книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей
..pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ТАШКЕНТСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. БЕРУНИ
В. Г ПАЛВАНОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
УПРАВЛЯЕМЫХ
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ТАШКЕНТ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ФАН» АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
1991
П а л и а н о в |
В. Г. Энергетические характеристики управляемых иыпрямите- |
лей. Ташкент: Фан, 1991. 148 с. |
|
Монография посвящена вопросам повышения энергетических показателей |
|
управляемых |
выпрямителей. С современных позиций рассмотрены схемные |
структуры выпрямителей, способы управления вентилями и связывающие их общие закономерности. Дана обобщенная методика расчета и сравнительного анализа энергетических характеристик выпрямителей, определены перспектив* ные способы их улучшения. Исследованы некоторые вопросы, связанные с ог раничением коммутационных перенапряжений и утилизацией их энергии в вы прямителях принудительной коммутацией.
Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области преобразовательной техники, а также для аспирантов и студентов вузов.
Табл. 3. Ил. 39. Библиогр. 77.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук В. П. Смирнов
Рецензенты:
доктор техн. наук Я. М. Усманходжаев, доктор техн. наук А. С. Даримое,
канд. техн. наук X. А. Мшиегянц
„ |
2202070500—73 |
tr(i П1 |
(g) Издательство «Фан» Академии наук |
J1 |
М 355 (04)—91 |
15и““У1 |
Республики Узбекистан, 1991 г. |
ISBN 5-648-00985-2
ВВЕДЕНИЕ
Проблема улучшения энергетических показателей управляемых выпрямителей, возникшая одновременно с их появ лением, приобрела в настоящее время особую остроту и актуаль ность в связи с быстро возрастающим их применением в промыш ленности и па транспорте. Несмотря на обилие теоретических раз работок и технических решении, нередко весьма оригинальных» очень скромные успехи в создании законченных разработок, сво бодных от тех или иных серьезных недостатков, свидетельствуют о том, что проблема не имеет простых решений, она представляет собой комплекс тесно связанных между собой научно-технических задач, среди которых одной из важнейших является дальнейшее развитие так называемой стационарной теории выпрямителей [1]_ Эта теория объединяет разделы изучения наиболее общих законо мерностей, связывающих свойства выпрямителей со структурой их схем и способами управления вентилями. В решении проблемы улучшения энергетических показателей выпрямителей знание этих закономерностей имеет первостепенное значение, так как по су ществу поиск решений всегда начинается с поиска оптимальных схем и наиболее эффективных способов управления вентилями. Их к настоящему времени предложено огромное количество, и если учесть, что сравнивать различные варианты приходится по целому ряду показателей и характеристик, становится ясным, что их прос той перебор с индивидуальным анализом каждой схемы и каждого способа управления практически неприемлем.
Необходима разработка общих методов анализа, позволяющих быстро определять требуемые характеристики выпрямителей и прогнозировать их изменение в зависимости от изменения основ ных параметров схем и способов управления. Фундамент для раз работки таких методов был заложен в стационарной теории вып рямителей, сложившейся в общих чертах к концу 40-х годов [2]. Эта теория оказала заметное влияние на дальнейшее развитие преобразовательной техники [1, 3, 4], однако в последние десяти летия наметился отход от использования обобщенных методов анализа. Во многих публикациях [5, 6 и др.] каждая схема вып-
рямления анализируется отдельно, чуть ли не как уникальный объект исследования, и нет даже упоминания о законе первичных токов М. А. Чернышева [7], который можно назвать одним из краеугольных камней теории вентильных преобразователей. Зако номерным следствием такой регрессии явилось снижение науч ного уровня и результативности исследований, многократное пов торение пройденного, рост числа публикаций с весьма сомнитель ными выводами, недостоверность которых сразу же обнаруживает ся, если их сопоставить с основными положениями теории.
Из сказанного, разумеется, не следует делать вывод, что об щая теория выпрямителей в последние годы не развивалась. Глу бокие обобщения сделаны О. А. Маевским [8—10], замечательным/ достижением является получение практических соотношений, поз воляющих рассчитывать гармоники выпрямленного напряжения по известным гармоникам их первичного тока [И], разработка ме тодики определения коэффициента мощности выпрямителей, не требующая предварительного разложения их первичного тока в (ряд Фурье [12] и др. В процессе выполнения многочисленных ис следовании постепенно накапливались данные, свидетельствующие о существовании определенных закономерностей в изменении свойств различных схем при соответствующих законах управле ния вентилями (примером является выделение О. А. Маевским групп энергетически эквивалентных схем выпрямления [13]), существенно изменилось представление о структуре мостовых схем выпрямления, которые в течение многих лет после опубликования монографии [2] рассматривались как особая разновидность прос тых схем. Это ошибочное представление о мостовых схемах опре деленным образом сковывало развитие теории, препятствуя более широким обобщениям.
