Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
2.4.2 Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель Схема получается путем замены диодов на тиристоры в трехфазном мостовом неуправляемом выпрямителе, рисунок 1.5.5. В любой момент вре- мени в проводящем состоянии одновременно могут находиться те два тири- стора, к которым приложено максимальное линейное напряжение. В резуль- 42 тате переключения вентилей к нагрузке попеременно подключаются шесть линейных напряжений. Угол управления отсчитывается от точки естествен- ной коммутации, то есть от момента времени, в который бы открылся диод в неуправляемом трехфазном мостовом выпрямителе. Рис. 1.5.5. При изменении угла управления в диапазоне 3 0 π α ≤ ≤ переход одного линейного напряжения на другое осуществляется в пределах положительной полярности линейных напряжений, поэтому форма кривой выпрямленного напряжения и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузке, рисунки 1.5.6, 1.5.7. Среднее значение вы- прямленного напряжения: ( ) ( ) α ω ω π α π α π α cos cos 3 2 3 1 0 6 6 2 d d U t d t U U = = ∫ + + − , где 43 2 0 34 2 U U d = - среднее значение выпрямленного напряжения при угле управ- ления 0 = α , определяется так же как для неуправляемого трехфазного мос- тового выпрямителя. Рис. 1.5.6. Максимальное обратное напряжение на вентиле, такое же, как в не- управляемой схеме: d U U U 045 1 6 2 обр.max = = Максимальное прямое напряжение: ( ) α sin 6 2 пр.max U U = При увеличении угла управления больше 3 π при работе на активную нагрузку в кривой выпрямленного тока появляются паузы, в течение которых 44 мгновенное значение выпрямленного тока равно нулю. На рисуноке 1.5.6 изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые выпрямленного напряжения для трех значений угла управления при активной нагрузке. Следует отметить, что для работы мостовой схемы необ- ходимо подавать на вентили управляющие импульсы шириной больше 3 π или сдвоенные короткие импульсы. В случае использования одиночных им- пульсов шириной меньше 3 π не обеспечивается работа выпрямителя в режи- ме прерывистых токов. Среднее значение выпрямленного напряжения: ( ) + + = = ∫ + α π ω ω π π α π α 3 cos 1 sin 3 2 3 1 0 3 2 d d U t d t U U Предельный угол управления при работе на чисто активную нагрузку равен 3 2 π При работе управляемого выпрямителя на активно-индуктивную при углах управления больше 3 π в кривой выпрямленного напряжения появля- ются интервалы отрицательного напряжения, рисунок 1.5.7. При увеличении индуктивности нагрузки площадь отрицательных участков увеличивается. При работе на нагрузку с ∞ → L площадь отрицательных участков стремится к площади положительных участков выпрямленного напряжения. Макси- мальный угол управления при работе на чисто индуктивную нагрузку равен 2 π . Среднее значение выпрямленного напряжения при работе на активно- индуктивную нагрузку с непрерывным выпрямленным током: ( ) α α cos 0 d d U U = Среднее значение выпрямленного напряжения при работе на активно- индуктивную нагрузку в режиме прерывистого тока зависит от параметров нагрузки и в каждом конкретном случае описывается своим выражением. 45 Рис. 1.5.7. Схема обладает наилучшими техническими показателями из всех рас- смотренных управляемых выпрямителей, в связи с чем, получила преимуще- ственное применение в системах электропривода средней и большой мощно- сти. Недостатками схемы являются: большое число управляемых вентилей, сложная система управления. На рисунке 1.5.8 приведены регулировочные характеристики трехфаз- ного мостового выпрямителя при работе на чисто активную и чисто индук- тивную нагрузку. 46 Рис. 1.5.8. Регулировочная характеристика выпрямителя при работе на реальную активно-индуктивную характеристику будет располагаться между этих двух характеристик. 