Мартынов_силаI. А. А. Мартынов силовая электроника
 Скачать 4.22 Mb.
|
|
Коэффициент полезного действия выпрямителя , d d P P P η ∆ = + å (где Р – суммарная мощность потерь выпрямителя ∑ Р = ∆Р тр + ∆Р др + ∆Р в ; ∆Р тр = Р + ∆Р м ; ∆Р тр – потери в трансформаторе; ∆Р c – потери встали трансформатора; ∆Р м – потери в меди трансформатора; ∆Р др = I 2 d R L – потери в меди дросселя 82 ∆Р в – потери в вентилях выпрямителя: ∆Р в = k т I d ∆U в.пр + k т I 2 в.д R в.дин ; (124) I в.д – действующее значение тока, протекающего через вентиль. Вопросы для самоконтроля. Укажите, как следует рассчитывать КПД выпрямителя. Как рассчитать потери мощности на элементах схемы выпрямителя, укажите формулы для их расчета 83 2. ЗАВИСИМЫЙ ИНВЕРТОР. Работа выпрямителя в режиме зависимого инвертирования Зависимые инверторы, как уже отмечалось, представляют собой управляемые преобразователи с естественной коммутацией, используемые в этом режиме непрерывно или при чередовании с выпрямительным режимом, например в реверсивном электроприводе постоянного тока. Так, при работе машины постоянного тока двигателем питающий ее преобразователь работает выпрямителем, и электроэнергия поступает из сети переменного тока к машине. Когда машина переходит в генераторный режим (торможение, движение электропоезда под уклонит. д, преобразователь работает зависимым инвертором, передавая энергию, генерируемую машиной, в сеть переменного тока. Перевод выпрямителя в режим зависимого инвертирования Рассмотрим перевод управляемого выпрямителя в инверторный режим на примере трехфазного мостового тиристорного преобразователя, нагруженного на машину постоянного тока, схема которого представлена на рис. 25. При работе преобразователя в выпрямительном режиме ток в машине протекает навстречу ее противоЭДС E d под действием выпрямленного напряжения Рис. 25. Трехфазная мостовая схема зависимого инвертора МПТ – машина постоянного тока ОВ – обмотка возбуждения VS3 VS5 VS4 VS6 VS2 T A B C ÌÏÒ Î I ΠL d + – I d E d U d α < π/2 α < π/2 I d E d U d Âûïðÿ- ìèòåëüíûé Èíâåð- òîðíûé Ðåæèìû a b c Принципиально изменение направления потока энергии может быть достигнуто путем изменения направления тока или ЭДС машины. Однако вследствие односторонней проводимости тиристоров переход к инверторному режиму путем изменения направления тока в данной схеме не может быть осуществлен. Поэтому для перехода к инверторному режиму необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины E d и напряжения преобразователя так, чтобы E d > U d , а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное направление. Электрическая машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого необходимо к валу этой машины подвести механическую энргию от внешнего источника механической энергии (постороннего двигателя. Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника электрической энергии. Изменение полярности ЭДС на зажимах машины постоянного тока может быть осуществлено путем изменения направления тока в обмотке возбуждения или переключением полярности якорных выводов. Изменение полярности напряжения преобразователя осуществляется установкой таких углов управления α > π/2, при которых вентили естественно коммутируют и проводят ток при отрицательном напряжении питающих фаз. В результате для перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования необходимо установить угол регулирования α > π/2; – изменить полярность ЭДС машины постоянного тока к валу машины приложить вращающий момент, обеспечивающий ее работу в генераторном режиме увеличить ЭДС машины так, чтобы E d > U d при допустимой величине тока вцепи обмотки якоря. Электромагнитные процессы Рассмотрим диаграммы токов и напряжений в схеме зависимого инвертора, представленные на рис. 26, при общепринятых допущениях. Пусть проводят ток вентили VS5 и VS6, примем угол регулирования. В момент времени на вентиль VS1 подается управляющий сигнал. Поскольку линейное напряжение а выше с, произойдет естественная коммутация тока с вентиля VS5 на вентиль VS1. Из-за наличия реактивного сопротивления в контуре коммутации коммутация длится в течение угла γ. Величина