Опорный конспект лекций

Министерство образования и науки Республики Казахстан
Екибастузский инженерно-технический институт
имени академика К.И. Сатпаева

Кафедра:
Электроэнергетика




«УТВЕРЖДАЮ»
проректор по учебной работе,
к.ф.-м.н., профессор
__________ Джандигулов А.Р.
«___»_____________200__ г.


ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ


по дисциплине: Силовые преобразовательные устройства


Специальность:
050718 – Электроэнергетика


Форма обучения:
очная



Всего кредитов:
2




Курс:
3




Семестр:
5




Лекции
15
часов



Практические
15
часов



Лабораторные





СРСП
30
часов



СРС
30
часов



Трудоемкость
90
часов



Экзамен
5
семестр









Екибастуз – 2008 г.
Рабочая программа составлена на основании рабочей учебной программы специальности 050718 – «Электроэнергетика»




Рабочую программу составил

Старший преподаватель



Бексултанов А.Д.

(должность, звание) (подпись) (Фамилия И.О.)


Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры
«Электроэнергетика»

Протокол №_1_ «_18_» ___09_______ 2008_ г.

Заведующий кафедрой:
Доцент



Полищук В.И.


Одобрена учебно-методическим советом инженерного факультета
Протокол №_ от______ 200_ г.

Председатель:
к.т.н., профессор

Саржанов К.Б.



Одобрена учебным отделом
Начальник

Бирюкова Л.Ф.



Офис: ул. Энергетиков, 54, ауд.№ 103

Тел: 8 (7187) 33 - 05 – 53 (вн. 109)


Е- mail: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]ru
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]kz




СОДЕРЖАНИЕ


Лекция №1 Введение.
4

Лекция № 2 Выпрямители с неуправляемыми вентилями.
8

Лекция № 3 Топология преобразователей с естественной коммутацией.
15

Лекция № 4 Работа однофазных вентильных схем.
24

Лекция № 5 Работа однофазной мостовой схемы выпрямления.
33

Лекция № 6 Выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой.
40

Лекция № 7 Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема).
46

Лекция № 8 Трехфазная вентильная схема (схема Ларионова).
55

Лекция № 9 Особенности некоторых режимов в схемах выпрямителей.
63

Лекция № 10 Выбор согласующего трансформатора и вентилей.
70

Лекция № 11 Защитные цепи преобразователя
81

Лекция № 12 Взаимодействие преобразователя с сетью и нагрузкой.
88























ЛЕКЦИЯ 1
Введение
Назначение курса
Задачи дисциплины
Назначение, классификация, качество ВИП.
 
«Силовые преобразовательные устройства» является одним из базовых специальных курсов для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Курс «Силовые преобразовательные устройства» рассчитан на изучение в течение одного семестра и состоит из трех основный частей:
преобразование переменного тока в постоянный ток – выпрямители;
импульсное регулирование постоянного и переменного напряжения – импульсные преобразователи;
регулирование частоты напряжения или тока – преобразователи частоты.
Данный лекционный курс посвящен первой из указанных частей преобразовательной техники – выпрямителям. Содержание курса и последовательность изложения материала в нем в целом соответствует программе дисциплины «Силовые преобразовательные устройства» для электротехнических специальностей вузов.
Цель данного курса состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление о выпрямительных преобразователях, их составных элементах, топологии, математических описаниях, основных методах анализа, расчета и рационального выбора элементов, т.е. в создании научно-практической базы для последующего изучения специальных дисциплин и непосредственного применения в дальнейшей практической деятельности.
Задачи курса заключаются в освоении теории физических явлений в выпрямительных преобразователях и определении расчетных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя (нагрузки) определить электрические параметры для выбора полупроводниковых приборов, трансформаторов, фильтров, дросселей и других элементов, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических параметров для решения широкого круга инженерных задач.
В результате изучения курса студент должен знать основные методы анализа и расчета физических процессов в элементах выпрямительных преобразователей различной конфигурации и уметь применять полученные знания на практике.
Знания и навыки, полученные при изучении данного курса, являются базой для освоения дисциплин: «Теория электропривода», «Автоматизированный электропривод типовых установок», «Системы управления электроприводами» и т.д.
При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчисления, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с теорией цепей, рассматриваемыми в курсе «Теоретические основы электротехники».
Часть курса «Выпрямители» рассчитана на лекционных часа и включает в себя следующие основные разделы:
теоретические основы работе однофазных и трехфазных выпрямительных преобразователей;
специальные режимы работы выпрямителей;
элементы защиты;
взаимодействие выпрямителей с сетью и нагрузкой.


Изучение дисциплины "Основы преобразовательной техники" (ОПТ) предусматривает выполнение двух контрольных работ, одна из которых компьютерная и состоит из десяти задач по десяти разделам, а вторая представляет собой подготовку численных исходных данных к компьютерной лабораторной работе "Исследование однофазных маломощных выпрямителей и сглаживающих фильтров".
Изучение дисциплины заканчивается зачетом по контрольным работам и компьютерным экзаменом. Экзаменационное задание включает в себя десять задач по десяти разделам, аналогичным задачам контрольных работ.
Методическое пособие содержит необходимое число решенных задач по всем десяти указанным разделам и типовым вариантам контрольных работ.
Подробно рассмотренные примеры решения задач помогают студентам понять физику электромагнитных процессов в преобразователях и основы их расчета.

В настоящее время источники электропитания принято разделять на первичные и вторичные. К первичным относят однофазные и трехфазные электросети переменного тока промышленной частоты 50 Гц с напряжением 127 В, 220 В, 380 В, электросети повышенной частоты 400 Гц (стационарные или на подвижных объектах), сети постоянного тока с напряжением 27 В, 110В, химические источники постоянного тока, солнечные батареи и т.п. Для правильной оценки параметров вторичного источника питания необходимо знать требования, накладываемые на качество электроэнергии первичных источников питания, нагрузки и данные непосредственно ВИП.
Данные о первичной сети переменного тока:
Номинальное напряжение, частота, число фаз;
Пределы изменения напряжения и частоты на входе ВИП;
Асимметрия напряжения в многофазных питающих сетях;
Искажение формы кривой питающего напряжения.
Данные с первичной сети постоянного тока (химических источников тока):
Начальное напряжение ХИТ;
Конечное напряжение ХИТ;
Емкость;
Мощность;
Номинальный ток разряда;
Внутреннее сопротивление.
Данные источников вторичного электропитания:
Номинальное значение выходного напряжения;
Пределы плавной или дискретной регулировки выходного напряжения;
Максимальное и минимальные значения среднего тока нагрузки;
Характер изменения тока нагрузки (медленное, импульсное, по определенному закону);
Допустимые изменения выходного напряжения при заданном изменении входного;
Внутреннее статическое сопротивление источника питания;
Динамическое внутреннее сопротивление;
Климатические и механические воздействия;
Надежность, необходимость резервирования;
Точность установки выходного напряжения;
Способы охлаждения (естественное, принудительное);
Заземление;
Защита от режимов короткого замыкания в нагрузке;
Защиты от повышения входного и выходного напряжений;
Сигнализация неисправностей ВИП;
Время готовности к работе с момента включения;
Способ контроля выходного напряжения
Коэффициент полезного действия;
Габариты, вес, дизайн.
Дополнительно необходимо иметь данные:
1. Для ВИП постоянного тока:
Коэффициент пульсаций выходного напряжения;
Амплитуда импульсной помехи;
2. Для ВИП переменного тока:
искажение формы выходного напряжения;
характер и cos ( нагрузки;
для источников стабильного синусоидального напряжения при искажениях формы более 6% необходимо определять, по какому значению выходного напряжения осуществляется стабилизация (действующее, среднее, амплитудное).

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Как и всякий продукт, электроэнергия обладает свойством качества. Для количественной оценки этого свойства имеется целый ряд показателей (показатели качества электроэнергии – ПКЭ), которые нормируются ГОСТ 13109 – 87. В общем случае ПКЭ объективно оценивают различные стороны процесса производства – передачи – распределения – потребления электроэнергии.
Заметим сразу. Поскольку этот процесс весьма сложен и многогранен, то ПКЭ его оценивают в известном смысле односторонне и часто статично. Поэтому в конкретных условиях для оценки, например, влияния электроприемников на ПКЭ (и наоборот) вводят дополнительные, в том числе и не предусмотренные ГОСТом, показатели, параметры, комплексные величины, регрессии и т.д. Почему так происходит? Все дело в том, что электроприемники по-разному реагируют на изменение ПКЭ. Могут изменяться как производительность, потребляемая мощность, так и возникать режимы, когда работа электроприемника может стать вообще невозможной. С другой стороны одни электроприемники могут быть причиной ухудшения ПКЭ и нарушения нормальной работы других потребителей при этом сами они функционируют нормально.
Из изложенного следует, что нормировать ПКЭ необходимо, что и сделано в ГОСТе 13109-87, но следует отдавать себе отчет в том, что нахождение ПКЭ в допустимых пределах еще не означает хорошей электромагнитной обстановки (на практике нередки случаи, когда параметры качества находятся в пределах нормы, а работа отдельных потребителей затруднена). И еще. Парк электроприемников постоянно обновляется, появляются новые потребители, для которых пока нет норм на ПКЭ, внедряются импортные устройства, для которых отечественный стандарт не является нормативом.
Все это в целом говорит о сложности проблемы нормирования ПКЭ и необходимости постоянных исследований.
Рассмотрим более подробно ГОСТ 13109 – 67. Стандарт устанавливает требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются потребители электрической энергии.
Стандарт не устанавливает требования к качеству электрической энергии в электрических сетях: специального назначения (например, контактных тяговых, связи); передвижных установок (например, поездов, самолетов, судов); автономных систем электроснабжения; временного назначения; присоединенных к передвижным источникам питания.

Задание на СРСП.
Задачи курса
Что изучает данная дисциплина
Что называется ВИП
Контроль качества ВИП
Что называется выпрямителем
Что называется инвертором

Лекция 2
Выпрямители с неуправляемыми вентилями
 
Однополупериодная схема выпрямителя
Схема с буферным вентилем
Устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный ток, называется выпрямителем.
Необходимость выпрямления тока на практике возникает: в электроприводе постоянного тока, системах возбуждения машин, химической промышленности, системах управления и регулирования, электротяге, при передаче электроэнергии постоянным током на дальние расстояния и т.д.
Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяются вентильные установки, состоящие из компонент:
электрических вентилей (диоды, тиристоры);
силового согласующего трансформатора, с помощью которого получают необходимое число фаз и величину выпрямленного напряжения;
сглаживающих фильтров, уменьшающих амплитуды высших гармоник выпрямленного тока.
Работа преобразовательных установок сопровождается сложными электромагнитными процессами, характер которых зависит от многих параметров системы, содержащей нелинейные элементы (вентили) и магнитные связи.
Каждый установившийся режим работы по существу представляет собой непрерывно повторяющиеся переходные процессы, возникающие при включении (зажигании) и выключении (гашении) вентилей, осуществляющих коммутацию тока в преобразовательной установке.
Простейшая схема выпрямителя приведена на рис.1,а. На рис.1,б изображена синусоида напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]на вторичной обмотке трансформатора, а также кривые выпрямленного тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]на активном сопротивлении нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Предполагается, что вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]идеальный.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Однополупериодная схема выпрямителя (а) и графики переменных при активной нагрузке (б)
 Так как в цепи нагрузки имеется вентиль, то ток появляется только во время положительной полуволны напряжения. Во время отрицательной полуволны вентиль закрыт.
Процессы в однополупериодной схеме выпрямителя протекают сложнее, если нагрузка носит не активный, а индуктивный характер [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Однополупериодная схема выпрямителя(а) и графики переменных при индуктивной нагрузке(б)
 В момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
вентиль открывается и процесс описывается уравнением
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
откуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

Из этого уравнения следует, что ток, хотя и будет синусоидальным, но, благодаря постоянной составляющей, равной амплитуде синусоиды, никогда не будет принимать отрицательных значений (рис. 2,б). Вентиль же все время будет открыт. Получается, что вентиль в процессе как бы не играет никакой роли. На самом деле его роль здесь чрезвычайно велика.
Если бы вентиль, катушка индуктивности и трансформатор были идеальными (не имели потерь), то процесс имел бы точно такой характер, как описан выше, и вентиль не играл бы никакой роли. В действительности же всякая реальная электрическая цепь имеет потери. Поэтому при отсутствии в цепи вентиля процесс протекает так, как показано на рис.3.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Процессы без вентиля в цепи индуктивной нагрузки
 Вначале появляется некоторая постоянная составляющая тока, которая, как бы ни было мало активное сопротивление, в конце концов затухает, и в установившемся режиме при малом сопротивлении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]ток изменяется по закону
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

При наличии в цепи вентиля процесс протекает так, как показано на рис.1.4.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Процессы с вентилем и малым активным сопротивлением
 
Процесс начинается также, как и в цепи без вентиля. Однако в момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]становится равным нулю. В момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
происходит как бы новое включение индуктивности под синусоидальное напряжение, и процесс повторяется. Таким образом, при наличии вентиля и малом сопротивлении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]будет близок по форме к изображенному на рис.4, а не 3.
Следует обратить внимание на две особенности протекания процесса в цепи, которые вносятся нелинейным элементом – вентилем:

· вентиль позволяет получить процесс, близкий к процессу в идеальной цепи (как бы компенсируя потери);