1.6 Выпрямители с несимметричным и ступенчатым регулированием выходного напряжения 1.6.1 Выпрямители с нулевым вентилем а) б) VS 1 VS 2 VS 3 VS 4 VD 0 R d L d VD 0 R d L d VS 5 VS 6 VS 2 VS 3 VS 1 VS 4 Рис. 1.6.1. 47 В однофазной мостовой схеме, рисунок 1.6.1, а, анодный ток через ос- новные вентили VS 1 , VS 4 проходит только до момента смены полярности вто- ричного напряжения, рисунок 1.6.2. Во время интервала угла регулирования α энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, замыкается через нулевой диод VD 0 . VD 0 шунтирует нагрузку и на некоторое время разгружает выпря- митель и питающую сеть от тока нагрузки, при этом уменьшается действую- щие значение тока потребляемого из сети, и уменьшается отставание тока от приложенного напряжения в два раза, т. е. на угол 2 α . Рис. 1.6.2 48 В трехфазной схеме, рисунок 1.6.1, б, VD 0 работает только при 3 π α > В кривых выпрямленного напряжения U d , рассмотренных схем, в отличие от схем полностью управляемых выпрямителей, отрицательные участки не по- являются, что значительно расширяет диапазон регулирования и увеличивает коэффициент мощности. Выпрямители с нулевым вентилем делают невозможным изменение направления мгновенной мощности, в связи, с чем применяется только в тех случаях, когда не требуются реверс напряжения на нагрузке и рекуперация энергии. 1.6.2 Полууправляемые выпрямители При замене части тиристоров диодами в схеме полностью управляемых мостовых выпрямителей получаются схемы несимметричных полууправляе- мых выпрямителей, в которых диоды служат только для выпрямления на- пряжения, а тиристоры для выпрямления и регулирования. Замена части ти- ристоров диодами удешевляет и упрощает выпрямитель, за счет удешевления вентильного блока и уменьшения количества каналов управления. На рисун- ке 1.6.3 показаны два варианта схемы однофазного мостового полууправляе- мого выпрямителя. Рис. 1.6.3. В первом варианте, рисунок 1.6.3, а, управляемые вентили катодной группы включаются с углом задержки α, а неуправляемые вентили анодной группы – в точках естественной коммутации. В результате этого на интерва- 49 ле, определяемом углом α, оказываются проводящими два последовательно включенных вентиля одного плеча (VS 1 , VD 1 или VS 2 , VD 2 ), что приводит к замыканию через них тока нагрузки и обесточиванию трансформатора анало- гично замыканию тока нагрузки через нулевой вентиль в выпрямителе с ну- левым вентилем. Соответственно, осциллограммы выпрямленного напряже- ния и зависимость входного коэффициента мощности от степени регулиро- вания такие же в выпрямителе с нулевым вентилем. Особенностью этой схе- мы является невозможность отключения выпрямителя путем снятия управ- ляющих импульсов при работе на активно-индуктивную нагрузку. Если снять импульсы управления в момент, когда проводил вентиль VS 1 , то при положительной полуволне вторичного напряжения ток будет протекать через вентили VS 1 и VD 2 , а при отрицательной ток нагрузки будет замыкаться через VD 1 и VS 1 , выполняющие функции нулевого диода, рисунок 1.6.4. Таким об- разом, вентиль VS 1 постоянно будет проводить ток и не сможет восстановить свои запирающие свойства. Для отключения такой схемы необходимо либо организовать перевод выпрямителя в режим прерывистого тока с помощью увеличения угла управления либо ввести в схему нулевой вентиль, который зашунтирует два последовательно включенных вентиля VS 1 , VD 1 , и обесто- чив, их даст возможность тиристору восстановить управляющие свойства. Рис. 1.6.4. 