мгновенного напряжения преобразователя u d в интервале коммутации определяется полусуммой линейных напряжений (ас. Аналогичным образом через 60° в точке произойдет коммутация с вентиля VS6 на вентиль VS2 и т. д При анализе инверторного режима для отсчета угла регулирования более удобно пользоваться не значением угла α, а сопряженным углом, который принято называть углом опережения. Угол опережения отсчитывается от точек предельной коммутации k 2 , l 2 , m 2 , представляющих точки пересечения отрицательных полуволн линейных на пряжений. Для осуществления естественной коммутации, при которой ток переходит от вентиля с меньшим потенциалом анода к вентилю с более высоким потенциалом анода, необходимо, чтобы открытие очередного вентиля происходило с некоторым опережением относительно точек предельной коммутации. Это опережение должно учитывать как угол коммутации γ, таки угол выключения вентиля δ, предоставляемый для восстановления запирающих свойств, те. После вступления в работу очередного вентиля потенциал Рис. 26. Временные диаграммы, поясняющие работу зависимого инвертора анода предшествующего вентиля начинает увеличиваться, принимая положительные значения. Изложенное иллюстрируется построенной на рис. 26 (утолщенный контур) кривой мгновенного напряжения в на вентиле VSI. Построение данной кривой осуществляется также, как для выпрямительного режима (см. под- разд. 1.8), форма ее характерна тем, что на большей части периода напряжение на запертом вентиле положительное, и только в течение угла δ оно отрицательное. При положительном в заточкой вентиль VS1 может вновь открыться, если к этому времени в нем не будет восстановлена управляемость (блокирующая способность. При таком повторном открытии вентиль будет пропускать ток в течение положительного полупериода линейных напряжений, в результате чего инвертор опрокидывается – образуется аварийное короткое замыкание сети и машины при согласном направлении их ЭДС. Для надежной коммутации очередной вентиль должен открываться с опережением относительно точек предельной коммутации на угол = γ + з, где з – коэффициент запаса устойчивости коммутации, принимаемый практически 1,5–3,0; t q – время восстановления управляющей способности вентиля, приводимое в паспортных данных тиристора и равное, например для тиристоров типа ТЛ, 20–50 мкс. С учетом условий перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования, изложенных выше, в выражении внешней характеристики выпрямителя (116) при переводе выпрямителя в режим инвертирования должны измениться знаки перед напряжением (напряжением источника постоянного тока) и перед напряжением подпора вентильного блока, U d0 cosα, поскольку угол α > 90° и cosα имеет отрицательный знак. Нетрудно видеть, что в инверторном режиме все члены формулы (107) имеют отрицательный знак. Введем угол опережения β = 180° – α. Умножив правую и левую части этого уравнения на –1, получим выражение внешней характеристики зависимого инвертора 0 ô ô â.ïð cos d d õ R L U U U U U U β ∆ ∆ ∆ ∆ = + + + + , (126) где х, ∆U R ф, ∆U L ф, ∆U в.пр – те же падения напряжения, что ив формуле (116). После подстановки значений х, ∆U R ф, ∆U L ф, ∆U в.пр в формулу (126) получим 2 0 ô ô ô â.ïð 2 cos , d d d d L k m U E U I x R R U β ∆ π æ ö÷ ç = = + + + + ÷ ç ÷ çè ø (127) где U d = E d – напряжение источника постоянного тока – ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока 2 ô ô ô 2 cos d d d L E U U I k m x R R β ∆ π - - = + + (128) Нетрудно видеть, что для увеличения тока I d , а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо увеличивать напряжение источника постоянного тока (U d = E d ) (при постоянном угле β) или уменьшать угол β (при постоянном напряжении источника постоянного тока. Внешняя характеристика зависимого инвертора U d = f(I d ) при постоянных значениях угла β приведена на рис. Важным параметром, определяющим устойчивость работы зависимого инвертора, является угол з. На интервале, определяемом углом з, к выключаемому тиристору приложено отрицательное напряжение (см. рис. Для устойчивой работы инвертора необходимо, чтобы угол з превышал угол, необходимый