В теории выпрямителей многое требуется переосмыслить и уточнить, методически переработать с единых позиций, отделить основное и общее от второстепенного и частного. Этим вопросам целиком посвящены две первые главы настоящей работы. В первой главе изложен анализ структурных особенностей различных схем выпрямления и их проявления в основных свойствах выпрямите лей. На основе этого анализа разработаны предложения о- внесе нии некоторых изменений в сложившуюся классификацию схем 'выпрямления. В этой же главе приведены общие соображения о более рациональном подходе к систе1матизации способов управ ления вентилями выпрямителей.
Вторая глава посвящена изложению наиболее важных законо мерностей, связывающих свойства и характеристики выпрямителе! с количественными параметрами, характеризующими схемы вып рямления и способы управления Ееитилямп. Известные сведения из этой области подвергнуты методической обработке и уточнению и дополнены анализом мгновенной мощности многофазных систем несинусоидального тока, благодаря которому удалось распростра нить известные соотношения, связывающие гармоники первичного
тока и выпрямленного напряжения трехфазиых выпрямителей [11], на системы с произвольным числом фаз.
В результате разработана простая и эффективная методика определения энергетических характеристик выпрямителей, позво ляющая проводить анализ с весьма широкими обобщениями и с минимальными трудозатратами. Эта методика использована в двух последующих главах для определения энергетических харак теристик наиболее распространенных схем выпрямления при раз личных законах управления вентилями. Следует отметить, что? этому вопросу посвящено очень большое число публикаций, в томчисле несколько книг и обзоров [13—19]. Однако использование материалов этих публикаций затруднительно, так как сведения
характеристиках во многих случаях не полны, а нередко и ошиочны, характеристики часто представлены в разной форме, что» затрудняет их сопоставление.
Анализ характеристик, изложенный в третьей и четвертой гла вах, выполнен в наиболее общем виде. Все многообразие способов* управления вентилями фактически сведено к двум основным раз новидностям — к раздельному управлению вентильными группами и к управлению с многократным включением вентилей. В резуль тате получено сравнительно небольшое число обобщенных харак теристик, из которых как частные случаи получаются характери стики для большого числа конкретных схем выпрямления и за конов управления, для каждого сочетания которых раньше тре бовалось проведение специального анализа. Характерно, что все частные случаи различаются по количественным значениям не большого числа параметров, характеризующих схемы выпрямления н законы управления вентилями, причем пределы изменения этих параметров в ряде случаев неограниченны. Так, характеристики выпрямителей с поочередным управлением получены для произволь ного числа поочередно управляемых вентильных групп, характе ристики при управлении с многократным включением вентилей — для произвольной кратности включения вентилей в течение одного периода и т. д.
Третья глава целиком посвящена анализу характеристик трех фазных одномостовых выпрямителей в связи с тем, что проблема улучшения их энергетических показателей наиболее остра и ак туальна. С одной стороны, трехфазные одномостовые выпрямители, являются основным типом промышленного преобразователя вдосаточно широком диапазоне мощностей (от единиц до нескольких (Отец кВт), с другой стороны, с повышением энергетических пока-
’телей именно этих выпрямителей возникают наибольшие труд-
..jcTii. В четвертой главе рассмотрены характеристики многомос товых выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Проведен ный анализ не преследовал цели охватить все многообразие схем выпрямления и способов управления вентилями, основная задача заключалась в выявлении наиболее эффективных способов управ ления вентилями выпрямителей, получивших наибольшее распро-
-странение в промышленности. Однако разработанная методика может быть с успехом использована и для анализа других схем выпрямления.
Как результаты проведенного анализа, так и весь имеющийся опыт исследовании и разработок по проблеме улучшения энерге тических показателей управляемых выпрямителей приводят к вы воду о том, что удовлетворительные результаты могут быть полу чены только при применении принудительной коммутации венти лей, позволяющей при умеренном усложнении силовой части схе мы выпрямителя не только существенно снизить потребляемую реактивную мощность, но и при необходимости изменить ее знак. Однако задача осуществления принудительной коммутации, в об щем успешно решенная в автономных инверторах и вентильных пре образователях постоянного напряжения, в отношении выпрямителей оказалась неожиданно сложной. Первые схемы выпрямителей с принудительной коммутацией появились еще в довоенные годы [3], большое число таких схем разработано в последние десятилетия, ■однако вполне удовлетворительных решений до сих пор нет.