· постоянная времени процесса равна нулю.
В интервалах, когда вентиль не пропускает тока, все напряжение u прикладывается к вентилю. Напряжение на вентиле показано на рис.4 заштрихованными участками кривой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это напряжение называется обратным напряжением вентиля [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], так как при этом анод вентиля имеет отрицательную полярность по отношению к катоду.
Рассмотрим другую схему однополупериодного выпрямителя – с так называемым буферным (обратным) вентилем (рис.5).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Схема с буферным вентилем
Она позволяет значительно снизить пульсации тока в индуктивной нагрузке, которые, как видно из предыдущего рассмотрения, достигают почти двойной амплитуды переменной составляющей.
На этой схеме иллюстрируется применение метода кусочно-линейной аппроксимации с припасовыванием начальных условий.
Метод кусочно-линейной аппроксимации заключается в замене заданной нелинейной характеристики ломаной прямой с одной или несколькими точками излома. Такая замена нелинейной характеристики позволяет вести расчет аналитически с помощью линейных уравнений [1].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.6. Кривые токов и напряжений в схеме на рис.5 с[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 Сначала рассмотрим работу схемы рис.5 при
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
т.е. при чисто индуктивной нагрузке. Кривые токов и напряжений в схеме изображены на рис.6.
Схема работает следующим образом. В момент включения схемы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
напряжение на нагрузке изменяется по синусоидальному закону. Так как напряжение приложено к чисто индуктивной нагрузке, то ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в соответствии с выражением (1) можно выразить как
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где второй индекс указывает номер периода [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Вентиль 2 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) в течение первого полупериода закрыт, так как он включен встречно по отношению к вентилю 1 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) и, следовательно, его анод будет иметь отрицательный относительно катода потенциал.
В момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
анод вентиля 2 становится положительным и, следовательно, вентиль 2 открывается, закорачивая индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Вентиль 1 закрывается, так как из-за отпирания вентиля 2 катод вентиля 1 становится положительным. Поскольку вентиль 1 закрыт, ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в этот момент прерывается. Ввиду отсутствия потерь в вентиле 2 и закороченной им индуктивности ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], достигший к концу первого полупериода значения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
в следующий полупериод будет проходить через вентиль 2, оставаясь постоянным, т.е.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
вентиль 1 открывается, а вентиль 2 закрывается. Ток индуктивности снова начнет изменяться по синусоидальному закону, но не с нулевого значения, а со значения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
т.е. в третьем полупериоде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

Далее процесс развивается тем же путем.
Таким образом, от периода к периоду ток в индуктивности будет нарастать ступенями до бесконечности. В любом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-м периоде от начала до конца первого полупериода ток меняется по закону
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

Во втором полупериоде [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го периода ток в индуктивности остается постоянным и равным
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

Рассмотренный случай идеализированный и на практике не встречается.
Процесс будет протекать иначе, если учесть активное сопротивление нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В этом случае в первом положительном полупериоде, когда к нагрузке через вентиль 1 подключено напряжение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

Общий интеграл этого уравнения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

где
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а величина [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]зависит от начальных условий.
Во втором полупериоде, когда индуктивность замкнута через вентиль 2, ток определяется уравнением
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(8)

общий интеграл которого
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

где величина [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]также зависит от начальных условий.
Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями. Обозначим ток в начале [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го периода через [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а в конце первого (в начале второго) полупериода [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го периода через
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
наконец, ток в конце [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го и в начале ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ])-го периода обозначим через
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Тогда, отсчитывая время от начала [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го периода, можно, используя уравнение (7), написать (для [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ])
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

 
откуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
(11)

Следовательно, в течение первого полупериода n-го периода ток меняется по закону
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(12)

В конце этого полупериода, когда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
ток станет равным
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(13)

Воспользовавшись уравнением (9) для второго полупериода, найдем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(14)

Таким образом, ток во втором полупериоде будет меняться по закону
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(15)

В конце этого полупериода, когда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
ток будет равен
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(16)

Обозначив
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(17)

Подставляя это значение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
в соотношение (13), получим разностное уравнение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(18)

которое можно решать с помощью преобразования Лорана [1]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
После некоторых преобразований окончательно получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(19)

откуда нетрудно найти значение тока в установившемся режиме (при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]):
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(20)

Согласно (17) имеем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(21)

Амплитуда пульсаций в установившемся режиме может быть найдена как
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(22)

Таким образом, применение буферного (обратного) вентиля уменьшает пульсации тока: величина пульсаций в этом случае составляет долю, равную
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
от величины пульсаций
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
без буферного вентиля ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]).
 ЛИТЕРАТУРА
 Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Ч.I и II. – М.: Энергия, 1966.
 
Задания на СРСП.
 1. Каково назначение обратного (буферного) диода в схемах выпрямления?
2. От каких параметров зависит величина начальных условий тока цепи с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]нагрузкой?
3. Почему изменением величины индуктивного сопротивления в цепи без учета [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) явления выпрямления достичь нельзя?
4. Найти амплитуду пульсации тока в установившемся режиме с буферным диодом и без него, если известно, что угол нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],действующее напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], общее сопротивление [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
5. Определить постоянную времени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]цепи, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ: 0,00324 с.
6. Определить показатель степени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]для цепи с постоянной времени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и сетевой частотой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ: 0,31.




Лекция No 3
Топология преобразователей с естественной коммутацией
 1. Однофазные преобразователи
2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей
3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)
4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых преобразователей

Преобразователи, относящиеся к этой группе, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми – полупроводниковые диоды.
В зависимости от типа источника переменного тока различают однофазные и трехфазные преобразователи (при параллельном соединении – многофазные).
Основными параметрами преобразовательной схемы являются число возможных направлений тока и число пульсаций.
В зависимости от того, проходит ли ток в вентильной обмотке преобразовательного трансформатора только в одном направлении или в том и другом направлении, различают однонаправленные и двунаправленные схемы.
Число пульсаций – это отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя к частоте напряжения на стороне переменного тока.
Схемное выполнение преобразователей с естественной коммутацией характеризуется так называемыми коммутационными группами. Коммутационная группа содержит все вентили, которые в нормальных рабочих условиях коммутируют между собой независимо от вентилей других групп. Данный преобразователь может иметь несколько коммутационных групп, которые могут соединяться параллельно или последовательно.
1. Однофазные преобразователи





Рис.1. Однофазная, однонаправленная, однопульсная схема (1Ф1Н1П)
 







Рис.2. Однофазная, однонаправленная, двухпульсная схема (1Ф1Н2П)
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Однофазная, двунаправленная, двухпульсная схема (1Ф2Н2П)
В схемах рис.1–3 могут использоваться либо неуправляемые полупроводниковые диоды ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), либо управляемые – тиристоры ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]). Управляемые преобразователи, выполненные по схемам рис.2–3, при отсутствии шунтирующих диодов [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]могут работать и в инверторном режиме [1].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Схема типа 3Ф1Н3П
 
Вентили в схеме рис.4 (3Ф1Н3П) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) образуют единую коммутационную группу. Изменяя число сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], можно получить несколько вариантов схемы. Например, увеличивая число вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (схема рис. 5) до шести и объединяя нулевые точки, можно увеличить число фаз на стороне вентильных обмоток и, следовательно, путем такого развития схемы, показанной на рис.4, увеличить число пульсаций преобразователя. Получим шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4, с двумя коммутационными группами.

2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Схема типа 3Ф1Н6П
 
На рис.5 показано параллельное соединение двух различных коммутационных групп I и II. Это шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.6. Трехфазная двунаправленная шестипульсная схема – 3Ф2Н6П
 
На рис.6 показана схема 3Ф2Н6П, известная под названием трехфазной мостовой схемы (схема Ларионова). В этой схеме также имеются две коммутационные группы I и II, соединенные последовательно. Выходное напряжение преобразователя равно сумме выходных напряжений обеих коммутационных групп. Управляемые преобразователи без шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.7. Схема двух встречно-параллельно соединенных преобразователей, обеспечивающая работу двигателя в четырех квадрантах
 
На рис.7 показана схема, часто применяемая в электроприводе. Две последовательно соединенные коммутационные группы соединяются встречно–параллельно через уравнительные реакторы [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Таким способом на стороне постоянного тока может быть получено напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]любой полярности и при любом направлении тока. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы по контуру, составленному из двух преобразователей, не проходил слишком большой постоянный ток, который мог бы вызвать повреждение оборудования (так называемый уравнительный ток). Уравнительный ток не может быть отрегулирован посредством пофазного управления преобразователями. Схема пригодна также и для получения напряжения переменной частоты посредством периодического изменения углов включения вентилей преобразователей.
Замечание. Представленный здесь принцип (рис.7) может быть применен также к преобразователям с другими схемами соединений: это ведет к возникновению значительного числа дополнительных вариантов.
3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.8. Реверсивные однофазные системы электропривода: а, б, в – преобразователи с трехобмоточным согласующим    трансформатором; г, д – преобразователи прямого включения в сеть
 
На рис.8,а показана схема, построенная по дифференциальному принципу и содержащая четыре тиристора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При одном направлении тока в нагрузке в один полупериод напряжения питания открыт тиристор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а в другой полупериод – тиристор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], тиристоры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]закрыты. При реверсе состояние тиристоров меняется на противоположное. В данной схеме напряжение, наводимое во вторичной обмотке трансформатора, полностью прикладывается к закрытым тиристорам.
Отличительной особенностью схемы на рис.8,б является наличие лишь двух тиристоров, что значительно упрощает схему управления тиристорами. Оба тиристора в этой схеме включены в диагональ мостов [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], составленных из диодов. В этой схеме тиристоры защищены от воздействия обратного напряжения диодами выпрямителя. При одном направлении тока в нагрузке в первый полупериод напряжения открыт тиристор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], и ток замыкается по цепи [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Во второй полупериод напряжения питания открыт тиристор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и ток замыкается по цепи [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При другом направлении тока в нагрузке цепь состоит из [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]соответственно.
В схеме на рис.8,в направление тока в нагрузке обеспечивается своим индивидуальным мостовым выпрямителем [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В данной схеме не требуются дополнительные меры по закрытию тиристоров, поэтому она является универсальной.
Для схемы рис.8,г одному направлению тока в нагрузке соответствует открытое состояние тиристоров [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], образующих одно плечо. Для смены направления тока в нагрузке состояние плеч необходимо изменить на обратное.
Тиристорный преобразователь, показанный на рис.8,д, имеет восемь тиристоров и по системе управления эквивалентен тиристорному преобразователю на рис.8,в. При одном направлении тока в нагрузке открыты тиристоры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в один полупериод сетевого напряжения, и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– в другой полупериод, при реверсе соответственно [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Во всех схемах реверсивных тиристорных электроприводов при работе одной группы тиристоров в выпрямительном режиме другая группа находится в готовности к инверторному режиму. Применяются два основных метода управления вентильными группами: метод совместного и метод раздельного управления. Совместное управление целесообразно применять для высокоточных приводов. Раздельное управление целесообразно применять в тех случаях, когда допустимо «мертвое» время порядка 5x10 мс.
 
4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых преобразователей
 
Для реверсивных быстродействующих регулируемых электроприводов постоянного тока используются двухкомплектные вентильные преобразователи, варианты которых приведены на рис.9, 10 [1,2].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.9. Реверсивные системы электропривода: а - нулевая схема преобразователя с одной вторичной обмоткой трансформатора; б, в – нулевые схемы преобразователей с двумя комплектами вторичных обмоток, б – трехпульсная, в шестипульсная
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.10. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных мостовых преобразователей: а - встречно-параллельная схема мостового преобразователя (вместо трансформатора могут быть реакторы);б - схема преобразователя с двумя одинаковыми комплектами вторичных обмоток трансформатора
 
В схеме рис.9,а вторичные обмотки трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]питают две группы тиристоров. При одном направлении тока в нагрузке группа тиристоров, например тиристоры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], работает в выпрямительном режиме, а другая группа - тиристоры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– в инверторном режиме. При необходимости изменения направления тока в нагрузке нужно изменить режим работы каждой группы.
Отличительной чертой реверсивного преобразователя, показанного на рис.9,б, является наличие двух групп вторичных обмоток вентильного трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В этом преобразователе так же, как и в предыдущем, одна группа тиристоров работает в выпрямительном режиме, а другая – в инверторном.
Отличительной чертой реверсивного преобразователя на рис.9,в является увеличение числа пульсаций за счет специального включения вторичных обмоток трансформатора Т.
На рис.10,а представлена встречно-параллельная схема трехфазного преобразователя, обеспечивающего работу привода постоянного тока в четырех квадрантах. Часто эту схему применяют без трансформатора на входе или с одним трансформатором на несколько преобразователей.
Отличительной чертой реверсивного преобразователя на рис.10,б является наличие двух групп вторичных обмоток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]вентильного трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Между двумя группами тиристоров в рассмотренных реверсивных схемах под действием разности мгновенных значений напряжения может протекать ток, минуя цепь нагрузки, который называют уравнительным током. Уравнительный ток создает дополнительные потери в тиристорах и обмотках трансформатора и, в некоторых случаях при переходных режимах может вывести преобразователь из строя. Для ограничения уравнительного тока включаются дополнительные уравнительные дроссели [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока, улучшения динамических и энергетических характеристик находят большое распространение многофазные преобразователи. Увеличение фазности выпрямления достигается посредством последовательного включения двух и более трехфазных мостовых преобразователей со сдвинутыми по фазе анодными характеристиками.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. – М.: Высш. шк., 1980. – 424 с.
Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1968. – 560 с.
 