для восстановления запирающих свойств тиристора, который при частоте 50 Гц находится в пределах где t q – время, необходимое для восстановления управляющих свойств тиристора; Т с = 1/f c , при f c = 50 Гц Т с = = 0,02 с. Рис. 27. Внешние характеристики в режиме выпрямления (0 < α< 90°) ив режиме инвертирования (90° < α< 180°) I a α 1 = 0° α 2 > α 1 α 4 = 90 ° U d α 3 > α 2 α 5 > 90 ° α 6 > α 5 α 7 > α 6 I d Îãðàíè÷èòåëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà Как видно из рис. 26: з = β – γ. (С увеличением тока I d при неизменном угле опережения β угол коммутации γ возрастает и, следовательно, угол з уменьшается и может достигнуть при определенном токе минимально допустимого значения. Это и определяет допустимый ток инвертора I d . Угол з уменьшается также при постоянном I d , уменьшении β и соответствующем увеличении противоЭДС инвертора. Следовательно, чем больше противоЭДС, тем меньше допустимый инвертируемый ток. Зависимость противоЭДС инвертора U d от допустимого инверти- руемого тока I d приз называют ограничительной характеристикой, выражение которой ô2 ô 3 6 ( cos ). d d U U I x δ π = - - (130) Ограничительная характеристика приведена на рис. Вопросы для самоконтроля. Дайте определение понятию зависимый инвертор. Перечислите условия перевода управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Укажите способы регулирования мощности, отдаваемой зависимым инвертором в сеть переменного тока. Дайте определение понятию ограничительная характеристика. Коэффициент мощности зависимого инвертора В зависимых инверторах, в отличие от выпрямителей, активная мощность передается из цепи постоянного тока в сеть переменного тока, и эту мощность следует считать отрицательной. Соответственно, поскольку в интервалах α > π/2 и угол ϕ (1) > π/2, коэффициент сдвига cosϕ (1) также является отрицательным. Однако коэффициент мощности всегда считается положительной величиной, и поэтому в выражение коэффициента мощности зависимого инвертора 1 1 èñê ñäâ 1 ( ) P x k k S = = следует подставлять абсолютные значения P 1(1) и cosϕ (1) . С учетом α = π – β для зависимого инвертора èñê 2 cos x k γ β æ ö÷ ç = - ÷ ç ÷ çè ø (131) Коэффициент искажения формы тока при мгновенной коммутации (когда форма тока прямоугольна) для трехфазной мостовой схемы преобразователя равен 3/π = 0,955. С увеличением угла коммутации коэффициент искажения повышается так, при γ = 40° величина коэффициента искажения формы тока увеличивается до 0,966. Из выражения (131) видно, что коэффициент мощности зависимого инвертора повышается приуменьшении угла β. Однако, как было показано выше, уменьшение β приводит к уменьшению угла з = β – γ и, соответственно, к увеличению вероятности опрокиды- ваний инвертора. Коэффициент полезного действия зависимого инвертора 1 , d d d d P P P P P P P η - = = = -где P d = U d I d – мощность, потребляемая инвертором от источника электрической энергии постоянного тока = m 1 U 1 I 1 χ – активная мощность, отдаваемая инвертором в сеть переменного тока; ΣP п – сумма потерь мощности инвертора. Составляющие п определяются по тем же расчетным соотношениям, что и для выпрямительного режима. Вопросы для самоконтроля. Укажите отличие в формуле расчета коэффициента мощности управляемого выпрямителя и зависимого инвертора. Укажите отличие в формуле расчета КПД управляемого выпрямителя и зависимого инвертора 90 3. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ. Основные понятия о сглаживающих фильтрах Сглаживающие фильтры применяются для сглаживания (подавления) пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем. Как было показано в разд. 1, выпрямленное напряжение представляет собой пульсирующую кривую, содержащую постоянную полезную) и переменную (помеху) составляющие. Переменная составляющая выпрямленного напряжения является периодической функцией времени, гармонический состав которой определяется фазностью (m 2 ) и тактностью (т) схемы выпрямления. Амплитуды высших гармоник зависят от угла регулирования и от угла комму- тации. Количественно величина пульсации оценивается коэффициентом пульсации п. Как уже сказано, коэффициент пульсации