Наиболее трудно поддается решению задача ограничения воз никающих при принудительной коммутации перенапряжений. Обычно для этой цели используют демпфирующие конденсаторы, подключаемые ко входным зажимам выпрямителя (со стороны переменного тока) через диодный мост. Вся сложность задачи заключается в том, что для того, чтобы такой узел нормально функционировал, от демпфирующих конденсаторов необходимо отводить и каким-то образом утилизировать значительную мощ ность, соизмеримую с мощностью основного выпрямителя. Из вестны и другие способы ограничения коммутационных перенап ряжений [20—22], но все они обладают теми или иными серьез ными недостатками.
Изучению одной из наиболее сложных проблем принудитель ной коммутации в выпрямителях — ограничению коммутационных перенапряжений и утилизации их энергии — посвящены последние параграфы третьей главы. В них дается анализ наиболее перспек тивных способов решения этой задачи, рассмотрены пути снижения энергии коммутационных перенапряжений.
Г л а в а 1. СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ, ИХ СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯМИ
1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ СХЕМ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Первая наиболее обстоятельная классификация схем выпрямителей была предложена В. М. Шляпошниковым [2], затем практически без изменений воспроизведена в монографиях [4, 1]. В ее основе лежит деление всех схем на однотактные и двухтактные, которые, в свою очередь, подразделяются на простые и сложные, причем последние представляют собой последователь ное или параллельное соединение простых схем. Среди простых однотактных (нулевых) схем выделены две разновидности — схемы катодного и анодного типов, а среди двухтактных — схемы разомкнутые и замкнутые (по виду схем соединения вентильных обмоток питающего выпрямитель трансформатора).
В последующие годы широкое распространение в промышлен ности мостовых схем выпрямления стимулировало более глубокое изучение схем этого класса. Мостовые схемы оказались по своим свойствам значительно ближе к сложным (составным, многоэле ментным), чем к простым (одноэлементным). Так, известно, что коэффициент мощности простых однотактных схем не может быть повышен за счет применения какого-либо специального способа управления вентилями [9]. В мостовых схемах, как и в сложных, коэффициент мощности можно повысить при применении пооче редного или несимметричного управления, управления с двукрат ным включением вентилей и др. Наконец, известен способ непо средственного преобразования двух последовательно соединенных простых однотактных схем катодного и анодного типов в мостовую (интересно, что этот способ описан именно в работе [2]).
Представление о мостовых схемах как о разновидности слож ных схем последовательного типа не только стало в настоящее время общепризнанным, но и легло в основу расчета их характе ристик. Очевидно, что такое представление о структуре мостовых схем не соответствует месту, которое отводится им в классифика ции [2]. Имеются у этой классификации и другие недостатки. Вопервых, она является не полной — после ее разработки появились новые схемы выпрямления (кольцевые схемы [23] и так называе мые простые мостовые схемы [24]). Во-вторых, представляется
неудачным деление двухтактных (мостовых) схем на схемы замк нутого и разомкнутого типов. Этот признак является несуществен ным, поскольку по основным свойствам и характеристикам эти два типа схем практически эквивалентны друг другу (так, мостовая схема разомкнутого типа с соединением вентильных обмоток транс форматора в зигзаг имеет такие же характеристики, что и с сое динением обмоток треугольником). Видимо, по этой причине в классификации, приведенной в [25], вместо деления мостовых схем на замкнутые и разомкнутые их предлагается делить на сим метричные и несимметричные (под несимметричными в данном случае подразумеваются мостовые схемы, у которых одна из вен тильных групп выполнена на управляемых вентилях, а другая — на неуправляемых). Следует сказать, что и такой подход к сис тематизации мостовых схем неудачен, поскольку основанием для г;у, кгурной классификации должны служить схемные признаки, а не тип используемых вентилей (строго говоря, признаком, лежа щем в основе разделения мостовых схем на симметричные и не симметричные, является даже не тип используемых вентилей, а способ управления ими, поскольку в симметричной мостовой схеме при соответствующем выборе способа управления вентилями мо гут быть получены любые режимы работы и любые характери стики, свойственные несимметричной мостовой схеме).
Наконец, еще одним недостатком существующей классифика ции схем выпрямления является отсутствие в ней давно известных п хорошо изученных выпрямителей с нулевыми вентилями. Между тем, эти схемы не только имеют самостоятельное практическое значение, но и позволяют уточнить представление о структуре мос товых схем (см. § Î.5).
