книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей

•Подставляя это значение при /е=/гф в (3.58), получим

Сф —	6 p ( ^ î - l )
	•
	я© /гфУ/г,,,

Индуктивность фильтра с учетом равенства (3.49) может быть

.рассчитана по формуле

nkф У /гф

(3.61)

б^со (Æ* —1)

3.7.ОГРАНИЧЕНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ

ВВЫПРЯМИТЕЛЯХ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Управление с принудительным запиранием силовых вентилей вып­ рямителя, независимо от способа его осуществления — по цепи уп­ равления в случае применения запираемых тиристоров или при помощи специального узла принудительной коммутации при ис­ пользовании обычных тиристоров, сопровождается, если не при­ няты специальные меры, возникновением недопустимых перенап­ ряжений. Для ограничения коммутационных перенапряжений ис­ пользуют демпфирующие конденсаторы достаточно большой ем­ кости, подключаемые к зажимам переменного тока выпрямителя через вспомогательный выпрямитель, выполненный на диодах или тиристорах. Для того, чтобы такой узел ограничения коммута­ ционных перенапряжений нормально функционировал, от конден­ сатора необходимо постоянно или периодически отводить избы­ точную энергию, запасаемую им в процессе принудительной ком­ мутации. Так как отводимая от конденсатора мощность может достигать значений, соизмеримых с мощностью основного выпря­ мителя, то в качестве ее приемников практически можно исполь­ зовать только питающую сеть или нагрузку выпрямителя.

Для отдачи энергии коммутационных перенапряжений в сеть описанный узел ограничения коммутационных перенапряжении дополняется специальным преобразователем — инвертором [53, 54]. По данным ряда исследований [20, 55—57] мощность инвер­ тора быстро возрастает с увеличением индуктивности фаз питаю­ щей сети и тока нагрузки выпрямителя и может достигать 30—50% номинальной мощности последнего. При этом уровень ограничи­ ваемых таким способом перенапряжений остается достаточно вы­ соким — до 40—50% амплитуды междуфазового напряжения и более. Для подключения инвертора к сети требуется согласующий трансформатор или автотрансформатор, а в цепь постоянного тока инвертора должен быть включен сглаживающий дроссель. Все эго усложняет схему и конструкцию узла ограничения коммутацион­ ных перенапряжений. Следует также иметь в виду, что инвертор,

имеющий соизмеримую с основным выпрямителем мощность*, потребляет из сети значительную реактивную мощность и генери­ рует в сеть токи высших гармоник.

В ряде случаев более простыми оказываются устройства, при помощи которых энергия коммутационных перенапряжений от­ дается в нагрузку основного выпрямителя. Сброс энергии осу­ ществляется либо путем периодического подключения демпфирую­ щего конденсатора непосредственно к нагрузке выпрямителя при помощи запираемых вентилей [58—60 и др.], либо через посред­ ство коммутирующего конденсатора, заряжаемого перед началом каждой коммутации от демпфирующего и отдающего затем полу­ ченную энергию в нагрузку в процессе принудительной коммута­ ции [61]. Недостатком второго способа является ограниченная «пропускная способность» коммутирующего конденсатора из-за его относительно небольшой емкости, если она принята из условия гарантированного запирания силовых тиристоров основного вып­ рямителя.

В ряде разработок [62—65] демпфирующий конденсатор, раз­ ряжающийся непосредственно на нагрузку, выполняет одновре­ менно и функцию коммутирующего, т. е. осуществляет запирание силовых тиристоров основного выпрямителя. Однако такое совме­ щение функций приводит к усложнению схемы преобразователя. Известна также большая группа схем выпрямителей с принуди­ тельной коммутацией [66—71], в которых коммутирующие кон­ денсаторы большой емкости выполняют одновременно функции демпфирующего. Такого рода схемы отличаются, как правило, еще большей сложностью. Сравнительный анализ достоинств и недос­ татков перечисленных разновидностей схемных решений представ­ ляет собой содержание отдельного исследования, здесь же следует отметить, что, несмотря на существенные различия этих схемных решений, режимы работы демпфирующих конденсаторов (или коммутирующих конденсаторов, выполняющих одновременно функ­ ции демпфирующих) во всех известных разработках весьма сход­ ны и могут быть отнесены к трем видам. В одних схемах демпфи­ рующий конденсатор в процессе «гашения» тока в фазах заря­ жается их спадающим током, в других — он, будучи предвари­ тельно заряжен, разряжается (на нагрузку) в этом же процессе, наконец, в третьих демпфирующий конденсатор на начальной ста­ дии снижения тока в фазах разряжается, а на заключительной стадии — заряжается. Анализ показывает, что в последнем случае существенно снижаются энергия и уровень коммутационных пере­ напряжений, если же уровень коммутационных перенапряжений задан, то может быть значительно снижена емкость демпфирую­ щего конденсатора. Таким образом, одним из путей снижения уровня коммутационных перенапряжений и их энергии является рациональный выбор режима работы демпфирующего конденса­ тора в процессе принудительной коммутации тока в фазах питаю­ щей сети.