Контрольные вопросы
 
Чем различаются однонаправленные и двунаправленные схемы?
Что такое «число пульсаций» в выпрямительных схемах?
Определить число пульсаций для схем рис.1–6.
В чем состоит назначение двухкомплектных вентильных преобразователей?
В каких квадрантах работают схемы:
с двухкомплектным вентильным преобразователем;
с однокомплектным без буферного диода и с ним?
Лекция No 4
Работа однофазных вентильных схем
1. Однополупериодная схема выпрямления
2. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока
3. Работа схемы рис.3 на активную нагрузку при углах управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

1. Однополупериодная схема выпрямления
Рассмотрим простейшую схему выпрямления тока.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Однополупериодная схема выпрямления (а) и кривые токов и напряжений (б)
 
В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- прямым током (рис.1).
В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– обратным током.
Обозначим через [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]сопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
- падение напряжения в вентиле;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
- выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии.
В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- обратное напряжение на вентиле.
Для большинства типов вентилей обратный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и падение напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а в непроводящем полупериоде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В любой вентильной схеме выпрямленный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]имеет пульсирующий характер и наряду с постоянной составляющей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]содержит переменную составляющую [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Переменная составляющая [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]представляет сумму высших гармоник выпрямленного тока. Аналогично, выпрямленное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]содержит постоянную [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и переменную [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]составляющие.
Для схемы рис.1 примем следующие обозначения:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
– мгновенные значения напряжений и токов первичных и вторичных обмоток трансформатора.
Мгновенное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Кривые выпрямленного тока и напряжения представляют собой полусинусоиды (рис.2), поэтому схема называется однополупериодной.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Кривые токов и напряжений в схеме рис.1
 
Мгновенное значение выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

В первом полупериоде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание. При работе выпрямителя на нагрузку [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и в режиме непрерывного тока при работе на якорную цепь двигателя действительно предложенное выражение для средневыпрямленного напряжения: Средневыпрямленное напряжение преобразователя [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или постоянная составляющая выпрямленного напряжения – это отношение интеграла по кривой выпрямленного напряжения к периоду повторяемости.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

откуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

Так как обычно напряжение сетевое [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]задано, коэффициент трансформации
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Постоянная составляющая выпрямленного, или анодного, тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

Амплитуда тока через вентиль
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

Амплитуда обратного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(8)

По полученным значениям
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
из каталога выбираем соответствующий вентиль с его эксплуатационными параметрами, заданными заводом-изготовителем (фирмой).
Сумма первичных и вторичных рабочих намагничивающих сил трансформатора в рассматриваемой схеме отличается от нуля, т.е. имеем магнитно-неуравновешенную систему. Постоянные намагничивающие силы создают постоянный магнитный поток, который может вызвать значительное насыщение магнитной системы, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и, соответственно, расчетной мощности. Во избежание этого нежелательного явления магнитную систему трансформатора рассчитывают с учетом постоянной составляющей потока.
Увеличенная расчетная мощность трансформатора и наличие значительных высших гармоник в выпрямленном токе ограничивают широкое распространение рассматриваемой вентильной схемы [1,2,3,4].
 
2. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока
 
Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.
В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис.3,а, при этом подразумевается, что в схемах рис.3,а и рис.3,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой
 
Вторичная обмотка трансформатора имеет секции [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]с напряжениями [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], сдвинутыми по фазе на 1800.
Для напряжений секций [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]трансформатора имеем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

Действующие значения напряжения через коэффициент схемы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

Постоянная составляющая выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а постоянная составляющая тока через один вентиль
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(11)

Амплитуда тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(12)

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Поэтому обратное напряжение на вентиле
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а его амплитуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(13)

Мгновенное значение первичного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Так как ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]меняется синусоидально, его действующее значение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(14)

Мощность трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(15)

Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], когда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Действующее значение тока вторичной обмотки
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Действующее значение напряжения вторичной обмотки
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(16)

тогда мощность трансформатора
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(17)

Амплитуда анодного тока вентиля [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Остальные параметры вентилей такие же, как и при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- 7,8,9,10
 
3. Работа схемы рис.3 на активную нагрузку при углах управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Пусть в момент времени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], т.е. с задержкой на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]относительно перехода напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]через нуль (точка естественного включения вентиля 1), на управляющий электрод вентиля [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]подается управляющий импульс (рис.5). Тогда вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]включится и в нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]начнет протекать ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]под воздействием напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Начиная с этого же момента, к вентилю [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]будет приложено обратное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], равное разности напряжений
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
двух вторичных полуобмоток.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]включится в момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в момент
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.
Угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.
Из рис.5 видно, что с увеличением угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]среднее значение выходного напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]будет уменьшаться.
Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(18)

Обозначив через [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]найденное по выражению (9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(19)

Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19).
Среднее значение выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(20)

В соответствии с (19) изменение угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]от 0 до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]до нуля.
Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.6. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке
 
Заштрихованная область на рис.6 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Если накопленной в индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
режим непрерывного тока будет существовать при любых углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в диапазоне от 0 до[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (кривая 2 на рис.6).
 
ЛИТЕРАТУРА
 
Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. – М.: Высш. шк., 1980. – 424 с.
Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1968. – 560 с.
Зиновьев Г.С. Основы преобразовательной техники. – Новосибирск: НЭТИ, 1981. – 115 с.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. За счет чего изменяется величина тока через вентиль в однополупериодной схеме с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]?
2. Что такое регулировочная характеристика вентильного преобразователя?
3. Когда применять уравнения граничных кривых регулировочной характеристики?
4. Чем обусловлена разница в мощности трансформатора при активной и активно-индуктивной нагрузке?
5. Два выпрямителя, показанные на рис.1 и рис.3 имеют одно и то же среднее напряжение на выходе
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Сопоставить токи нагрузки диодов и обратные напряжения, если известно, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
1) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. 2) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
6. Для схемы рис.3 найти разницу между амплитудами (анодного) нагрузочного тока вентиля при активной и индуктивной нагрузке, если известно, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
5,7 А.
7. Найти мощность трансформатора схемы рис.1 и рис.3, если известно, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
5 кВА.



Лекция No5
 
Работа однофазной мостовой схемы выпрямления
 1. Неуправляемая схема выпрямления
2. Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
3. Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

1. Неуправляемая схема выпрямления
 Пусть имеем неуправляемую мостовую двухтактную схему рис.1.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Двухполупериодная мостовая схема
Как видно из рис.1 вентили включаются так, что в первом полупериоде ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]протекает через вентили 1 и 3, а во втором полупериоде ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]протекает через вентили 2 и 4.
Форма кривых выпрямленного, фазных и анодных токов зависит от индуктивного сопротивления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Кривые токов и напряжений при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]приведены на осях 2,3,4,5 и 6 рис.2.
Аналогично рассмотренной ранее однотактной схеме имеем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Амплитуда обратного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ток вторичной обмотки трансформатора равен
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Поэтому действующие значения токов обеих обмоток равны:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Мощность первичной и вторичной обмоток, а также типовая мощность трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Кривые токов и напряжений двухтактной схемы
 Так как кривые анодных токов представляют полусинусоиды, они содержат постоянные составляющие, первые гармоники и гармоники с четными порядковыми номерами
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Кривые токов при
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
приведены на осях 7, 8 и 9 рис.2.
Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток при
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Мощность трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Амплитуда анодного тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
 
2. Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Диаграммы токов и напряжений на элементах будут такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Отличие заключается только в том, что амлитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе.
При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Однофазный мостовой выпрямитель
 При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:
среднее значение выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
максимальное значение обратного напряжения на вентилях
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
максимальное значение тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
среднее значение тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Однофазная мостовая схема, работающая с углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой.
Среднее значение выходного напряжения:
при активной нагрузке (рис.2, кривая 1)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
при активно-индуктивной нагрузке, когда[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] или имеет такое значение, что выпрямленный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]непрерывен (рис.2, кривая 2),
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Максимальные значения напряжений на вентилях:
при активной нагрузке
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
при активно-индуктивной нагрузке
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Максимальное значение токов вентилей при активной нагрузке
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
 
3. Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 Наличие в цепи нагрузки индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы выпрямителя нарастание тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в нагрузке будет происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При наличии индуктивности выпрямленный ток становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда выпрямленное напряжение становится равным нулю.
При увеличении индуктивности или частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока уменьшаются, а при значениях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], равных 5-10 и более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая, когда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]). В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а постоянная – на сопротивлении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]относительно моментов их естественного включения ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения питающей сети.
При [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]ток в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличие от схемы, работающей с углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Сдвиг тока относительно напряжения на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]приводит к появлению в выпрямленном напряжении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.4).
Учитывая, что форма выпрямленного напряжения повторяется в интервале углов от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

Согласно (1) среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует [1, 2].
Регулировочная характеристика для активно-индуктивной нагрузки показана на рис.5 кривая 2.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ])
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке
 Если величина [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]невелика и такова, что энергии, запасенной в индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]на интервале, когда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис.6).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.6. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов
 При одинаковых значениях угла ? среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку.
Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис.5.
Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.
Очевидно, что чем больше угол ?, тем больше должна быть индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах–схемы граничный режим работы, называют критической.
При прерывистом токе и постоянной нагрузке трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]обычно выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.
Граница перехода к непрерывному выпрямленному току зависит от соотношения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
характеризующегося углом
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Пока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
режим непрерывен, а при
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]имеет прерывистый характер.
В режиме непрерывного тока постоянная составляющая выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ток вентиля в прерывистом режиме
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Из последнего выражения видно, что когда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][1, 2].
Обозначив угол протекания тока через вентиль равным [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и подставляя в выражение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
получим уравнение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
дающее зависимость между углами [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Постоянная составляющая выпрямленного тока в обоих случаях
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
 
ЛИТЕРАТУРА
 
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Литвинский А.Н. Характеристики и защита полупроводниковых преобразователей/ – Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 96 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. Что такое зона прерывистых токов и от параметров схемы она зависит?
2. Что нужно сделать в схеме, чтобы уменьшить зону прерывистых токов?
3. Каким выражением описывается зона прерывистых токов и чем отличается от зоны непрерывных токов?
4. Где может располагаться регулировочная характеристика с конечными значениями [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]?
5. Найти точку «С» регулировочной характеристики с углом нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]соответствующую максимальномк углу управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
6. Тоже, что и задание 5, но при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
7. Найти ЭДС преобразователя [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при нагрузке с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
143 В.
8. Найти действующее напряжение на вторичной обмотке вентильного трансформатора, если [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
198 В.





Лекция No6

Выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой

 1. Процессы в схемах с углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
2. Двухполупериодная мостовая вентильная схема с противо-ЭДС

Процессы в схемах с углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

 В однофазной мостовой схеме расчетная мощность трансформатора имеет те же параметры, что и мощность в однофазной двухполупериодной со средней точкой
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
На рис.1 изображено синусоидальное напряжение источника и напряжение на нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]для случая отпирания управляемых вентилей в момент [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Примем индуктивность настолько большой, что ток нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]до момента отпирания следующей пары вентилей не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Кривые напряжений
 Управляемые вентили в выпрямителе действуют как периодические ключи, которые от полупериода к полупериоду переключают напряжение источника. С учетом их действия напряжение на нагрузке в течение n-го полупериода будет равно [1, 2]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

Произвольный момент времени может быть определен по соотношению
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

где величина t1 изменяется от нуля до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Очевидно также, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

Из сопоставления выражений (2) и (3) вытекает соотношение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Нетрудно видеть, что для любого целого числа n выполняется условие
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
следовательно,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

Дифференциальное уравнение (4) позволяет найти ток нагрузки внутри любого интервала.
Общий интеграл уравнения имеет вид
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий.
Предположим, что в начале [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го интервала ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) ток был равен [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Из (5) следует, что
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
откуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В конце этого интервала
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
ток будет равен
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
т.е.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

Это уравнение представляет собой разностное уравнение 1-го порядка.
Рассматривая соотношение (7) как рекуррентную формулу, можно вычислить все значения тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для упрощения введем следующие обозначения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Тогда соотношение (7) можно переписать в виде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Откуда при начальном условии [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Последнее выражение представляет собой геометрическую прогрессию. Следовательно,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Подставляя сюда значения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], окончательно получим выражение для тока в начале [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-го интервала:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Если [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то значение тока в начале любого интервала в установившемся режиме (при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ])
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Представленный разностный метод позволяет получить формулу, определяющую значения тока в любой момент времени для любого интервала в любой схеме выпрямления.
 
2. Двухполупериодная мостовая вентильная схема с противо-ЭДС
 Рассмотрим работу схемы для случая, когда приемник энергии имеет противо-ЭДС, а угол управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Вентильная мостовая схема с противо-ЭДС
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Кривые токов и напряжений двухтактной схемы
При конечном значении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]моменты включения вентилей зависят от противо-ЭДС [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Если [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], вентили не включаются, ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а продолжительность прохождения тока через вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. С уменьшением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]возрастает, и в пределе, при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В зависимости от угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]имеем несколько режимов работы схемы. Кривые токов и напряжений приведены на рис.3.
В режиме I угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и выпрямленный ток имеет прерывистый характер. В промежутке (0-01) включены вентили 1 и 3, а в промежутке (02-03) – вентили 2 и 4. Началом координатной системы считаем точку (0) – момент включения вентилей 1 и 3 и рассматриваем период (02=?).
Для промежутка (0-01) пишем уравнение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(8)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– мгновенное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Уравнение (8) можно представить в виде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Так как в этом промежутке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– приведенное к вторичной обмотке сопротивление трансформатора.
Из этого уравнения (9) определяем мгновенное значение выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

Постоянная составляющая выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
В момент включения вентилей 1 и 3 напряжение вторичной обмотки трансформатора равно противо-ЭДС [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(11)

В момент выключения вентилей 1 и 3 угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому из (10) получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(12)

Из уравнений (12) и (11) определяем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В конце режима I угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]соотношение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]должно быть таким, чтобы выполнялось условие
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание. Часто при расчетах мгновенных значений токов в схемах принимают за начальную величину [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и из выражений (5-7) находят постоянные интегрирования [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Такой подход приводит к неверному решению задачи распределения непрерывного тока в первых полупериодах. В этом случае необходимо выполнить расчеты в 5-6 полупериодах напряжения, каждый раз подставляя новое значение начальных условий. Количество расчетных полупериодов заканчивается тогда, когда мгновенное значение тока в начале полупериода будет равно току в конце полупериода.
Иногда в качестве начального значения тока берется его среднее значение в схеме с заданными параметрами. В этом случае количество расчетных полупериодов уменьшается.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Ч.I и II. – М.: Энергия, 1966.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Литвинский А.Н. Характеристики и защита полупроводниковых преобразователей/ – Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 96 с.
 