50 Указанный недостаток отсутствует во втором варианте однофазного мостового полууправляемого выпрямителя, рисунок 1.6.3, б. Так как одно плечо выполнено на диодах, на интервале работы этого плеча в режиме нуле- вого вентиля, тиристоры другого плеча успевают восстановить запирающие свойства и больше не включатся, если с них сняты импульсы управления. Недостатками этой схемы являются: неравномерность загрузки управляемых и неуправляемых вентилей, необходимость двух развязанных каналов управ- ления. Рис. 1.6.5. Режим работы схемы трехфазного полууправляемого выпрямителя, ри- сунок 1.6.5, различен при α <60 и α >60 градусов. При α <60 схема не дает выигрыша в коэффициенте мощности по срав- нению с полностью управляемой схемой, т.к. уменьшение отставания пер- вичного тока от напряжения сопровождается ухудшением его формы, рису- нок 1.6.6. При α >60 кривая выпрямленного напряжения имеет площадки нулево- го напряжения, вследствие того, что во время этих интервалов два последо- вательных вентиля плеча выполняют функцию нулевого диода, рису- нок 1.6.5. Что увеличивает коэффициент мощности даже больше чем в пол- ностью управляемом трехфазном мостовом выпрямителе с нулевым венти- 51 лем. Во всем диапазоне изменения α среднее значение выпрямленного на- пряжения описывается одним выражением: ) cos 1 ( 2 α α + ⋅ = do U d U Рис. 1.6.6. Существенными недостатками несимметричных трехфазных выпрями- телей по сравнению с симметричными являются: в два раза меньшая частота пульсаций основной гармоники выпрямленного напряжения, невозможность отключения выпрямителя простым снятием управляющих импульсов, невоз- можность изменения полярности напряжения на нагрузке и рекуперации энергии. 2.5.3 Управляемые выпрямители со ступенчатым регулированием вторичного напряжения Если диапазон изменения напряжения на нагрузке меньше либо равен двум, то для уменьшения пульсаций и улучшения энергетических показате- лей выпрямителя применяют выпрямители со ступенчатым регулированием вторичного напряжения. Улучшение коэффициента мощности обеспечивает- ся за счет перехода к меньшим значениям вторичного напряжения трансфор- 52 матора по мере снижения выпрямленного напряжения, что позволяет рабо- тать с меньшими углами. Рис. 1.6.7. При двух ступенях вторичного напряжения регулирование выпрямлен- ного напряжения осуществляется в два этапа. В схеме однофазного двухпо- лупериодного выпрямителя с нулевым выводом, рисунок 1.6.7, на первом этапе внутренние вентили ' 1 VS , ' 2 VS включаются с углом 0 ' = α , а внешние вентили VS 1 , VS 2 с регулируемым углом α = 0…180. Рис. 1.6.8. 53 На втором этапе вентили VS 1 , VS 2 не включаются, а дальнейшее сниже- ние выпрямленного напряжения обеспечивается за счет регулирования углов включение тиристоров ' 1 VS , ' 2 VS , рисунок 1.6.8, а. Увеличение числа отводов трансформатора позволяет улучшить коэф- фициент мощности в большом диапазоне изменения выпрямленного напря- жения, однако это достигается за счет усложнения трансформатора и увели- чения числа вентилей. Схема также позволяет уменьшить величину сглажи- вающего дросселя, обеспечивающего режим непрерывного тока. Рис. 1.6.9. Принцип работы трехфазных выпрямителей со ступенчатым регулиро- ванием вторичного напряжения, рисунок 1.6.9 аналогичен, рисунок 1.6.8, б. 1.7 Сглаживающие фильтры выпрямителей Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, ко- торый требуется по условиям эксплуатации устройств питаемых от выпрями- теля, на выходе выпрямителей устанавливают сглаживающие фильтры. Оценку сглаживающего действия фильтра производят по величине его коэффициента сглаживания. Коэффициент сглаживания фильтра по гармони- 54 ке пульсаций q принято считать отношение коэффициента пульсации на вхо- де фильтра: d q m q П U U K ′ ′ = ′ ) ( ) ( , к коэффициенту пульсаций на его выходе: d m П U U K ) 1 ( ) 1 ( = Обычно коэффициент пульсаций определяют по основной или низшей гар- монике. Тогда коэффициент сглаживания: ф сг K K ⋅ = λ ) 1 ( , где d d U U ′ = λ - коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения; d U ′ , d U - постоянные составляющие напряжения на входе и выходе фильтра; ) 1 ( ) 1 ( m m ф U U K ′ = - коэффициент фильтрации, учитывает уменьшение амплитуды пульсации основной гармоники на выходе фильтра; ) 1 ( m U ′ , ) 1 ( m U - амплитуда пульсации основной гармоники на входе и выходе выпрямителя. Для фильтров выпрямителей большой мощности 99 0 = λ , для малой 95 0 91 0 ÷ = λ . Для фильтров без потерь коэффициент сглаживания равен ко- эффициенту фильтрации. Малые потери и высокую эффективность сглаживания пульсаций вы- прямленного напряжения обеспечивают индуктивно-емкостные фильтры. 1.7.1 Г-образный фильтр Дроссель Г-образного фильтра, рисунок 1.7.1, сглаживает пульсации выпрямленного тока, переменная составляющая которого протекает через конденсатор, сглаживающий пульсации напряжения. Величины индуктив- 55 ности дросселя L и емкости конденсатора C оп- ределяют коэффициент фильтрации фильтра: 1 2 2 − ⋅ ⋅ ⋅ = C L m K П ф ω , (1.7.1) где П m – число пульсаций выпрямленного на- пряжения за период напряжения питающей сети; f ⋅ ⋅ = π ω 2 – круговая частота питающей сети; f - частота питающей сети. Значение индуктивности дросселя находится из условия непрерывно- сти тока в нем: T d k R L > , где 2 / ) 1 ( 2 − ⋅ ⋅ = П П T m m k ω - коэффициент, зависящий от вида выпрямителя и частоты питающей сети. Емкость конденсатора определяют из выражения (1.7.1). Рис. 1.7.2. Для получения больших коэффициентов фильтрации применяют мно- гозвенные LC фильтры, рисунок 1.7.2. Как правило, из технологических со- ображений однотипные элементы всех звеньев выбирают одинаковыми, при этом: 2 2 ω ⋅ = П n ф m K LC , где n – число звеньев фильтра. Рис. 1.7.1. 56 Если основным критерием является минимальная стоимость фильтра то при K ф >50 следует применять двухзвенные, а при K ф >220 – трехзвенные фильтры. 1.7.2 Резонансные фильтры Резонансные фильтры обладают высокими коэффициентами фильтра- ции для определенных гармоник. Они основаны на явлениях резонанса то- ков – фильтры пробки и резонанса напряжений - режекторные фильтры. Ре- зонансные фильтры имеют значительно меньшие массогабаритные показате- ли и более дешевы по сравнению с обычными LC фильтрами. Фильтры пробки, рисунок 1.7.3, включают вместо дросселя в LC фильтре. C p R c R L C U’ d U d Рис. 1.7.3 Коэффициент фильтрации такого фильтра для любой гармоники: ) ( C L р П ф R R C C L m q K + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = , где q – номер гармоники; R L и R C – активные сопротивления, учитывающие потери в дросселе и конденсаторе резонансного контура. Применяя цепочку фильтров пробок, каждая из которых настроена в резонанс на определенную гармонику, осуществляют фильтрацию несколь- ких гармоник. Режекторные фильтры, рисунок 1.7.4, широко применяются для сгла- живания пульсаций в мощных выпрямительных установках. Каждый из па- раллельно включенных резонанс контуров настраивается в резонанс на 57 C 1 L 1 L 2 C 2 C 0 U’ d U d L R 1 R 2 Рис. 1.7.4 частоте определенной гармоники. При этом его сопротивление для данной гармоник оказывается чисто активным (например Z 1 =R 1 =R L1 +R C1 ) и незначи- тельным. Напряжение соответствующей гармоники на нагрузке практически отсутствует и прикладывается к дросселю L. Конденсатор C 0 служит для фильтрации тех гармоник, для которых нет резонансных контуров. Коэффициент фильтрации режекторного фильтра ) ( C L П ф R R L m q K + ⋅ ⋅ ⋅ = ω Недостатком резонансных фильтров являются необходимость индук- тивной настройки каждого фильтра и снижение коэффициента фильтрации при изменении частоты источника питания. Кроме того, при изменениях тока нагрузки из-за изменения индуктивности дросселя неизбежна расстройка ре- зонансного контура. |