Известны и другие способы повышения эффективности узлов ■ограничения коммутационных перенапряжений. Так, в [20J пока­ зано, что энергия коммутационных перенапряжений снижается в два раза (на самом деле несколько меньше), если демпфирующий конденсатор подключать не на линейное, а на фазное напряже­ ние. В [72] предлагается коммутацию тока в фазах осуществлять в две стадии, «гася» ток сначала в одной полуобмотке каждой вторичной фазы трансформатора, а затем в другой. Очевидно, что если вторичные обмотки трансформатора разделить на большее число секций и по очереди «гасить» в них ток, то энергию комму­ тационных перенапряжений можно снизить до сколь угодно малой величины. К сожалению, техническая реализация этого способа сложна, а в бестрансформаторных выпрямителях вообще невоз­ можна.

Высказывалось также предположение [21], что снижению энергии коммутационных перенапряжений должны способство­ вать резонансные фильтры высших гармоник, включаемые на сто­ роне переменного тока выпрямителя, однако из-за возможности возникновения в системе сеть — фильтры случайных резонансных явлении и сопровождающих их перенапряжении к применению отдельно устанавливаемых резонансных фильтров сложилось скеп­ тическое отношение, и исследования в этом направлении практи­ чески ие велись. Между тем резонансные фильтры, подключаемые к выпрямителю с принудительной коммутацией, отнюдь не авто­ номны— параллельно с ними к фазам подключаются и узлы огра­ ничения коммутационных перенапряжений, которые способны ог­ раничивать и перенапряжения, обусловленные случайными резо­ нансными явлениями. Как показали исследования, проведенные ав­ тором, резонансные фильтры и узлы ограничения коммутацион­ ных перенапряжений очень хорошо дополняют друг друга. Резо­ нансные фильтры не просто способствуют, но существенно сни­ жают уровень и энергию коммутационных перенапряжений, т. е. облегчают работу узла ограничений коммутационных перенапря­ жений, последний же эффективно демпфирует ‘колебания, причи­ ной возникновения которых могли бы стать фильтры.

В последующих параграфах дается количественная оценка наиболее перспективных из перечисленных способов снижения уровня и энергии коммутационных перенапряжений.

3.8. ХАРАКТЕРИСТИКИ УЗЛА ОГРАНИЧЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ

Рассмотрим процесс коммутации тока в фазах сети при принуди­ тельном запирании пары проводящих ток вентилей трехфазной мос­ товой схемы, например вентилей VI и V2 (рис. 3.15, а). Предпо­ ложим, что запирание этих вентилей происходит мгновенно и энер­ гия коммутационных перенапряжений отводится от демпфнрую-

щего конденсатора непрерывно при помощи инвертора (ток ин­ вертора 7„= const), при этом демпфирующий конденсатор перед, началом коммутации заряжен до амплитуды линейного напряже­

ния сети, Ид(0) = 6 U. Совмещая начало отсчета времени с мо­ ментом начала коммутации, изменение линейного напряжения, нагруженных током фаз можно представить уравнением

Рис .3.15. Эквивалентная схема контура коммутации тока в фазах сети (а) к> диаграммы тока и напряжения демпфирующего конденсатора при отдаче энер­ гии коммутационных перенапряжений в сеть (и)

На — Ис = V6 U COS {(ùt + ф„),

(3.62)

где фн — угол, определяющий момент начала коммутации отно­ сительно точки максимума этого напряжения.

Выражая токи в долях номинального тока нагрузки, для схемы, на рис. 3.15, а получим дифференциальное уравнение

	or	(3.63)'
i'-а + ©а 1А = Юа 7ц	------------х *S ill {(ùt + ф и),
где
© а =	1	(3.64)'

V2La Сд

*2(ùLaIdB

*а = — —----

(3.65)

V 6U

Решение дифференциального уравнения (3.63) с учетом на чальных условий

U ( 0 ) = I d = p /d n ,

у 6и

U	(0) = —	----- CD (cos фи		1)
		2хл
получим в виде
	I'A = Уп + ^ [ cos (Ли со/ —фа) —
	k0 sin фа sin (со/ + ср„)				|7
	te2	(cos ф„ — 1) rh 1		•*’
	со	*
где
		tea	С0а
			(Û 7
		2			1
фа =	arctg	tea (cos ф„ — 1 ) +
	tea U*a (kza—1 ) (p —/*м) + sin фц]
		ry		1
	A =	teâ ( cos cp„ —1 ) +
		x* tea ite2	—1 ) sin гра

(3.67X

(3.68>

(3.69>

(3.70)'

Приравнивая правую часть выражения (3.67) нулю, можно ус­ тановить угол со/к=фк, определяющий длительность процесса ком* мутации тока в фазах сети (расчет ведется одним из численных методов).