Контрольные вопросы
 1. Как влияет противо-ЭДС на ток в вентилях?
2. Каким образом находится постоянная интегрирования при расчетах мгновенного значения тока в полупериоде?
3. Чем характеризуется режим прерывистого тока?
4. Какая расчетная характеристика позволяет судить о среднем выпрямленном напряжении в режиме прерывистого тока?
5. В мостовом выпрямителе определить средний ток, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]: а) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; б) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
а) 5,4 А; б) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
6. Вычислить среднее значение выпрямленного тока мостового выпрямителя с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], если [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
7. В однофазном мостовом выпрямителе определить значения выпрямленного напряжения и тока, среднее и действующее значения токов вентилей. Дано: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
8. Цепь постоянного тока мостового выпрямителя используется для зарядки батареи. напряжение вентильной обмотки преобразовательного трансформатора 19,1 В. Определить среднее значение зарядного тока, если противо-ЭДС батареи 16 В, а активное сопротивление источника [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
6 А.



Лекция No 7
 
Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема)
 
1. Трехфазная однотактная вентильная схема
2. Кривые токов и напряжений при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ])
3. Трехфазная вентильная схема «звезда – зигзаг»
4. Диаграммы токов и напряжений при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Схема (рис.1) состоит из трансформатора, трех вентилей и приемника энергии [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Для уменьшения высших гармоник выпрямленного тока последовательно с сопротивлением Rd включен реактор с индуктивным сопротивлением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) [1,2].
Обычно первичную обмотку трансформатора соединяют треугольником, а вторичную – звездой или первичную – звездой, а вторичную – зигзагом ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]).
Пусть трансформатор соединен по схеме [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1. Трехфазная однотактная вентильная схема
 
В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение, как это показано на рис. 2, имеет напряжение первой фазы [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому ток протекает только через вентиль 1 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), а остальные вентили заперты. Начиная с момента 01 и правее [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], анод вентиля 2 оказывается под положительным напряжением относительно катода. Если в момент 01 на вентиль 2 поступает отпирающий импульс, он включается, а анодное напряжение вентиля 1 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), и этот вентиль выключается (рис.2).
Замечание. Если по какой-нибудь причине вентиль 2 не включится, то вентиль 1 выключится не в точке 01, а позже. Следовательно, причиной выключения вентиля 1 в точке 01 является включение очередного вентиля 2.
В промежутке (01-02) ток пропускает вентиль 2. В точке 02 включается вентиль 3 и выключается вентиль 2 и т.д. Каждый вентиль пропускает ток в течение периода, равного 1200([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), поэтому число пульсаций выпрямленного напряжения равно трем.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 2. Кривые токов и напряжений при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ])
 
Когда выключен вентиль 1, к нему на интервале проводимости вентиля 2 приложено линейное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а на интервале проводимости вентиля 3 – напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение выпрямленного напряжения найдем путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Зная напряжение первичной сети [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], находим коэффициент трансформации:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Постоянная составляющая выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а постоянная составляющая тока одного вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Амплитуда анодного тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

Когда вентиль заперт, на его зажимах действует линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, поэтому амплитуда обратного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]выпрямленный ток идеально сглажен и кривые фазных токов имеют прямоугольную форму (рис.3). В этом случае кривые выпрямленного напряжения Ud и обратные напряжения на вентилях остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку, а значения токов становятся равными (действующее значение тока вторичной обмотки):
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Кривые токов при[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
По кривой первичного фазного тока (ось 4) определяем его среднее значение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

По кривой первичного линейного тока (рис.3, ось 6) находим его действующее значение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

Полученные выражения справедливы для любого способа соединения первичной обмотки трансформатора (звездой или треугольником).
На рис.4 приведена трехфазная однотактная вентильная схема, в которой вторичная обмотка трансформатора соединена зигзагом. На каждом стержне магнитной системы, кроме первичной обмотки, расположены две секции вторичной обмотки, в которых протекают токи противоположного направления. Поэтому взаимно компенсируются магнитные силы, соответствующие постоянным составляющим этих токов, а также гармоникам с порядковыми номерами, кратными трем, и схема магнитно уравновешена.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Трехфазная вентильная схема «звезда – зигзаг»
 
Пусть угол управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Отпирающие импульсы приходят на вентили поочередно с задержкой на угол управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]относительно моментов прохождения через ноль синусоид линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора. При угле [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в зависимости от характера нагрузки и значения угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в данной схеме могут иметь место различные режимы работы (рис.5).
Если угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]изменяется в диапазоне от 0 до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то как при активно-индуктивной, так и при чисто активной нагрузке выпрямленный ток является непрерывным. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой области углов [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при различном характере нагрузки описывается одним аналитическим выражением:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Диаграммы токов и напряжений при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

 
При угле [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения доходит в моменты переключения вентилей до нуля. Такой режим работы называется гранично-непрерывным.
Дальнейшее увеличение угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при активной нагрузке приводит к прерыванию выпрямленного тока id и появлению в выпрямленном напряжении ud участков с нулевым значением (рис.6,б). Интервал проводимости тока вентиля становится меньше [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение напряжения в этом случае выражается следующим образом (кривая 1 на рис.7):
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.6. Диаграммы токов и напряжений при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
При активно-индуктивной нагрузке за счет энергии, запасаемой в индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], выпрямленный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]продолжает протекать в нагрузке и при переходе выпрямленного напряжения в зону отрицательных значений. Если накопленной в индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет наблюдаться режим работы с непрерывным током [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]режим непрерывного тока будет иметь место при любых углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в диапазоне от 0 до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В этом случае среднее значение выходного напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]можно определить по формуле
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3.8)

Когда угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]становится равным [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], площади положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения становятся равными, что свидетельствует об отсутствии постоянной составляющей в выпрямленном напряжении, или, иначе говоря, среднее значение Ed становится равным нулю (кривая 2 на рис.7).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.7. Регулировочные характеристики трехфазного нулевого выпрямителя:.1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке
 
Заштрихованная область соответствует семейству регулировочных характеристик в режимах прерывистого тока id при различных значениях отношения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Ld/Rd.
Примем индуктивность Ld настолько большой, ток нагрузки i до момента отпирания следующего вентиля не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов.
В трехфазной нулевой (однотактной, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) схеме к нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]подключено напряжение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а угол естественного включения вентилей при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]составляет [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

Общий интеграл решения уравнения (9)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угол нагрузки; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– постоянная интегрирования, определяемая в каждом конкретном случае из начальных условий.
Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями.
В общем случае к нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]может быть подключено напряжение с противо-ЭДС:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– противо-ЭДС, например, аккумуляторная батарея или якорь двигателя постоянного тока.
При воздействии противо-ЭДС можно получить режим прерывистых токов, где уравнения (9) и (10) недействительны, т.к. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], и ничем не отличается от случая активной нагрузки при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При дальнейшем увеличении угла управления непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Для [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]без большой погрешности ток нагрузки можно считать идеально сглаженным. Поскольку в простейшей схеме токи вторичных обмоток имеют пульсирующий характер и содержат постоянные составляющие, то в магнитной системе трансформатора возникает ток вынужденного подмагничивания, который может вызвать насыщение трансформатора. Это обстоятельство вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
1. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.
2. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. Как влияет ток вынужденного подмагничивания на согласующий трансформатор?
2. Какие преимущества дает схема соединений вентильных обмоток трансформатора «звезда – зигзаг»?
3. В каких пределах угла регулирования выпрямленный ток непрерывен от нагрузки?
4. Как влияет характер нагрузки на регулировочные характеристики?
5. В нулевом трехфазном выпрямителе задано [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Определить действующее значение напряжения на вентильной обмотке трансформатора ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), средний ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], среднее и амплитудное значения тока через тиристор.
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
6. В нулевом трехфазном выпрямителе задано [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Найти коэффициент трансформации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], среднее и действующее значения тока первичной обмотки трансформатора.
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
7. Построить регулировочную характеристику выпрямителя, если известно, что угол нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и при заданной нагрузке определить максимальный угол управления.
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
8. Найти средний выпрямленный ток нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при нагрузке: а) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; б) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Ответ:
а) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; б) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].



Лекция No 8
 
Трехфазная вентильная схема (схема Ларионова)
 Трехфазная двухтактная вентильная схема
Кривые токов и напряжения при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Диаграммы токов и напряжений при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Диаграммы напряжений при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Вентили 1,3,5 образуют катодную, а вентили 2,4,6 – анодную группы (рис.1). Из катодной группы ток пропускает тот вентиль, к аноду которого подводится большее положительное напряжение.
Замечание. Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при условии соблюдения фазировки трансформатора (рис.1).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Трехфазная двухтактная вентильная схема
 
В любом промежутке времени должны быть включены два вентиля – один из катодной, а другой из анодной группы. Поочередная работа различных пар вентилей в схеме приводит к появлению на сопротивлении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора (ось 2 на рис.2) [1, 2].
Из рис.2 (оси 1 и 2) видно, что моменты коммутации совпадают с моментами прохождения через нуль линейных напряжений (когда равны два фазных напряжения).
В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение имеет напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], подаваемое к аноду вентиля 1, а наибольшее отрицательное значение – напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], подводимое к катоду вентиля 6. Следовательно, в этом промежутке одновременно включены вентили 1 и 6. Через вентиль 1 положительное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]подводится к нижнему зажиму, а через вентиль 6 отрицательное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]подводится к верхнему зажиму сопротивления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Поэтому выпрямленное напряжение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Кривые токов и напряжения при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
В точке 01 напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому из анодной группы включается вентиль 2. Так как правее точки 01 напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]имеет наибольшее отрицательное значение, вентиль 6 выключается. В промежутке (01-02) одновременно включены вентили 1 и 2 и выпрямленное напряжение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Очевидно, что амплитуда выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
К каждому закрытому вентилю приложено линейное напряжение, поэтому амплитуда обратного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Число пульсаций выпрямленного напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение) вычисляется для интервала повторяемости выпрямленного напряжения, равного [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора.
Действующее значение тока вторичной обмотки (ось 6)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

Действующее значение тока первичной обмотки
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

Максимальное значение тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

Среднее значение тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

Действующее значение тока вентиля
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

Пусть угол управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В трехфазной мостовой схеме на управляемых вентилях отпирающие импульсы поступают с задержкой на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]относительно нулей линейных напряжений или моментов пересечения синусоид фазных напряжений (рис.3).
В результате задержки моментов коммутации тиристоров на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]среднее значение выпрямленного напряжения, образованного из соответствующих частей линейных напряжений, снижается.
До тех пор, пока кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]остается выше нуля, что соответствует диапазону изменения угла управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], выпрямленный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]будет непрерывным вне зависимости от характера нагрузки. Поэтому при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]среднее значение выпрямленного напряжения для активной и активно-индуктивной нагрузки будет равно
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

При углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и активной нагрузке в напряжении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и токе [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]появляются интервалы с нулевым значением (рис.4), т.е. наступает режим работы с прерывистым выпрямленным током.
Среднее значение выпрямленного напряжения для этого случая может быть выражено следующим образом:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(8)

где
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Диаграммы токов и напряжений при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Замечание. В режиме с прерывистым током [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]для обеспечения работы данной схемы, а также для ее первоначального запуска на вентили схемы следует подавать сдвоенные отпирающие импульсы с интервалом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или одиночные, но с длительностью, большей, чем [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это объясняется тем, что для образования замкнутой цепи протекания тока id необходимо обеспечить одновременное включение вентиля анодной группы и вентиля катодной группы.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Диаграммы напряжений при углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
При изменении угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]от 0 до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]регулировочная характеристика для активной и активно-индуктивной нагрузки описывается формулой
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При активно-индуктивной нагрузкке и углах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], если [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или отношение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]таково, что обеспечивается режим непрерывного тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], среднее значение выпрямленного напряжения также определяется по формуле
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]среднее значение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]становится равным нулю, значит, это соответствует равенству площадей положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения, что свидетельствует об отсутствии в нем постоянной составляющей (кривая 2 на рис.5).
Начиная с угла [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при активной нагрузке регулировочная характеристика описывается формулой (кривая 1 на рис.5)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Регулировочные характеристики: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке
 
Заштрихованная область на рис.5 соответствует семейству регулировочных характеристик в режиме с прерывистым током id при различных значениях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Примем индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]настолько большой, что ток нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]до момента отпирания следующего вентиля не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов (обычно трех, четырех).
В трехфазной мостовой схеме к нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]подключено напряжение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а угол естественного включения вентилей при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]составляет [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

Общий интеграл решения уравнения (9)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угол нагрузки; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- постоянная времени цепи нагрузки; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– постоянная интегрирования, определяемая в каждом конкретном случае из начальных условий.
Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями.
В общем случае к нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]может быть подключено напряжение с противо ЭДС
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– противо-ЭДС, например, аккумуляторная батарея или якорь двигателя постоянного тока. При воздействии противо-ЭДС можно получить режим прерывистых токов, где уравнения (9) и (10) недействительны.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
1. Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1968. – 560 с.
2. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Литвинский А.Н. Характеристики и защита полупроводниковых преобразователей/ – Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 96 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. Какое из напряжений – фазное или линейное влияет на выпрямленную форму напряжения?
2. От какой точки напряжений отсчитывается угол открытия вентилей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и какова его максимальная величина?
3. При каких углах ? выпрямленный ток будет непрерывен вне зависимости от характера нагрузки?
4. Почему для запуска мостовой схемы выпрямления следует подавать сдвоенные отпирающие импульсы с интервалом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]?
5. Найти среднее и экстремальные значения выпрямленного напряжения, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
297 В; 306 В – 266 В.
6. Найти действующее значение тока вторичной и первичной обмоток силового согласующего трансформатора, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
16.1 А, 9.15 А.
7. Найти максимальное, среднее и действующее значения токов вентилей, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
8. Найти максимальный угол управления для мостовой трехфазной схемы с нагрузкой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].





