

Ограничительная характеристика приведена на рис. 26.

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте определение понятию «зависимый инвертор». 2. Перечислите условия перевода управляемого выпрямителя

врежим зависимого инвертирования.

3.Укажите способы регулирования мощности, отдаваемой зависимым инвертором в сеть переменного тока.

4.Дайте определение понятию «ограничительная характеристика».

2.2.Коэффициент мощности зависимого инвертора

Взависимых инверторах, в отличие от выпрямителей, активная мощность передается из цепи постоянного тока в сеть переменного

тока, и эту мощность следует считать отрицательной. Соответствен-

но, поскольку в интервалах α > π/2 и угол ϕ(1) > π/2, коэффициент сдвига cosϕ(1) также является отрицательным. Однако коэффициент мощности всегда считается положительной величиной, и поэтому в выражение коэффициента мощности зависимого инвертора

x= PS1(1) =kèñêkñäâ

1

88

следует подставлять абсолютные значения P1(1) и cosϕ(1). С учетом α = π – β для зависимого инвертора

x=k	çæ	γ	÷ö	(131)
	cos β-	÷.
èñê	ç	÷
	è	2ø

Коэффициент искажения формы тока при мгновенной коммутации (когда форма тока прямоугольна) для трехфазной мостовой схемы преобразователя равен 3/π = 0,955. С увеличением угла коммутации коэффициент искажения повышается; так, при γ = 40° величина коэффициента искажения формы тока увеличивается до 0,966.

Из выражения (131) видно, что коэффициент мощности зависимого инвертора повышается при уменьшении угла β. Однако, как было показано выше, уменьшение β приводит к уменьшению угла δз = β – γ и, соответственно, к увеличению вероятности опрокидываний инвертора.

Коэффициент полезного действия зависимого инвертора

η=	P1	=	Pd -åPï	=1-	åPï ,	(132)
	P
			P		P
	d		d		d

где Pd = UdId – мощность, потребляемая инвертором от источника электрической энергии постоянного тока;

P1 = m1U1I1χ – активная мощность, отдаваемая инвертором в сеть переменного тока;

ΣPп – сумма потерь мощности инвертора.

Составляющие ΣPп определяются по тем же расчетным соотношениям, что и для выпрямительного режима.

Вопросы для самоконтроля

1.Укажите отличие в формуле расчета коэффициента мощности управляемого выпрямителя и зависимого инвертора.

2.Укажите отличие в формуле расчета КПД управляемого выпрямителя и зависимого инвертора.

89

3.СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

3.1.Основные понятия о сглаживающих фильтрах

Сглаживающие фильтры применяются для сглаживания (подавления) пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем.

Как было показано в разд. 1, выпрямленное напряжение представляет собой пульсирующую кривую, содержащую постоянную (полезную) и переменную («помеху») составляющие. Переменная составляющая выпрямленного напряжения является периодической функцией времени, гармонический состав которой определяется фазностью (m2) и тактностью (kт) схемы выпрямления. Амплитуды высших гармоник зависят от угла регулирования и от угла коммутации.

Количественно величина пульсации оценивается коэффициентом пульсации kп. Как уже сказано, коэффициент пульсации можно определить аналитически как отношение амплитуды низшей (первой) гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его среднему значению:

kï =	Ukmax	,	(133)
	Ud

где k – номер низшей гармоники пульсаций по отношению к частоте.

Коэффициент пульсации можно определить графоаналитическим способом по предварительно построенной временной диаграмме выпрямленного напряжения. По этой временной диаграмме необходимо определить максимальное (Udm max) и минимальное (Udm min) мгновенные значения выпрямленного напряжения и частное от деления полуразности максимального и минимального значений выпрямленного напряжения к полусумме этих величин:

k =	Udmmax -Udmmin		.	(134)
ï	U	+U
	dmmax	dmmin

Следует отметить, что величина коэффициента пульсации, определенная по формуле (134), оказывается завышенной по сравнению с величиной коэффициента пульсации, определенной по формуле (133), которая является более точной.

90