можно определить аналитически как отношение амплитуды низшей первой) гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его среднему значению, где k – номер низшей гармоники пульсаций по отношению к ча- стоте. Коэффициент пульсации можно определить графоаналитичес- ким способом по предварительно построенной временной диаграмме выпрямленного напряжения. По этой временной диаграмме необходимо определить максимальное (U dm max ) и минимальное (U dm min ) мгновенные значения выпрямленного напряжения и частное отделения полуразности максимального и минимального значений выпрямленного напряжения к полусумме этих величин ï max min max Следует отметить, что величина коэффициента пульсации, определенная по формуле (134), оказывается завышенной по сравнению с величиной коэффициента пульсации, определенной по формуле (133), которая является более точной Коэффициент пульсации выходного напряжения любого выпрямителя (п) при заданном значении угла регулирования α определяется по приведенной выше формуле (59): 1 2 2 ï1 ò 2 2 ò 2 2 1 tg 1 ( ) cos ( ) ( ) m d U k k m U k Оценка сглаживающего действия фильтра обычно производится по величине его коэффициента сглаживания s, который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтрате. на выходе выпрямителя) пи коэффициента пульсации на выходе фильтрате. на нагрузке) п s = п k п2 (135) Величина коэффициента п обычно задается при проектировании выпрямителя. Расчет значения коэффициента сглаживания по формуле (135) не учитывает возможное падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя сглаживающего фильтра при протекании по нему тока нагрузки. Это падение напряжения принято оценивать коэффициентом передачи фильтра = где U d – напряжение постоянного тока на выходе фильтра (на нагрузке напряжение постоянного тока на входе фильтра (на выходе выпрямителя). Величина коэффициента передачи для фильтров выпрямителей большой мощности λ ≈ 0,99, малой мощности λ ≈ 0,91–0,95, для фильтров без потерь λ = Таким образом, при расчете коэффициента сглаживания фильтра по формуле (135) принято λ = 1. Выполнение инженерных расчетов сглаживающих фильтров по формуле (135) практически не приводит к появлению каких-либо значимых погрешностей. Перечислим основные требования, которые предъявляются к сглаживающему фильтру) фильтр не должен существенно изменять режим работы самого выпрямителя) фильтр должен обеспечивать заданную величину коэффициента сглаживания напряжения на нагрузке во всех оговоренных режимах работы выпрямителя Кроме этого, к фильтру предъявляется еще ряд требований и ограничений, носящих в основном конструктивный и эксплуатационный характер (вес, габариты, КПД и т. д.). Выполнение первого требования достигается в основном соответствующим выбором схемы фильтра и должно учитываться при расчете его параметров. Так, например, емкостной фильтр или фильтр с емкостным входным звеном в мощных выпрямительных установках применять не рекомендуется, так как указанные типы фильтров ухудшают форму токов, протекающих через вентили и трансформатор, в результате чего возрастают потери в них и повышается их установленная мощность. Кроме этого, резко увеличивается доля высших гармоник в кривой переменного тока, потребляемого выпрямителем из питающей сети. Наличие емкости на выходе управляемого выпрямителя недопустимо и сточки зрения регулирования выходного напряжения, так как в этом случае ток на выходе выпрямителя может стать прерывистыми условия нормальной работы выпрямителя нарушаются. Емкостной фильтр находит применение в выпрямителях малой мощности, для которых высокие значения энергетических показателей не являются определяющими. Кроме этого, в современных частотно-управляемых электроприводах переменного тока, выполняемых на преобразователях частоты со звеном постоянного тока, применяется неуправляемый выпрямитель, на выходе которого, как правило, устанавливается емкостной фильтр. На рис. 28 приведены три типа сглаживающих фильтров емкостной, или С-фильтр; – индуктивный, или фильтр индуктивно-емкостной, или фильтр. Рис. 28. Сглаживающие фильтры а – емкостной б – индуктивный в – индуктивно-емкостной |