Лекция No 9
 
Особенности некоторых режимов в схемах выпрямителей
 1. Коммутация в однофазных схемах
2. Влияние процесса коммутации в других схемах.
3. Внешние характеристики выпрямителей
4. Работа выпрямителей на противо-ЭДС

1. Коммутация в однофазных схемах
 
В реальных схемах из-за наличия во входной цепи переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности индуктивных сопротивлений обмоток согласующего трансформатора или входных реакторов, процесс коммутации имеет определенную длительность, т.е. процесс перехода тока с одного вентиля на другой происходит не мгновенно, а с некоторой постоянной времени контура коммутации.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Процессы коммутации: а - схема; б – осциллограммы
 
Помимо индуктивного сопротивления, на процессы коммутации влияет и входное активное сопротивление обмоток трансформатора, но его влияние в нормальных режимах значительно меньше. Поэтому рассмотрим процессы коммутации с учетом только входных индуктивных сопротивлений ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), полагая при этом выпрямленный ток идеально сглаженным ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]).
Учитывая одинаковый характер процессов коммутации в различных вентильных схемах, остановимся на наиболее простой схеме выпрямления – однофазной двухполупериодной (рис.1,а).
Индуктивные сопротивления обмоток силового трансформатора учтены введением в схему индуктивностей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– мгновенные значения ЭДС вторичных полуобмоток.
Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В момент [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]поступает отпирающий импульс на вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Поскольку потенциал анода вентиля [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается (рис.1,б).
Начиная с момента [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]оба вентиля будут включены, и вторичные полуобмотки трансформатора оказываются замкнутыми через вентили [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]накоротко. Под воздействием ЭДС вторичных полуобмоток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в короткозамкнутой цепи (контур коммутации) возникает ток короткого замыкания [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], который является коммутирующим током.
Этот ток можно в любой момент времени, начиная с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], определить как сумму двух составляющих: установившейся [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и свободной [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], которые рассчитываются по следующим соотношениям:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующее значение напряжения вторичной полуобмотки трансформатора; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угол управления.
Результирующий ток короткого замыкания можно записать в виде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Учитывая, что выпрямленный ток при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в период коммутации остается неизменным, можно записать для узла 0 или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]следующее уравнение токов:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– среднее значение выпрямленного тока или тока нагрузки. Последнее уравнение справедливо для любого момента времени. Пока ток проводит только вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], получаем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В интервале коммутационного процесса ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]до [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]плавно увеличивается, а [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]уменьшается. Когда ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]будет равным [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]снизится до нуля, вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]выключится, и ток нагрузки будет протекать лишь через вентиль [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Длительность интервала коммутации характеризуется обычно углом коммутации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], который может быть определен для рассмотренной схемы из следующего уравнения:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

Обозначив угол коммутации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при угле [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]через [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], можно записать
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

подставив (2) в (1) получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

Замечание 1. Длительность протекания тока в вентилях по сравнению с идеализированной схемой увеличивается на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и становится равной [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание 2. Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], так как на интервалах коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме снижается до нуля. В результате этого происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения на [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

Для нашего случая имеем [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], таким образом, падение напряжения в коммутационном интервале выразится как
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

но
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

При непрерывных токах, т.е. токах, при которых существуют коммутационные провалы напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], имеем регулировочную характеристику [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.2).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Регулировочные характеристики
 
Процедура определения угла коммутации по регулировочной характеристике (рис. 2):
находим [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и откладываем ее на регулировочной характеристике,
от точки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]откладываем [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
проводим прямую, и, опустив перпендикуляры на ось [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], получаем угол коммутации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение выпрямленного напряжения для рассмотренной схемы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Рассмотренный принцип нахождения угла коммутации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]применим к любой схеме, но при условии непрерывного тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание 3. Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении приводит к изменению его гармонического состава (5-8%). Угол коммутации влияет и на гармонический состав первичного тока (тока, забираемого из сети), потребляемого выпрямителем.
 
2. Влияние процесса коммутации в других схемах.
 
Однофазная мостовая схема по принципу действия подобна однофазной двухполупериодной схеме, рассмотренной ранее (рис.3).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.3. Мостовая однофазная схема
 
Отличие состоит в том, что при коммутации тока в этой схеме возникают два контура коммутации, каждый из которых состоит из двух вентилей и вторичной обмотки трансформатора: один контур – из вентилей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а другой – из [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]распределяется между этими контурами поровну (рис.3).
Для мостовой схемы имеем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

В многофазных схемах ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) возникают частичные контуры короткого замыкания между отдельными фазами. При этом мгновенное значение выпрямленного напряжения не падает до нуля, а становится равным среднему арифметическому значению напряжений фаз, в вентилях которых коммутируются токи. Так, для трехфазных схем со средней точкой и мостовой мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока между вентилями фаз [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]равно
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Длительность протекания тока через вентили увеличивается на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и становится равной [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В схемах со средней точкой и трехфазной мостовой угол коммутации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]связан с выпрямленным током [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]следующим соотношением:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Процесс коммутации в трехфазной схеме
 
Падение напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], на которое уменьшаются средние значения выпрямленного напряжения, равно:

· в трехфазной схеме со средней точкой
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(8)


· в трехфазной мостовой схеме
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

Часто встречается выражение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], что не всегда оправдано, т.к. есть еще коэффициент схемы.
 
3. Внешние характеристики выпрямителей
 
Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки, т.е. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением выпрямителя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки. Снижение напряжения обусловлено активным сопротивлением схемы выпрямителя [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], падением напряжения в вентилях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и индуктивным сопротивлением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], которое проявляется при процессах коммутации.
Соответственно внешнюю характеристику выпрямителя (при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) можно записать в виде следующего уравнения:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где     [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]находится по выражениям (7-9);
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– падение напряжения на вентилях (0.5...2)В. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- в режиме непрерывных токов; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- из регулировочной характеристики для каждого частного случая; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- при работе выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока [1].
 
4. Работа выпрямителей на противо-ЭДС
 
Рассмотрим влияние противо-ЭДС на электромагнитные процессы в схеме выпрямителя на примере однофазной схмы со средней точкой, в цепь постоянного тока которой включена аккумуляторная батарея с ЭДС Е0 и внутренним сопротивлением Rd (рис.5,а).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Выпрямитель с противо-ЭДС: а – схема, б – диаграммы напряжения и тока
 
Предположим, что ключ [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]замкнут, т.е. индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]отсутствует. В этом случае ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в нагрузке начинает протекать, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]превышает ЭДС [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.5,б), так как только при этом условии к вентилям схемы будет приложено прямое напряжение, и они будут проводить ток.
Ток id, протекающий в этом случае в цепи нагрузки, можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

Очевидно, что интервал проводимости вентилей будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и противо-ЭДС [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Тогда интервал проводимости вентилей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]можно записать в виде
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Учитывая, что отсчет ведется от максимума выпрямленного напряжения, можно записать
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(11)

или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Подставляя (11) в (10), получаем следующее выражение для мгновенного значения тока в нагрузке:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение выпрямленного тока (постоянную составляющую) можно определить из соотношения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(12)

Для схемы [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-фазного выпрямителя уравнение (12) принимает вид
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(13)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Если в цепь постоянного тока включена индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](ключ [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]разомкнут), то пульсация выпрямленного тока уменьшается и при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]становится равной нулю. В этом случае можно записать
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– среднее значение выпрямленного напряжения из регулировочной характеристики.
Пример. Рассчитать интервал проводимости [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и среднее значение тока вентилей неуправляемого выпрямителя, выполненного по однофазной схеме со средней точкой и работающего на противо-ЭДС.
Исходные данные следующие:

· действующее значение напряжение вторичной полуобмотки трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];

· противо-ЭДС в цепи постоянного тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];

· внутреннее сопротивление источника противо-ЭДС [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];

· индуктивность в цепи постоянного тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Ld=0.
Определим по (11) угол отсечки вентилей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Тогда интервал проводимости вентилей
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Среднее значение тока вентиля равно
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
 
ЛИТЕРАТУРА
 
Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Системы управления электроприводами. Практ. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2000. – 156 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. На какие параметры схем выпрямления влияют коммутационные процессы?
2. От каких параметров схем выпрямления зависит падение напряжения в коммутационный период?
3. Что понимаем под внешней характеристикой, и какие параметры схемы влияют на ее характер?
4. Каким образом влияет противо-ЭДС нагрузки на параметры вентильного преобразователя?
5. В однофазной схеме рис.1 найти падение напряжения в коммутационный период, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
6. В однофазной мостовой схеме выпрямления найти падение напряжения и угол коммутации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
3.65 В, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
7. Найти напряжения внешней характеристики трехфазного мостового выпрямителя при холостом ходе и при нагрузке, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
95 В, 90 В.




Лекция No 10
Выбор согласующего трансформатора и вентилей
1. Примерный порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией
2. Выбор трансформатора
3. Автотрансформатор в двухполупериодных вентильных схемах

1. Примерный порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией
 Для проектирования требуются следующие исходные данные:
напряжение, частота и мощность КЗ в сети переменного тока;
напряжение на стороне постоянного тока и необходимый диапазон его изменения;
преобразуемая мощность;
некоторые дополнительные данные – пульсации выпрямленного тока или напряжения, содержание гармоник тока на стороне переменного тока, коэффициент мощности и т.п.
При проектировании должны быть выполнены следующие расчеты [1, 2]:
после того как выбрана наиболее подходящая схема преобразователя, определяется действующее значение напряжения вентильной (вторичной) обмотки преобразовательного трансформатора, исходя из требуемого наибольшего значения выпрямленного напряжения;
вычисляются действующие значения токов в обмотках преобразовательного трансформатора, производится расчет его мощности и выбирается из каталога ближайший по мощности;
Замечание. При некоторых схемах преобразователей в вентильных (вторичных) обмотках преобразовательного трансформатора, например в трехфазной нулевой схеме, протекают токи только в одном направлении, т.е. пульсирующие токи. Это может привести к нарастанию некомпенсированной намагниченности стержней магнитопровода трансформатора. Лучше избегать схем, при использовании которых возможны такие явления. Если же такое решение все-таки необходимо, то должны быть приняты меры по уменьшению неблагоприятного влияния пульсирующей нагрузки, например, следует ввести третичные обмотки и т.п.
вычисляются действующие и средние значения токов в каждом элементе преобразователя;
вычисляются напряжения на вентилях преобразователя и по каталогам (фирменным) производится выбор полупроводниковых приборов с полной эксплуатационной информацией;
определяется коэффициент мощности и содержание высших гармоник тока на стороне переменного тока преобразователя, считая сетевое напряжение синусоидальным;
коэффициент мощности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]определяется с учетом содержания высших гармонических тока:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- коэффициент искажения, равный отношению действующего значения тока основной (первой) гармоники к действующему значению всего тока, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угол сдвига фазы основной (первой) гармоники тока относительно напряжения;
определяется содержание гармоник высших токов и напряжения в цепи постоянного тока (в нагрузке);
определяется тип фильтра и его параметры;
определяются параметры защитных устройств и устройств, обеспечивающих заданные режимы работы преобразовательной установки.
2. Выбор трансформатора
 Трансформатор на входе вентильного преобразователя – это согласующий элемент, устройство гальванической развязки и дополнительное устройство защиты полупроводниковых приборов [3].
Параметрами, определяющими выбор трансформатора, обычно являются расчетные значения фазных напряжений ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) и токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора и типовая мощность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
1. Трансформатор, как согласующий элемент, служит для согласования напряжения, подводимого из сети, с напряжением, необходимым для нормальной работы нагрузки.
При определении величины необходимого фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) возникают трудности, связанные с тем, что в начальной стадии проектирования оказываются неизвестными многие падения напряжения в отдельных элементах преобразователя. В этом случае расчет приходится вести следующим образом. Сначала ориентировочно задаются возможными падениями напряжения в различных элементах преобразователя и определяют необходимое фазное напряжение во вторичной обмотке трансформатора. А затем, после того, как будут выбраны все элементы силовой цепи преобразователя, величина [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]уточняется.
Предварительно вычисляется напряжение на выходе выпрямителя при минимальном значении угла управления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]из условия
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где 1,1 – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения сети на 10%; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– ЭДС вращения при номинальной скорости двигателя; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– коэффициент, учитывающий допустимые перегрузки по току, из условий коммутации якоря двигателя [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– для электроприводов переменного тока; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (обмотки трансформатора, дросселей, динамического сопротивления вентилей, сопротивление, учитывающее действие коммутационных процессов в преобразователе и т.п.); предварительно величина [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]может быть принята равной [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– падение напряжения на вентилях.
2. В связи с тем, что в трансформаторе не существует электрической связи между вторичной и первичной обмотками, трансформатор является элементом гальванической развязки сетевого напряжения и напряжения преобразовательного устройства с нагрузкой.
3. Трансформатор на входе вентильного преобразователя обладает собственным активным сопротивлением ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) и входной индуктивностью ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), ограничивающей скорость изменения тока в вентилях преобразователя и соответственно токи короткого замыкания на стороне постоянного напряжения.
Определив необходимое значение напряжения на нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], нетрудно найти расчетное значение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], соответствующее схеме выпрямления, а зная первичное напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], определяется коэффициент трансформации трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
и расчетная мощность трансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Мощность выбираемого трансформатора по каталогам [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]должна быть больше или равна расчетной:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В литературе часто можно встретить некорректный подход к выбору трансформатора. Наибольшая погрешность появляется в расчетах схем с нулевым выводом [3]. Например, для однофазной двухполупериодной схемы выпрямителя с выводом полагается:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
но в этом случае мощность вторичной обмотки больше мощности, забираемой из сети, т.е. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], тогда и КПД [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Мощность вторичной обмотки трансформатора ни при каких обстоятельствах не может быть больше мощности первичной обмотки.
В силу тождественности форм кривых токов и напряжений при активной нагрузке действующее значение напряжения определяется точно так же, как и действующее значение тока.
Для однофазной схемы с нулевым выводом
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Действующее значение напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Во время приложения к какой-либо половине обмотки обратного напряжения прямое напряжение на ней равно нулю, тогда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- фазность схемы преобразователя.
Следовательно,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
т.е. по затратам энергии однофазная мостовая схема и схема с нулевым выводом абсолютно идентичны.
Для активно-индуктивной нагрузки ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) действующее значение тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]соответственно равны:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
тогда мощность обмоток
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Косвенным подтверждением справедливости предлагаемых расчетов может служить баланс мощности. В общем случае с учетом принятых упрощений
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– потери от высших гармоник пульсаций напряжения и тока.
Основная доля потерь падает на первую гармонику напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Потери эти чисто активные, они могут быть рассчитаны по следующей формуле:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующие значения первых гармоник пульсаций напряжения и тока; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– сопротивление нагрузки; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– полные мощности первичной и вторичной обмоток; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– выпрямленное напряжение, ток и мощность; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Активно-индуктивная нагрузка создает главным образом потери реактивной мощности. Формальное отличие [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]отражает разницу между действующим и средним значениями напряжения на обмотках трансформатора. В то же время идеализированный ток прямоугольной формы в обмотках или эквивалентная ему сумма гармоник нечетного порядка имеет резко выраженный реактивный характер и создает потери только в питающей сети (в баланс мощности эти потери не входят).
Расчетное значение требуемой мощности трансформатора желательно увеличить на величину потерь от первой гармоники
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где коэффициент 1,1 учитывает потери от гармоник больше первой.
По расчетным значениям [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]выбирается тип трансформатора с его номинальными паспортными данными: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], вес и т.п.
Расчетную мощность трансформатора нетрудно найти, используя показатели табл.1, при этом
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание. При отсутствии в каталогах трехобмоточного трансформатора с параметрами обмоток, близкими к требуемым, допускается выбор ближайшего по мощности трансформатора с одной вторичной обмоткой, причем требуемая расчетная мощность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]увеличивается на 30%. Обычно завод-изготовитель трансформаторов гарантирует изменение напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]по требованию заказчика при соблюдении постоянства [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
После выбора трансформатора производится расчет активного [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и индуктивного [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]сопротивлений:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].


Таблица 1. Показатели выпрямительных схем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 




3. Автотрансформатор в двухполупериодных вентильных схемах
Когда действующее напряжение питающей сети [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]незначительно отличается от напряжения вторичной обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], для получения однополупериодных однотактных схем выпрямления более экономично использовать автотрансформаторы.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Схема понижающего автотрансформатора
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.2. Схема повышающего автотрансформатора
 
К зажимам [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]понижающего автотрансформатора подводится напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а на зажимах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]получаем напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.1). В повышающем автотрансформаторе напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]подводится к зажимам [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а напряжение вторичной обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]получаем на зажимах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.2).
Для обоих автотрансформаторов коэффициент трансформации
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– число витков секции обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– число витков секции обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]).
В понижающем автотрансформаторе [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а в повышающем трансформаторе [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В секции обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]понижающего автотрансформатора протекает первичный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В секции обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]к току [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]добавляется встречный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], который по величине превышает первичный ток. Поэтому результирующий ток этой обмотки
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Тот же ток в секции обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]протекает во втором полупериоде.
Между токами [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]существует зависимость [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому результирующий ток
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Во втором полупериоде в той же секции протекает первичный ток
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Когда последовательно с приемником энергии включено большое индуктивное сопротивление ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), в рабочем полупериоде [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и действующее значение тока секции обмотки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В секциях обмоток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]автотрансформатора протекает ток i1, действующее значение которого
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Действующее значение напряжения вторичной обмотки
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Напряжение в секциях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]пропорционально числу витков, поэтому его действующее значение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
По приведенным формулам находим расчетную мощность понижающего автотрансформатора:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Расчетная мощность повышающего автотрансформатора
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание. Когда коэффициент трансформации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], расчетная мощность автотрансформатора меньше мощности двухобмоточного трансформатора.
 4. Дроссели
 Если при заданных значениях выпрямленного напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]близко с напряжением питающей сети [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], то вместо трансформатора можно установить токоограничивающие реакторы.
Выбор токоограничивающего реактора можно произвести следующим образом. По заданному значению тока нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]определяется действующее значение тока, протекающего через токоограничивающий реактор:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Далее из каталога (справочника) выбираются вентили с допустимой величиной скорости изменения тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Индуктивность реактора определится как
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– коэффициент запаса.
По расчетным значениям [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]из каталога выбирается реактор в каждую фазу преобразователя. Входные реакторы не должны насыщаться при токах короткого замыкания.
 5. Выбор вентилей (тиристоров)
 Высокая надежность работы преобразователя может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии проектирования всех специфических особенностей выбираемого прибора при выполнении всех рекомендаций в конкретной схеме [4]. Большая часть приведенных в справочной литературе тиристоров и диодов может обеспечить максимально допустимый ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]лишь при наличии охладителей и заданных условий охлаждения. Если используется естественное охлаждение, то допустимый ток через прибор снижается и составляет примерно 35% от максимально допустимого.
При обращении к справочнику или каталогу для выбора диода или тиристора достаточно иметь расчетные величины максимального и среднего значения тока, проходящего через прибор и значения максимального обратного напряжения.
В настоящее время преимущественно используется система так называемых предельных параметров, характеризующих предельные возможности прибора.
Основными параметрами диодов являются:
1. Предельный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор. Значение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]определяется в однофазной однополупериодной схеме с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, полусинусоидальной форме тока и максимально допустимой температуре структуры. При использовании прибора в других схемах необходимо пересчитывать предельный ток. Необходимость пересчета обусловлена изменением соотношения между средним и действующим значениями тока, протекающего через вентиль в различных схемах, и другими факторами. Обычно для этой цели используются графические зависимости, приводимые в информационных материалах. В информационных материалах приводятся значения предельных токов с учетом влияния охладителя и условий охлаждения.
2. Ток рабочей перегрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– это ток, характеризующий максимальное значение тока в течение небольшого определенного времени при заданных условиях работы.
3. Ударный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это максимально допустимая амплитуда одиночного импульса тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы прибора.
4. Повторяющееся напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду в обратном направлении. Напряжение UП характеризуется классом прибора.
5. Неповторяющееся напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это максимально допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения, прикладываемого к диоду в обратном направлении.
6. Критическая скорость нарастания прямого тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это максимально допустимая скорость нарастания прямого тока через прибор.
Кроме предельных параметров, которые должны быть выдержаны при эксплуатации, важными параметрами являются: прямое падение напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], обратный ток [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], и др.
Большинство указанных параметров обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах – в технических условиях на прибор.
Например, диод с нелавинной характеристикой с водяным охлаждением, второго конструктивного исполнения, на предельный ток 1000 А, с повторяющимся напряжением 600 В обозначается как ВВ2-1000-6.
Часть параметров, которыми характеризуются тиристоры, аналогична параметрам, указанным ранее для диодов.
Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах приводят диаграмму вольтамперных характеристик управляющего электрода. Большинство типов тиристоров включаются токами порядка нескольких сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 8 В. Длительность отпирающего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд. Для быстрого и четкого включения тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (порядка единиц микросекунд).
Перенапряжения в диоде могут возникнуть только в обратном направлении, в то время как в управляемом приборе они могут возникнуть в обоих направлениях. В каталогах номинальные напряжения нормируются следующим образом: обратное напряжение – это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемое к тиристору или диоду в обратном направлении; прямое повторяющееся напряжение – это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к тиристору в прямом направлении; неповторяющиеся напряжения – это максимально допустимые мгновенные значения любого напряжения, нерегулярно прикладываемого к полупроводниковому прибору (грозовые или коммутационные перенапряжения в сети, перенапряжения вследствие отключения тока намагничивания при отключении трансформатора и др.).
Включение управляемых силовых полупроводниковых приборов может привести к быстрому нарастанию тока, особенно если момент включения совпадает с большим значением прямого напряжения. Поскольку скорость увеличения проводящего поперечного сечения тиристора во включающемся полупроводниковом приборе ограничена, местная плотность тока и сопутствующий ей местный нагрев могут сохраняться в допустимых пределах только, благодаря ограничению скорости нарастания тока до значений, нормированных изготовителем. Поэтому индуктивность контура, замыкаемого полупроводниковым прибором, который начинает проводить ток, не должна снижаться ниже предела, определенного этим условием. У большинства преобразователей требуемая индуктивность обеспечивается в первую очередь элементами главной схемы (индуктивностью рассеяния трансформаторов или индуктивностью реакторов на входе схемы), так что никакой другой индуктивности обычно не требуется.
В соответствии с предписанием стандарта в каталогах на полупроводниковые приборы указывается критическая скорость нарастания тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при следующих условиях:

· температура кристалла – максимально допустимая;

· амплитуда нарастающего тока не превышает трехкратного номинального тока;

· прямое напряжение вентиля [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]непосредственно перед включением не превышает 67% повторяющегося прямого напряжения;

· частота повторения включений 50 Гц;

· управляющий импульс удовлетворяет условиям по скорости нарастания тока, амплитуде и длительности, указанным для данного вентиля в каталоге.
Кроме перечисленных выше, в технических условиях на тиристоры обычно указываются дополнительные параметры:
Время включения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку.
Время выключения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не отпираясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания.
Критическая скорость нарастания прямого напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. Скорость нарастания прямого напряжения не должна превышать значений, нормированных изготовителем, так как в противном случае емкостные токи, появляющиеся в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]переходах, могут привести к самопроизвольному включению тиристора. Сравнительно медленное включение может привести к большим потерям при включении и повреждению вентиля.
Ток удержания [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– это максимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управляющего электрода, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии. Токи удержании необходимо знать для расчета минимальной нагрузки преобразователя, при которой тиристоры находятся с проводящем состоянии.
Защитный показатель [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Это показатель, характеризующий термодинамическую стойкость прибора при кратковременных перегрузках. Оценка защищенности прибора с помощью характеристики [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства (например, плавкого предохранителя или электромагнитного расцепителя автоматического выключателя и т.п.). Во всех случаях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]прибора (вентиля) должен быть больше [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]устройства защиты.
В обозначении типа тиристора содержится ряд букв и цифр, например тиристор типа ТВ2-1000-6-121 – это тиристор с водяным охлажденим второго конструктивного исполнения с предельным током 1000 А, повторяющемся напряжением 600 В (6-й класс) с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](группа 1), с временем выключения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](группа 2) и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](группа 1).
Соблюдение вышеперечисленных параметров позволяет использовать преобразователь с безопасной эксплуатацией на сроки более 10 лет непрерывной работы.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
1. Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 616 с.
2. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.
3. Ланген А.М. Расчет мощности трансформатора выпрямительной установки// Электричество. 1999. No 10.
4. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. При какой нагрузке необходимо выбирать силовой трансформатор?
2. Какими параметрами отличается трансформатор от автотрансформатора и когда какой применять?
3. Назначение входных реакторов в цепи преобразователя?
4. Какие начальные параметры необходимо знать при выборе тиристора?
5. Определить разницу в мощностях согласующих трансформаторов однофазных и трехфазных схем выпрямления, если необходимо иметь [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
4.43 кВА.
6. Определить мощность трансформатора однофазного мостового выпрямителя при активной и активно-индуктивной нагрузке, если в цепи необходимо иметь [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
7.26 кВА, 5.5 кВА.
7. Найти мощность трехфазного трансформатора для мостовой схемы выпрямления, если задано [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
8. В однофазной мостовой схеме выпрямления с понижающем напряжением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]найти мощность автотрансформатора и трансформатора, обеспечивающих цепь с параметрами [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].