Изменение напряжения демпфирующего конденсатора в про­ цессе коммутации описывается уравнением

“ я =	Нт\ = 1+——JИл —		Ia ) dt = ---- f tel cos (о/ +
	У 6 и	о	, 2	,
			k l -	1
		2
+ фи) +		ka (cos ф„ —1) + 1			(3.71)
		Sin фа	sin (k a со/ - t a ) ]

В пределах интервала коммутации 0<со/<фк это напряжение дос­ тигает максимального значения 1/дт, определяющего уровень ком­ мутационных перенапряжений. С некоторой погрешностью вместо напряжения и дт можно принимать напряжение (7ДК демпфирую­ щего конденсатора в конце коммутации, т. е. при <а/=фк.

В интервале фк^со/^зх/З конденсатор Сд должен разрядиться постоянным током инвертора /н до амплитуды линейного напря-

женин сети (см. рис. 3.15,6). Из этого условия можно определить зависимость между напряжением Um и током инвертора:

1 + х• / > : (

(3.72)

Для определения мощности коммутационных перенапряже­ ний, отводимой инвертором, необходимо определить среднее зна­ чение напряжения демпфирующего конденсатора в интервале ■О^со^я/3:

U		kl (cos фн —1) + 1
		[cos фа —COS (km фк —
		ka (k\ — 1) sin фа
- Фа)1		km	*/«. + 1
	k2	[sin фк + ф„) —sin фи] +
		- 1

(3.73)

Мощность коммутационных перенапряжений определяется по фор­ муле

U , с» -Л,	ср *11-	(3.74)
— 2
(7jo lia

Полученные формулы позволяют рассчитать необходимые ха­ рактеристики рассматриваемого узла ограничения коммутацион­ ных перенапряжений. В связи с тем, что выражения для отдельных расчетных величин (фк, UMi, /„) не могут быть получены в явном виде, расчет осуществляется одним из итерационных методов по следующей схеме: по ориентировочно принятым значениям нап­

ряжения	С/*к	и угла фк по формуле (3.72) определяется ток	ин­
вертора	/*,	затем по формуле (3.69) рассчитывается угол	фа.

Далее по формуле (3.67) при со£=фк определяется уточненное зна­ чение угла фк, а по формуле (3.71) — уточненное значение напря­ жения £/*,., после чего все расчеты повторяются до завершения

итерационного процесса. По полученным точным значениям U* * <?к и /* по формулам (3.73) и (3.74) рассчитывается мощность коммутационных перенапряжений.

Полученные формулы могут быть также использованы для рас­ чета характеристик узла ограничения коммутационных перенап­ ряжений при некоторых способах сброса энергии в нагрузку вып­ рямителя, для которых характерно осуществление заряда демп­ фирующего конденсатора в процессе снижения тока в фазах сети (примерами могут служить схемы со сбросом энергии в нагрузку через посредство коммутирующего конденсатора, а также схемы с двумя демпфирующими конденсаторами, у которых процессы

разряда и заряда разделены во времени). При использовании этих формул входящий в них ток инвертора /„ принимается равным нулю, для расчета же энергии и мощности коммутационных пере­ напряжений следует пользоваться формулами

				и 'г — 1				1
	V* ~ №
Л „				и ДК		1
ААя = ------- ------ -				12/х* k		rf01
				*2				(3.75)
			и ~
		do	2х* /е2
				а	и
На рис.	3.16	сплошными	линиями			изображены		зависимости
U*w(K )	Для	ряда значений		индуктивности			фаз	при <рн = 0 и
р= 2, рассчитанные по формулам				(3.69), (3.71), (3.72)				и (3.73) при
/и=0. Значения напряжения			U[K		на	рис. 3.16	близки к макси­

мальным, поэтому ати зависимости могут быть использованы для определения ориентировочных значений требуемой емкости демп­ фирующего конденсатора. Следует отметить, что при отводе энер­ гии с помощью инвертора соответствующие зависимости являются более пологими, т. е. при одинаковых значениях параметров ха, &(0, Р 11 фи уровень коммутационных перенапряжений в схеме с

инвертором на 10—15% ниже.