Основные свойства выпрямителей как устройств преобразова ния энергии определяются структурой их схем и способом управ ления вентилями. С другой стороны, классификации выпрямите лей по типу схем и по способам управления вентилями должны основываться не только лишь на одном внешнем сходстве или несходстве тех или иных признаков, но и на закономерном прояв лении этих признаков в основных свойствах выпрямителей. С уче том этого важного положения делается попытка внести некоторые коррективы в существующую структурную классификацию выпря мителей. Изложены в этой главе также и общие соображения о подходе к систематизации способов управления вентилями.
1.2.ПРОСТЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Кхорошо известным простым схемам выпрямления катодного
(рис. 1.1, я) и анодного |
(рис. 1.1,6) типов можно добавить еще |
|
две разновидности схем |
этого типа: с двумя источниками э. д. с. |
|
(рис. 1.1, в)и с двумя вентилями |
в каждой фазе (рис. 1.1, г), ко |
|
торую можно было бы назвать |
схемой катодно-анодного типа. |
Последние две схемы не имеют самостоятельного значения, но яв
ляются, как показано ниже, структурными элементами некоторых сложных схем, получивших практическое применение.
Изображенные на рис: 1.1 схемы можно объединить под общим названием «радиальные (в [1] такие схемы названы «лучевыми»). Распространенный термин «однотактные схемы» представляется не вполне удачным, так как он отражает не структурные особеиио-
£
Рис. 1.1. Разновидности простых радиаль ных схем выпрямления
сти этих схем, а их рабочие свойства. Другое распространенное название — «нулевые схемы» — не подходит к схеме, изображен ной на рис. 1.1,г.
Класс простых схем выпрямления сравнительно недавно попол нился новой разновидностью — кольцевой схемой [23]. Ее при надлежность именно к этому классу можно доказать различными способами. На рис. 1.2, я изображена шестифазная схема типа схемы с двумя источниками э. д. с. Если в этой схеме, принадлеж ность которой к классу простых схем очевидна, выполнить уравни тельные соединения, показанные на рис. 1.2, я пунктирными ли ниями, то в результате получим кольцевую схему, изображенную на рис. 1.2, 6. Очевидно, что уравнительные соединения не изме няют режима работы исходной шестифазной схемы, следовательно, полученная таким образом кольцевая схема также должна быть отнесена к классу простых схем выпрямления. Это подтверждает и анализ основных свойств и характеристик кольцевой схемы, из ложенный в [23]. Следует отметить, что кольцевая схема может быть получена также в результате эквивалентного преобразования
шестифазной нулевой схемы с вентильными обмотками транс форматора, соединенными в двойной зигзаг.
Характерным для кольцевых схем является то, что в них отдельные источники э. д. с. (или секции вторичных обмоток транс форматора) входят одновременно в ветви двух и более фаз. Этот
Рис. 1.2. Преобразование шестифазной радиальной схегш в кольцевую
признак проявляется и в шестифазной нулевой схеме «двойной зигзаг». Другая особенность кольцевых схем заключается в том, что они могут иметь только четное число фаз выпрямления (четы ре, шесть, восемь и т. д.).
При большом числе фаз выпрямления вентили могут соеди няться в несколько колец [26]. Так, в двенадцатифазной схеме вентили можно соединить в одно кольцо из двенадцати вентилей, в два кольца по шесть вентилей или в три кольца по четыре вен тиля. Увеличение числа колец позволяет упростить схему соедине ния вентильных обмоток трансформатора. В остальном много кольцевые схемы не отличаются от однокольцевых.
В кольцевых, как и в любых других простых схемах выпрям ления, продолжительность работы вентилей уменьшается с увели чением числа фаз выпрямления. Поэтому использование вентилей в таких схемах невелико и их целесообразно применять только в установках небольшой мощности, где в полной мере может про явиться их главное достоинство — возможность существенного уве= личения числа фаз выпрямления (т. е. снижение пульсаций вып
рямленного напряжения) |
при умеренном усложнении конструкции |
|
трансформатора. |
|
|
Рассмотренными схемами далеко не исчерпывается многообра |
||
зие возможных способов |
соединения |
между собой источников |
В. д. с. (или секций вторичных обмоток |
трансформатора) и вен |
тилей в простых схемах выпрямления. С другой стороны, пока нет необходимости дополнять класс простых схем новыми разновидно стями. Какими бы они не были, основные свойства и характери