Лекция No11
Защитные цепи преобразователя
 1. Защита от перенапряжений на входе преобразователя
 2. Защита тиристоров
3. Защита от перенапряжения

 1. Защита от перенапряжений на входе преобразователя
 В качестве защиты от перенапряжений, возникающих в сетях, и перенапряжений, возникающих вследствие отключения преобразовательного трансформатора, обычно используют [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-контуры, присоединенные на вентильной стороне трансформатора (рис.1,а), [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-контуры, присоединенные через вспомогательный выпрямитель (рис.1,б) или при помощи шунтирования вторичных выводов трансформатора с емкостями, превышающими емкости обмоток (рис.1,в).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Типичные схемы защиты преобразователей от сетевых перенапряжений
 Если преобразователь присоединен непосредственно к сети, без трансформатора, эти защитные элементы должны быть присоединены к главной схеме через дополнительную индуктивность.
Величины сопротивлений и емкости конденсаторов рассчитываются по соотношениям:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– число фаз; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующее значение намагничивающего тока, приведенного к вторичной цепи. Для стандартных трансформаторов эта величина может быть принята равной 3-7% от вторичного номинального тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– коэффициент, определяющий отношение амплитудного значения выпрямленного напряжения к действующему значению фазного напряжения. Например, для мостовой трехфазной схемы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- круговая частота питающей сети [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- коэффициент запаса, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– максимальное мгновенное напряжение, которое не должно превосходить значения допустимого неповторяющегося напряжения на вентиль, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– максимальное расчетное обратное напряжение на вентиле в конкретной схеме;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– индуктивность фазы трансформатора.
После определения расчетных значений емкости и сопротивлений необходимо произвести их выбор по каталогу из диапазона номинальных значений [1-3]
 2. Защита тиристоров
 Проект защиты должен учитывать последствия, к которым может привести та или иная неисправность. Чтобы не прерывать технологический процесс, иногда необходимо снизить уровень защиты для вспомогательных устройств, например при перегрузках можно предусмотреть не отключение, а лишь подачу предупредительного сигнала. Важные вспомогательные устройства нужно резервировать.
Одним из многих преимуществ тиристоров являются их малые габариты. Однако небольшая масса и размеры поверхности обусловливают малую постоянную времени нагрева и ухудшение условий теплоотдачи. Тепловая чувствительность тиристоров возлагает большую ответственность на средства их защиты. Ниже описываются наиболее типичные аварийные режимы и соответствующие способы защиты тиристоров.
Ограничение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
В момент подачи управляющего импульса при прямом напряжении на тиристоре анодный ток начинает протекать через переход в непосредственной близости от вывода управляющего электрода, и лишь затем он распространяется по всей площади перехода. При большой скорости нарастания анодного тока вследствие высокой его плотности вблизи управляющего электрода возникают очаги перегрева, которые могут привести к выходу прибора из строя. Поэтому при включении тиристора производную анодного тока следует ограничивать некоторым допустимым значением, для этой цели могут быть использованы небольшие реакторы в анодной цепи. Предельное значение производной тока ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) лежит в пределах (20...1500) А/мкс.
Ограничение[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Если скорость изменения напряжения на тиристоре [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]высока, ток может достигнуть значения, достаточного для включения тиристора без управляющего импульса. Эффект включения под воздействием [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]приводит к сбоям в работе преобразователя.
Допустимая скорость изменения анодного напряжения составляет обычно (20...1000) В/мкс. Для защиты тиристора от непреднамеренного включения при больших [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]в простейшем случае применяется шунтирующая RC-цепочка (RШ, СШ), включаемая параллельно тиристору. Пример обозначения по ГОСТ 20859-75 тиристора: Т160-10-453 - низкочастотный тиристор на предельный ток 160 А, повторяющееся напряжение 1000 В (10 класс), скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 200 В/мкс (4 группа), время выключения 60 мкс (5 группа), критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии 50 А/мкс (3 группа).
 Пример определения параметров защитных элементов.
 Для регулирования мощности, выделяемой в резисторе [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], используется тиристор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], как показано на рис.4.1,а. Напряжение питания 400 В, а допустимые значения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]равны 50 А/мкс и 200 В/мкс соответственно. Требуется определить параметры защитных элементов: индуктивность реактора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-цепи ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]).

Рис.2. Ограничение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]: а - схема цепи; б - эквивалентная схема при замыкании ключа [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 Решение.
Напряжение на конденсаторе [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]не может измениться мгновенно. Более того, тиристор в зоне низкой проводимости имеет большое внутреннее сопротивление. Поэтому при замыкании ключа [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]цепь нагрузки может быть представлена эквивалентной схемой рис.2,б. Уравнение напряжений имеет вид
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
откуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- сопротивление резистора в шунтирующей цепи. Как следует из последнего выражения, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]имеет максимальное значение при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Следовательно,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мкГн.
Напряжение на тиристоре - [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Дифференцируя это выражение по времени, получаем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
поэтому имеем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Таким образом,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]Ом.
Если [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мало, то потери энергии в нем высоки. Обращаясь к схеме на рис.2,а, можно видеть, что при включении ключа [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]все напряжение питания [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]до открытия тиристора прикладывается к конденсатору [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому при открытии тиристора в нем происходит бросок тока с тем большим пиковым значением, чем меньше [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Таким образом, достаточное с точки зрения ограничения тока значение RШ может быть слишком большим для ограничения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Емкость [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]выбирается небольшой, чтобы не вывести тиристор из строя в момент разряда при его открытии. Например, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. При таком значении сопротивления [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]может быть найдена индуктивность реактора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], при которой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]не превышает допустимого значения:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Полученная индуктивность не слишком велика и превышает найденное выше максимальное значение, необходимое для ограничения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
 Теплоотвод
 В открытом состоянии тиристор имеет небольшое внутреннее сопротивление, при этом падение напряжения на нем составляет 1-2 В, что при большом анодном токе приводит к значительным тепловым потерям, способным вызвать разрушение прибора, поэтому тиристоры всегда устанавливаются на радиаторы, способствующие отводу теплоты от тиристора и передаче его в атмосферу.
Обычно максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при естественном охлаждении тиристоров с радиатором составляет около 30 % от предельного тока выбранного тиристора. При принудительном охлаждении максимально допустимый ток повышается и зависит от скорости охлаждающего воздуха в межреберном пространстве радиатора, при 6 м/с - до 70 % от предельного тока тиристора. Уточненные сведения можно получить в справочниках и каталогах на тиристоры и охладители к ним..
 
Защита от перенапряжения
 При неудовлетворительной коммутации, коротких замыканиях, переходных процессах при регулировании, ударах молнии и т. п. напряжение на тиристоре может превысить допустимое значение. Защита от перенапряжений осуществляется с помощью включаемых параллельно тиристору нелинейных элементов, сопротивление которых уменьшается при увеличении напряжения. При больших напряжениях на тиристоре они шунтируют его силовую цепь. Из-за высокой крутизны импульсов перенапряжений они могут быть устранены с помощью селеновых стабилитронов - тиректоров или металлооксидных варисторов [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.3).
 Защита от аварийных токов
 В процессе эксплуатации систем с тиристорами и диодами могут возникнуть различные виды аварийных режимов их работы. Основные виды аварий можно разделить на две группы: внешние и внутренние.
К внешним авариям обычно относят короткие замыкания в цепях нагрузки или питающей сети.
Внутренние аварии более многообразны и обычно бывают вызваны повреждениями вентилей или нарушениями работы системы управления. Аварии, вызванные выходом из строя вентилей по причине электрического или теплового пробоя, являются, как правило, наиболее тяжелыми, так как сопровождаются протеканием в схеме больших аварийных токов.
Аварийный ток зависит от момента возникновения аварии и режима работы выпрямителя. Поэтому при расчетах обычно учитывают такие обстоятельства, при которых развиваются максимальные и минимальные аварийные токи. Данные об этих значениях необходимы для проектирования защиты и определения электродинамической стойкости оборудования преобразователя.

Рис.3. Схема тиристорного блока с устройством защиты
 Полупроводниковые приборы имеют весьма небольшую теплоемкость, поэтому длительная перегрузка и работа при импульсных токах, а также кратковременные сильные броски тока могут привести к недопустимому перегреву переходов и выходу прибора из строя.
Для защиты от выхода из строя элементов преобразователя применяют различные способы, которые осуществляются с помощью плавких предохранителей, автоматических выключателей или короткозамыкателей, а также специальные схемные решения.
Основными характеристиками защитных средств являются быстродействие, надежность, простота в настройке и обслуживании. Для предотвращения развития аварии во всех цепях схемы преобразователя и далее в схеме электроснабжения, содержащей поврежденный агрегат, необходимо обеспечивать селективность работы защитных средств. Под селективностью (избирательностью) подразумевается способность защиты своевременно отключать только поврежденные участки схем, не допуская развития аварийных токов в остальных их частях.
Перегрузочной характеристикой полупроводникового прибора по току является зависимость максимально допустимого тока, протекающего через прибор, от времени его протекания.
Существуют три показателя оценки перегрузочной способности тиристоров по току:
ударный ток в открытом состоянии;
защитный показатель ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]);
ток перегрузки в открытом состоянии (ток рабочей перегрузки).
Значение ударного тока и защитного показателя служат для выбора защитных устройств и характеризуют термодинамическую стойкость прибора при кратковременных (1 - 100 мкс) перегрузках. Устройства защиты должны ограничивать время протекания тока перегрузки в соответствии с зависимостями, приведенными в справочниках на полупроводниковые приборы.
Оценка защищенности прибора с помощью характеристики [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства. Во всех случаях [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]полупроводникового прибора должен быть больше [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]устройства защиты.
При частом воздействии ударного тока срок службы полупроводникового прибора будет снижаться. Поэтому такие воздействия тока допускаются лишь ограниченное число раз за весь срок службы.
Для тока перегрузки в открытом состоянии (тока рабочей перегрузки) число циклов не ограничивается. В этом случае допустимое значение тока перегрузки зависит от предварительного режима нагрузки, длительности импульса перегрузки, применяемого охладителя (радиатора) и условий охлаждения.
Наиболее простым способом защиты полупроводниковых приборов от токов коротких замыканий является использование предохранителей. Для этих целей используются специальные типы предохранителей, отличающихся высоким быстродействием, например ПП-57.
Следует отметить, что такие быстродействующие предохранители обычно предназначены для защиты от токов коротких замыканий, но не перегрузки.
Основным параметром плавкого предохранителя, характеризующим его в период до образования дуги, является количество энергии, необходимое для расплавления плавкого элемента. При малом времени плавления (до 0,01 с) эта энергия пропорциональна квадрату тока и времени его протекания и может быть выражена через интеграл плавления:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- время расплавления плавкого элемента, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- функция изменения аварийного тока, протекающего через предохранитель.
Значение интеграла плавления зависит от исходного состояния предохранителя. При отключении из горячего состояния, то есть после прогрева предохранителя рабочим током, интеграл плавления составляет 65 - 70 % значения интеграла плавления для холодного состояния предохранителя.
После расплавления плавкого элемента образуется электрическая дуга. Образование дуги приводит к появлению напряжения на предохранителе и ограничению аварийного тока в цепи.
Тепловое воздействие в период горения дуги может быть охарактеризовано интегралом дуги
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- время горения дуги.
Интеграл дуги практически не зависит от температуры предшествующего режима, а определяется лишь током в момент возникновения дуги, напряжением и индуктивностью в отключаемой цепи.
Быстродействующие плавкие предохранители выбираются обычно по полному интегралу отключения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], равному сумме интегралов плавления и дуги:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Полный интеграл отключения зависит от типа предохранителя, определяемого током и рабочим напряжением, а также от предельного отключаемого тока, зависящего от параметров и мощности цепи аварийного тока. Эти параметры даются в информационных материалах.
Для обеспечения надежной защиты полупроводникового прибора плавкими предохранителями при коротких замыканиях необходимо выполнять условие
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Предохранители, предназначенные для защиты преобразователей, обычно снабжены средствами сигнализации, например микропереключателями, контактная система которых срабатывает при перегорании плавкой вставки. Это позволяет обеспечить контроль состояния вентилей при эксплуатации.
Основным недостатком защит, выполненных на основе плавких предохранителей, является необходимость в замене перегоревших плавких вставок, что снижает степень автоматизации работ при обслуживании.
Для защиты преобразователей широко применяются автоматические выключатели, которые по быстродействию уступают предохранителям, но обеспечивают многократное действие и возможность дистанционного управления. Достоинство многих типов автоматических выключателей в том, что в них совмещены устройство защиты и коммутационный аппарат, позволяющий производить включение и выключение преобразователей в нормальных режимах.
Условием обеспечения надежной защиты вентилей преобразователя при коротких замыканиях является
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- полное время размыкания контактов выключателя в силовой цепи преобразователя.
Автоматические выключатели или предохранители должны обеспечивать разрыв цепи до выхода из строя полупроводникового прибора, причем автоматические выключатели, как правило, отключают схему целиком, а предохранители могут быть установлены для каждого прибора индивидуально, как показано на рис.3.
Быстродействующие выключатели серии ВАБ, ВАТ, А-3700, АМ применяются для защиты преобразователей при внешних коротких замыканиях и перегрузках в сочетании с предохранителями в качестве защиты от внутренних коротких замыканий. При этом обеспечивается селективность защиты - предохранители не плавятся при внешних коротких замыканиях.
 Защита цепи управляющего электрода
 Цепи управляющих электродов защищаются как от перенапряжений, так и от аварийных токов. Малая мощность этих цепей позволяет применять простые защитные средства, такие как стабилитроны [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](рис.3), ограничивающие напряжение на электроде, и токоограничивающие резисторы [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Характерной проблемой, связанной с тиристорными схемами, является их ложное срабатывание. В цепи управляющего электрода могут быть индуцированы импульсы от коммутации соседних тиристоров или сетевых помех, вызывающие переход тиристора в открытое состояние и неправильную работу схемы. Защита цепей управления от таких помех состоит в экранировании или скручивании их проводов. Часто между выводом управляющего электрода д и катодом к параллельно устанавливают конденсатор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](до 0,1 мкФ) и резистор [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ](до 200 Ом), шунтирующие помехи.
Для формирования импульсов, имеющих необходимые параметры, и обеспечения потенциальной развязки силовых и управляющих цепей применяются формирователи, построенные на базе оптоэлектронных или трансформаторных элементов [2, 3].
 
ЛИТЕРАТУРА
 Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. – М.: Энергоиздат, 1985. – 401 с.
Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б., Лебедев С.К. Руководство по проектированию элементов систем управления электроприводами. Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1999. – 116 с.
Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б. Электропривод постоянного тока с импульсным преобразователем. Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1995. – 92с.
 
Контрольные вопросы
 1. С какой целью устанавливают на входе преобразователей емкости?
2. От каких режимов и какими элементами следует защищать анодно-катодную часть полупроводника?
3. Какие защитные устройства применяют для цепи управления тиристора?
4. Каким образом защитить тиристор от коротких замыканий на стороне постоянного напряжения?
5. Каким образом определить защитный показатель тиристора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и какой аппарат выбрать для этого?
6. Найти параметры [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]защитных внешних цепей трехфазного преобразователя, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
7. Для тиристора допустимые значения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Минимальная индуктивность для ограничения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]составляет 8 мкГн, а индуктивность фазы трансформатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Определить при этом величину скорости нарастания тока.
Ответ:
4000 А/с.