Представление о мощности, отводимой от демпфирующего кон­ денсатора, дают зависимости Р*((}гт'), построенные на рис. 3.17

в соответствии с формулами (3.75) для фн=0 и ряда значений ин­ дуктивных сопротивлений х*я и значений р= 1 (сплошные линии)

|3 = 2 (пунктирные линии). Как видно из рис. 3.17, мощность коммутационых перенапряжений быстро возрастает с увеличением тока нагрузки. Аналогичный вид имеют зависимости Р*((^ш) и при

отводе энергии с помощью инвертора, однако отводимая инвер­ тором мощность оказывается на 10—20% больше, чем в рассмат­

риваемом случае.	?„) и £7* . (?„) ,
Представляют также интерес зависимости

изображенные для рассматриваемого случая сплошными линиями на рис. 3.18. Обе зависимости имеют явно выраженные максиму­ мы при значениях угла фн, близких к нулю. При обычном симмет­ ричном управлении вентилями трехфазного мостового выпрями­ теля этому значению угла фи соответствует опережающий угол уп­

равления а = —90°,		a при управлении	с двукратным	включением
вентилей	по закону	cti = —аг = а — значению угла а=30° Однако
следует	иметь в виду, что при таком		управлении	вентилями и
именно при углах а=30'5 ток, потребляемый трехфазной					мостовой
схемой из сети, становится равным нулю, следовательно,					коммута­

ционные перенапряжения возникать не будут и их мощность также будет равна нулю. Поэтому зависимости, изображенные на: рис. 3.18, при управлении с двукратным включением вентилей позакону a i= —аг= а в зоне их максимума будут иметь узкий провал..

.Полученные характеристики узла ограничения коммутацион­ ных перенапряжений соответствуют такому режиму его работы.,

Рис. 3.16. Характеристики узла ограничения коммутационных перенапряжений-- при гашении тока в фазах сети в процессе заряда демпфирующего конденсатора- (сплошные линии) и в процессе чередования его разряда и заряда (пунктирныелинии)

при котором демпфирующий конденсатор заряжается спадающим током фаз сети. Для того, чтобы реализовать режим разряда демпфирующего конденсатора в процессе спадания тока в фазах сети, он должен быть предварительно заряжен от независимогоисточника (например, вспомогательного выпрямителя) до напря­ жения, несколько превышающего амплитуду линейного напряже­ ния. Как показывает анализ, это напряжение URH должно быть примерно равно напряжению (7ДК демпфирующего конденсатора в конце принудительной коммутации в случае, когда он заряжает­ ся спадающим током нагрузки. Весьма близки к полученным и остальные характеристики такого узла ограничения коммутацион­ ных перенапряжений. Мощность вспомогательного источника для.

дозаряда демпфирующего конденсатора можно ориентировочноопределить по кривым на рис. 3.17.

Таким образом, узел ограничения коммутационных перенап­ ряжений с разряжающимся в процессе коммутации демпфирую­ щим конденсатором уступает узлу с заряжающимся демпфирую­ щим конденсатором только тем, что для дозаряда демпфирующегоконденсатора требуется дополнительный источник (выпрямитель);-

о

3

5

7

9

11

13

13

Рис. 3.17. Мощность коммутационных перенапряжений при гашении тока в фа­ зах сети в процессе заряда демпфирующего конденсатора и импульсном отводе избыточной энергии (сплошные линии — р=1, пунктирные — (5=2)

достаточно большой мощности. В то же время, если примерно в- середине процесса спадания тока в фазах сети разряд демпфи­ рующего конденсатора сменить его зарядом, то к моменту окон­ чания коммутации он зарядится до напряжения, примернорав­ ного его напряжению в начале коммутации, и надобность в его дозаряде отпадет. Как уже отмечалось, реализация такого режи­ ма работы демпфирующего конденсатора способствует также за­ метному снижению уровня коммутационных перенапряжений, по­ этому этот режим следует рассмотреть подробнее.

На рис. 3.19, а приведена эквивалентная схема контура ком­ мутации тока в фазах сети на 1-м этапе — этапе разряда демп­ фирующего конденсатора на нагрузку выпрямителя. Предпола-

Рис. 3.18. Зависимости мощности (а) и уровня коммутационных перенапряжений

(б) от момента начала коммутации при гашении тока в фазах сети в процессе заряда демпфирующего конденсатора (пунктирные кривые соответствуют чере­ дованию процессов разряда и заряда демпфирующего конденсатора в процессе коммутации)

Рис. 3.19. Эквивалентная схема контура коммутации на этапе разряда демпфи­ рующего конденсатора (а) и диаграммы токов и напряжений в процессе прину­ дительной коммутации (б)