Лекция No 12
Взаимодействие преобразователя с сетью и нагрузкой
 1. Энергетические показатели в сети
2. Фильтр в звене постоянного напряжения

 1. Энергетические показатели в сети
 В электрических цепях с несинусоидальной формой тока можно выделить следующие составляющие мощности [1, 2]:
активную мощность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], определяемую синусоидальным напряжением и синусоидальной составляющей тока, находящейся в фазе с кривой напряжения;
реактивную мощность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], определяемую синусоидальным напряжением и синусоидальной составляющей тока, сдвинутой относительно кривой напряжения;
мощность искажения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], определяемую синусоидальным напряжением и высшими гармониками тока;
полную мощность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Понятие коэффициента мощности связано с цепями переменного тока. В линейных цепях переменного тока, питаемых синусоидальным напряжением, коэффициент мощности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]определяется как [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угол сдвига фаз между синусоидальной кривой напряжения питания и синусоидальной кривой тока. Причины, приводящие к тому, что коэффициент мощности становится меньше единицы, обусловлены явлением накопления энергии и искажением кривой тока по сравнению с кривой напряжения питания.
В цепях, питаемых переменным синусоидальным напряжением, в которых появляются периодические токи несинусоидальной формы, выделяют две составляющие коэффициента [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]: коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первой гармоникой тока и напряжением ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), и коэффициент, обусловленный искажением кривой тока по отношению к кривой напряжения ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]). Коэффициент фазового сдвига определяется по выражению
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
коэффициент искажения - по выражению
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- действующее значение первой гармоники тока;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- действующее значение тока цепи;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- действующее значение напряжения питания.
В общем виде коэффициент мощности можно найти из выражения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
От значения коэффициента мощности приемников, подключенных к питающей сети, зависит степень использования устройств, вырабатывающих и передающих электроэнергию. Уменьшение коэффициента мощности должно сопровождаться ограничением активной мощности, потребляемой этим устройством, что ведет к ухудшению использования питающей сети, трансформаторов, распределительных аппаратов и генераторов электрической энергии.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]



[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]













Рис.1. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]однополупериодного выпрямителя от угла регулирования [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и фазового угла нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Рис.2. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]двухполупериодного выпрямителя от угла регулирования [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и фазового угла нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
  Рис.3. Трехпульсный (нулевой) выпрямитель. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мощности трехфазного выпрямителя от угла открытия [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и фазового угла нагрузки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.4. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]трехфазного мостового выпрямителя от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Коэффициент сдвига при точном учете процесса коммутации вычисляется следующим образом:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где угол коммутации равен
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
При линейной аппроксимации тока на интервалах коммутации формула для коэффициента сдвига упрощается:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
По найденным коэффициенту искажения и коэффициенту сдвига определяется коэффициент мощности как произведение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Работа любого преобразователя сопровождается потерями электрической энергии в различных элементах схемы на их активных сопротивлениях. Величина этих потерь характеризуется коэффициентом полезного действия, который зависит от режима работы преобразователя.
Найдем зависимость коэффициента полезного действия от среднего значения выпрямленного тока при постоянстве угла регулирования. Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной активной мощности на выходе вентильного преобразователя к активной мощности на входе. Тогда при работе преобразователя в выпрямительном режиме по определению
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а при работе в инверторном режиме
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- КПД;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– активная мощность в звене постоянного тока (в пренебрежении пульсациями тока);
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– суммарные потери активной мощности – в трансформаторе ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), в вентилях ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), фильтре ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]), на вспомогательные нужды ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]);
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– активная мощность в первичной обмотке трансформатора.
Указанные активные мощности определяются следующим образом:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- мощность потерь в стали трансформатора и примерно равная ей мощность потерь в режиме холостого хода;
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- мощность потерь в меди трансформатора и примерно равная ей приведенная с коэффициентом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мощность потерь в режиме короткого замыкания:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- число вентилей в преобразователе,
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Так как все рассмотренные мощности зависят от выпрямленного тока, то и КПД будет функцией тока нагрузки. В режиме номинального тока при максимальном выпрямленном напряжении значения КПД лежат в пределах 0,9...0,96.
2. Фильтр в звене постоянного напряжения
 Сглаживающие фильтры применяют для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем [3-6].
Оценку сглаживающего действия фильтра обычно производят по величине его коэффициента сглаживания [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Как известно, выпрямленное напряжение в любой вентильной схеме имеет пульсирующий характер. Число пульсаций ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) для различных схем разное.
Причиной пульсации выпрямленного напряжения является то, что оно, кроме постоянной составляющей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], содержит переменную составляющую [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], т.е.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Здесь [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]представляет сумму всех высших гармоник выпрямленного напряжения, амплитуды которых во многом зависят от сопротивлений трансформатора и вентилей, характера нагрузки, способа фильтрации выпрямленного тока и т.д.
Рассмотрим идеальный случай, когда сопротивлениями цепей переменного тока и вентилей при чисто активной нагрузке (без сглаживающих фильтров) пренебрегают.
Число пульсаций равно m, тогда период изменения выпрямленного напряжения равен [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]содержит гармоники с порядковыми номерами km([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]). Если ось ординат совпадает с амплитудой кривой выпрямленного напряжения, то оно будет содержать лишь косинусоидальные гармоники, т.е.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Амплитуда [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]гармоники
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
или в относительных единицах
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Соотношение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-гармоники с напряжением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]представляет коэффициент пульсации схемы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В табл.1 приведены амплитуды гармоник выпрямленного напряжения для некоторых вентильных схем.
Таблица 1. Амплитуды высших гармоник выпрямленного напряжения
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Как видно из табл.1, лишь амплитуда 1-ой гармоники имеет существенное значение. Остальные гармоники сравнительно незначительны и при расчетах ими часто пренебрегают.
Допустимый коэффициент пульсаций у потребителя (выход фильтра)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– среднее значение выпрямленного напряжения на клеммах потребителя; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– уровень амплитуды первой гармонической напряжения после фильтра.
Отношение коэффициентов пульсаций на выходе выпрямителя и на входе потребителя называют коэффициентом сглаживания фильтра
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]показывает, во сколько раз уменьшается амплитуда пульсаций основной гармоники на выходе фильтра по сравнению с амплитудой пульсаций на его входе.
Таким образом, коэффициент фильтрации фильтра, сглаживающего выпрямленное напряжение до определенного уровня, определяют через допустимый коэффициент пульсаций потребителя и число пульсаций на выходе выпрямителя:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(1)

В дальнейшем расчет фильтра сводится к определению параметров фильтра по величине [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], определяемой из выражения (1).
При выборе сглаживающего фильтра коэффициент сглаживания является важным, но не единственным критерием. Необходимо учитывать условия, при которых работает фильтр, с тем, чтобы не искажался режим работы потребителя, а также существенно не ухудшался режим работы выпрямителя и элементов фильтра.
Фильтр с одной емкостью
 Простейшим фильтром является конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Если сопротивление нагрузки значительно больше емкостного сопротивления конденсатора для основной гармоники, то можно считать, что переменная составляющая тока вентиля равна току конденсатора, а постоянная составляющая – току нагрузки.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5. Схема выпрямителя (а) и графики токов и напряжений (б)
 
На рис.5,а приведена двухполупериодная мостовая схема с конденсатором, а на рис.5,б – соответствующие ей кривые токов и напряжений.
Как видно из рис.5,б в промежутке (01-01’) включены вентили 1 и 3 и конденсатор заряжается. Одновременно трансформатор пропускает ток через сопротивление [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В промежутке (01’-02) вентили 1 и 3 остаются включенными и через сопротивление [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]пропускает ток как трансформатор, так и конденсатор. В промежутке (02-04) все вентили закрыты и приемник энергии питается только от конденсатора. В точке (04) включаются вентили 2 и 4, и повторяется тот же процесс, что и первом полупериоде.
В промежутке (02-04) через сопротивление [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]ток пропускает лишь конденсатор, напряжение которого
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(2)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– остаточное напряжение конденсатора в точке (02).
Если постоянная времени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]довольно большая, напряжение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]падает сравнительно медленно и в начале нового периода (точка 03) имеет определенное положительное значение. В промежутке (03-04) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], поэтому очередные вентили закрыты. В точке (04) вентили 2-4 начинают пропускать ток и все процессы повторяются. Запаздывание включения вентилей в промежутках (0-01) и (03-04) на угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]вызвано наличием остаточного напряжения конденсатора.
Угол запаздывания
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– остаточное напряжение конденсатора в момент включения очередных вентилей.
С увеличением емкости конденсатора [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]возрастают, экспонента напряжения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]поднимается вверх и продолжительность включения вентилей [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]уменьшается. Кривая выпрямленного напряжения ясно показывает назначение конденсатора. Заряжаясь в промежутке (01-01’), конденсатор в течение остальной части полупериода разряжается на сопротивление [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], чем обеспечивается непрерывность выпрямленного тока. Кривая выпрямленного напряжения приближается к прямой линии, что увеличивает ее постоянную составляющую.
Определим емкость конденсатора, если известно (или задано) соотношение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Подставив в формулу (2) значение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], для двухполупериодной схемы находим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(3)

Так как [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], выражение (3) принимает вид
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(4)

Из последнего выражения получим
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
или
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(5)

Заменив угол [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]углом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], выражения (4) и (5) можно использовать для трехфазной нулевой или трехфазной мостовой схем выпрямления. Выбирая соотношение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], из выражения (5) определяем емкость конденсатора.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы равна
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Постоянная составляющая выпрямленного тока
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а его амплитуда
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В двухполупериодных схемах, когда параллельно приемнику энергии включен конденсатор, амплитуда обратного напряжения такая же, как и при чисто активной нагрузке.
Пример
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Величина емкости по выражению (5):

· для двухполупериодной схемы, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];

· для трехфазной нулевой схемы, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];

· для трехфазной мостовой схемы, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
 
Фильтр индуктивно-емкостной
 Однозвенный [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-фильтр является наиболее распространенным типом фильтра в выпрямительных схемах с регулируемым напряжением на выходе выпрямителя.
Для этого фильтра можно записать:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(6)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– модули комплексных сопротивлений:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Подставляя (6) в выражение для [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], получаем
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(7)

Обычно выбирают емкость конденсатора так, чтобы [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В этом случае (7) принимает вид:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(8)

Из (8) при заданных [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]находят произведение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Выбор конкретных значений [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]производится из других требований, предъявляемых к фильтру. Такими требованиями обычно являются обеспечение непрерывности тока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]или обеспечение минимума массы, габарита и стоимости. В ряде случаев при этом принимают во внимание факторы, учитывающие влияние параметров фильтра на динамические и регулировочные характеристики преобразователя и нагрузки. Кроме того, следует исключить возможность возникновения резонансных явлений на частотах, близких к частоте пульсации. Для этого рекомендуется обеспечить соотношение
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(9)

Из изложенного следует, что в общем случае выбор параметров [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]при рассчитанном значении их произведения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]является сложной многофакторной задачей, решение которой требует применения специальных методов оптимизации указанных параметров.
Наиболее простым случаем при проектировании с точки зрения расчета [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]является требование по обеспечению непрерывности тока id.
Минимальное значение индуктивности дросселя фильтра рассчитывается по выражению
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(10)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– активное сопротивление нагрузки; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- угловая частота питающей сети; [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– число пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения сети.
Чтобы индуктивность обеспечивала заданную амплитуду пульсаций тока в дросселе, ее значение выбирается равным
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(11)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– относительное значение пульсаций тока, обычно принимается в диапазоне (0.1...0.25).
Емкость конденсатора фильтра
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
(12)

где [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]- относительное значение пульсаций напряжения, обычно принимается в диапазоне (0.01...0.3); [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]– коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармоники (см. табл.1).
Часто емкость [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]-фильтра определяется из рассчитанного по (8) произведения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Полученные значения параметров фильтра проверяются по выполнению условия (9). В случае невыполнения этого условия следует увеличить емкость [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Пример
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
По выражениям (11) и (10) находим индуктивность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], включенную последовательно с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для двухполупериодной схемы выпрямления, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для трехфазной нулевой схемы выпрямления, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для трехфазной мостовой схемы выпрямления, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
По выражению (12) при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]находим величину емкости, включенной параллельно нагрузке [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для двухполупериодной схемы выпрямления, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
Для трехфазной нулевой схемы выпрямления, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];
при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Для трехфазной мостовой схемы выпрямления, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]мкФ;
при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Замечание. Включая индуктивность в звено постоянного напряжения, мы тем самым увеличиваем постоянную времени цепи нагрузки, что негативно отражается на быстродействии системы, например контура тока, или на нормальной работе преобразователя с широтно-импульсным преобразованием напряжения.
 
ЛИТЕРАТУРА
 
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Литвинский А.Н. Характеристики и защита полупроводниковых преобразователей/ – Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 96 с.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Сибирцев А.Н. Выбор элементов звена постоянного напряжения в электроприводе с вентильными преобразователями. Метод. указ/ Иван. гос. энерг. уни-т. - Иваново, 1994. – 32 с.
Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б., Лебедев С.К. Руководство по проектированию элементов систем управления электроприводами. Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1999. – 116 с.
Архангельский Н.Л., Виноградов А.Б. Электропривод постоянного тока с импульсным преобразователем. Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1995. – 92с.
Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Системы управления электроприводами. Практ. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2000. – 156 с.
 
Контрольные вопросы
 
1. Чем отличается коэффициент мощности от [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и какие параметры схем выпрямления влияют на его величину?
2. Какие составляющие мощности можно выделить в цепях с несинусоидальной формой тока в сети с выпрямителем?
3. От каких параметров зависит коэффициент полезного действия выпрямителя?
4. Назначение фильтра в звене нагрузки, и из каких элементов он состоит?
5 .Физическое понятие коэффициента сглаживания фильтра?
6. Определить [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]сети в схеме с однофазным мостовым выпрямителем при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
7. Определить [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]сети в схеме с трехфазным нулевым выпрямителем при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
8. Определить величину емкости фильтра в выпрямленном напряжении для однофазной мостовой, трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схем выпрямителей, если известно, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
Ответ:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]С(6)=480 мкФ.













13PAGE 15


13PAGE 149915





Приложенные файлы

  • doc 15861829
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий