Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
1.7.3 Фильтр с компенсацией переменной составляющей Фильтр с компенсационной обмоткой K W (рисунок 1.7.5) обеспечивает лучшее сглаживание пульсаций, чем обычные LC-фильтры. Обмотка K W создает ЭДС. частично компенсирующую напряжение пульсаций на конденсаторе. Эффект компенсации особенно заметен при больших токах нагрузки, когда трудно выполнить дроссель большой индук- тивности. 58 U d C U d L k W Рис. 1.7.5 Компенсационная обмотка позволяет уменьшить намагничивание дросселя, что равносильно увеличению магнитной проницаемости материала сердечника и индуктивности дросселя. Полной компенсации переменных со- ставляющих напряжения получить не удается, так как практически нельзя добиться сдвига фаз между напряжениями в основной и компенсационных обмотках дросселя точно на 180°. 1.8 Процессы коммутации в выпрямителях, коэффициент мощности и КПД 1.8.1 Процессы коммутации в выпрямителях Коммутации представляют собой процесс пе- реключения тока с одного вентиля на другой. По- скольку в трансформаторе и питающей сети имеет- ся индуктивность рассеяния процесс коммутации протекает в течении некоторого промежутка време- ни. Это время является важной характеристикой выпрямителя с числом фаз больше двух и называет- ся углом или периодом коммутации. Процессы коммутации оказывают значительное влияние на характеристики и форму выпрямленного напряже- ния. На схеме, рисунок 1.8.1, индуктивность рас- сеяния трансформатора учтена введением дросселя соответствующей индук- тивности. На рисунке 1.8.2 представлены временные диаграммы работы схе- мы. В момент времени t 1 вентиль VD 1 должен был выключиться, но э. д. с. самоиндукции, вызванная индуктивным сопротивлением X L , препятствует Рис. 1.8.1. 59 уменьшению тока через вентиль VD 1 , и ток будет уменьшаться не мгновенно, а в течение времени коммутации γ. В то же время должен был включиться тиристор VD 2 , но индуктивность рассеяния замедляет процесс нарастания то- ка. В результате на интервале коммутации ток распределяется между одно- временно открытыми вентилями. Рис. 1.8.2. Выпрямленное напряжение в этом случае будет меньше, чем при γ = 0 и равно: m X I U U L d d d π 2 0 ⋅ − = 60 1.8.2 Коэффициент мощности выпрямителя При работе устройства от сети переменного тока важно знать характер потребляемой им мощности. Наиболее благоприятным режимом является по- требление активной мощности. Это означает, что при синусоидальном на- пряжении сети потребляемый ток так же синусоидален и не имеет фазового сдвига относительно питающего напряжения. Однако в выпрямителях сред- ней и большой мощности потребляемый ток не синусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды напряжения сети. Наличие фа- зового сдвига свидетельствует о том, что выпрямитель потребляет от сети помимо активной мощности также реактивную мощность. Потребление реак- тивной мощности и наличие в кривой тока высших гармоник приводит к уве- личению действительного значения тока сети и увеличению потерь при пере- даче энергии к выпрямительной установке. Это явление характеризуется ко- эффициентом мощности выпрямителя: 1 1 S P K M = , где ϕ cos 1 1 1 ⋅ ⋅ = I U P – активная мощность, потребляемая выпрямителем. Ес- ли не учитывать потери энергии в выпрямителе, активная мощность равна мощности отдаваемой в нагрузку; 1 1 1 I U S ⋅ = – полная мощность, потребляемая из сети. Так как 2 ) ( 1 2 ) 3 ( 1 2 ) 1 ( 1 1 q I I I I + + + = , значит 2 ) ( 1 2 ) 3 ( 1 2 ) 1 ( 1 1 1 q I I I U S + + + = , следовательно, коэффициент мощности: 61 ( ) ϕ ϕ cos ) cos( * 2 ) ( 1 2 ) 3 ( 1 2 ) 1 ( 1 1 K I I I I K q м = + + + = cos(φ) – коэффициент сдвига первой гармоники тока. Угол сдвига φ зависит от угла регулирования α и угла коммутации γ. При индуктивной нагрузке стремящейся к бесконечности φ=α+γ/2, следовательно ) 2 cos( ) cos( γ α ϕ + = ; K – коэффициент искажений, зависит от схемы выпрямителя и характера на- грузки, так как от них зависят амплитуды и действующие значения гармоник в кривой тока I 1 Без учета процессов коммутации для однофазных двухполупериодных выпрямителей: 9 0 2 2 ≈ = π K , следовательно ) 2 cos( 9 0 ϕ α + ⋅ = м K Для трехфазного мостового 955 0 3 ≈ = π K , следовательно ) 2 cos( 955 0 ϕ α + ⋅ = м K При одинаковых параметрах нагрузки и том же угле управления α ко- эффициент мощности на 5.5% выше у трехфазной мостовой схемы по срав- нению с однофазными двухполупериодными схемами. Регулирование вы- прямленного напряжения в сторону уменьшения приводит к уменьшению 62 коэффициента мощности, что сказывается на загрузке питающей сети реак- тивным током индуктивного характера. Для улучшения качества потребляе- мой из сети энергии принимают меры по компенсации отрицательного воз- действия выпрямителей на питающую сеть. Для этого к сети питающей вы- прямитель подключают генераторы реактивной мощности, например, син- хронные компенсаторы или батареи конденсаторов. Применение сетевых фильтров исключающих из питающей сети высшие гармоники тока также благоприятно сказываются на повышении коэффициента мощности выпря- мительной установки. 1.8.3 Коэффициент полезного действия Коэффициент полезного действия (КПД) характеризуется отношением активной мощности, отдаваемой в нагрузку, к полной активной мощности, потребляемой из сети: ∑ ∆ + = P P P d d η , где P ∆ - суммарная мощность потерь, включающая в себя потери в вентилях в P ∆ , силовом трансформаторе тр P ∆ , сглаживающем дросселе др P ∆ , делителях напряжения и тока, если имеются, а также потери собственных нужд. Потери в вентилях в P ∆ складываются из потерь на переключение и по- терь от протекания прямого тока. При работе на частоте 50 Гц потери на пе- реключение можно не учитывать: a a I U m P ⋅ ∆ ⋅ = ∆ в в , где в m - количество вентилей; a U ∆ , a I ∆ - падение напряжения на вентиле и средний ток через него. Потери в силовом трансформаторе складываются из потерь на пере- магничивание сердечника трансформатора c P ∆ и активных потерь от проте- кания тока через обмотки м P ∆ : 63 м тр P P P с ∆ + ∆ = ∆ Потери мощности в сглаживающем дросселе определяются главным образом активным сопротивление его обмотки: др 2 д R I P d ⋅ = ∆ Коэффициент выпрямительной установки часто представляют в виде произведения КПД трансформатора и КПД выпрямительной схемы: вс тр η η η ⋅ = КПД выпрямительной схемы примерно равен КПД используемых вен- тилей: a d d вс U U U ∆ + ≈ η Падение напряжения на вентилях изменяется незначительно, поэтому с увеличением среднего значения выпрямленного напряжения оказывает меньшее влияние, чем КПД трансформатора. При небольших значениях вы- прямленного напряжения большее влияние оказывает падение напряжения на вентилях, в связи с чем, рациональнее оказываются схемы с меньшим коли- чеством вентилей в контуре протекания тока. 1.9 Системы управления вентильными преобразователями Системы управления предназначены для формирования управляющих импульсов определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи на управляющий электрод вентилей преобразо- вателя. Требования, предъявляемые к системам управления, определяются ти- пом вентилей, режимом работы (выпрямительный, инверторный) и характе- ром нагрузки на которую он работает. Основный требования: 64 - достаточная для надежного отпирания вентиля амплитуда напряжения и то- ка управляющих импульсов; - крутизна фронта управляющих импульсов; - ширина диапазона регулирования, определяемая типом преобразователя, режимом работы и характером нагрузки. Системы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса фазу которого можно регулировать, называют системами импульс- но-фазового управления (СИФУ). В зависимости от того в одном или не- скольких каналах управления вырабатываются управляющие импульсы, раз- личают одно и многоканальные системы управления, в зависимости от прин- ципа изменения фазы управляющего импульса различают горизонтальные и вертикальные СИФУ. Системы управления также могут быть синхронными и асинхронными. При синхронном импульсно фазовом управлении угол смещения управляющего импульса отсчитывается от определенного значения фазы се- ти питающей преобразователь. Синхронное управление является на настоя- щий момент общепринятым. При асинхронном импульсно фазовом управле- нии угол подачи управляющего импульса не связан в явном виде с напряже- нием сети, т.е. не синхронизирован с сетью. Рис. 1.9.1. При горизонтальном управлении управляющие импульсы формируют- ся в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, а изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения, т.е. смещение напряжения по горизонтали. Блок схема горизонтальной СИФУ показана на рисунке 1.9.1. Фазовращатель (ФВ) обеспечивает формирование переменного напряжения U фв , смещенного во времени на угол управления, относительно напряжения сети U с . Нуль орган (НО) выдает узкий импульс U фсу в момент перехода U фв через ноль. Далее через гальваническую развязку (ГР) сигнал управления поступает на формирователь импульсов (ФИ), обес- 65 печивающий формирование отпирающего импульса U отп , необходимой для отпирания тиристора формы, амплитуды и длительности. o 0 o 180 Рис. 1.9.2. На рисунке 1.9.2 приведена схема и векторная диаграмма мостового фазовращателя. Изменение фазы выходного напряжения U cd от 0 до 180 эл. гр. осуществляется при помощи изменения сопротивления переменного ре- зистора R. Рис. 1.9.3. При вертикальном управлении, рисунок 1.9.3, управляющие импульсы формируются в результате сравнения опорного U оп (синусоидального, пило- образного, и т.д.) и управляющего напряжений U упр . В момент равенства этих напряжений формируется импульс U фсу , рисунок 1.9.4. Генератор опорного напряжения (ГОН) совместно со схемой сравнения (СС) представляют собой фазосдвигающее устройство (ФСУ). С ФСУ импульс U фсу через гальваниче- скую развязку поступает на формирователь импульсов (ФИ), который фор- мирует отпирающий импульс U отп , необходимой для отпирания тиристора амплитуды и длительности. Фаза управляющего импульса изменяется путем изменения уровня управляющего напряжения. 66 Рис. 1.9.4. Для обеспечения высокой точности и помехозащищенности применяют цифровые системы управления, блок схема приведена на рисунке 1.9.5. В данном случае управляющий сигнал задается в виде кода фазы отпирающего импульса Y упр . Вместо опорного напряжения используется линейно увеличи- вающийся или уменьшающийся код счетчика (СЧ), на суммирующий или вычитающий вход которого поступают импульсы генератора (Г). В момент равенства кода счетчика и кода фазы отпирающего импульса компаратор (К) выдается импульс, который далее через гальваническую развязку поступает на формирователь импульсов. Рис. 1.9.5. 67 Требования к длительности импульса управления зависят от типа вен- тиля и режима его работы в преобразователе постоянного тока. Для тиристо- ров как правило применяют узкие импульсы управления специальной фор- мы, рисунок 1.9.4. В трехфазной мостовой схеме возможно два вида импуль- сов управления: широкие - шириной больше 3 π и узкие - сдвоенные короткие импульсы разнесенные на 3 π . Длительность и амплитуда узкого импульса подбирается из условия обеспечения нарастания тока за время отпирающего импульса до тока удержания. Длительность широкого импульса выбирают исходя из условия обеспечения режима прерывистых токов. Для транзисто- ров применяют широкие импульсы управления, задающие время открытого состояния. Для полностью управляемых тиристоров применяют два узких импульса: положительной полярности, задающий момент включения, и от- рицательный, переводящий тиристор в закрытое состояние. Для разделения системы управления с низким уровнем напряжения и силовой схемы преобразователя с высоким уровнем напряжения, опасным для системы управления и человека применяют гальваническую развязку. Существует два вида гальванической развязки: трансформаторная и опто- электронная. Рис. 1.9.6. Передача узкого управляющего импульса легко реализуется при помо- щи высокочастотного импульсного трансформатора, рисунок 1.9.6, а. Для обеспечения крутого фронта при передаче широкого импульса управления через трансформатор, передачу широкого импульса заменяют передачей эк- вивалентной пачки узких импульсов, рисунок 1.9.6, б. 68 Оптоэлектронная развязка основана на ис- пользовании свойств оптрона, состоящего из све- тодиода, преобразующего электрический импульс в световой и фотодиода, преобразующего световой импульс в электрический, рисунок 1.9.7. После оп- трона для отпирания тиристора устанавливают формирователь управляюще- го импульса, не развязанный с силовой схемой либо вместо оптрона исполь- зуют оптотиристор. 1.10 Выпрямители на полностью управляемых вентилях Рассмотренные управляемые выпрямители на вентилях с неполным управлением характеризуются тем, что вентили запираются прикладываемым обратным напряжением, что получило название естественной коммутации. Недостаток этих схем выпрямления заключается в том, что задержка вклю- чения вентилей на угол управления α приводит к потреблению из питающей сети реактивной мощности и снижению входного коэффициента мощности выпрямителя с ростом угла управления. Коммутация токов в схемах выпрямления на вентилях с полным управ- лением, способных включаться и выключаться от воздействие по цепи управления при наличие на вентиле прямого напряжения, называется прину- дительной коммутацией. 1.10.1 Выпрямители с опережающим фазовым регулированием УСЭ A B C VT 6 VT 4 VT 2 VT 1 VT 3 VT 5 С ф С ф С ф R d L d Рис. 1.10.1. Рис. 1.9.7. 69 Схема трехфазного мостового выпрямителя на запираемых тиристорах, рисунок 1.10.1, дополнена устройством для сброса накопленной энергии (УСЭ) из индуктивностей рассеивания реального трансформатора. Очеред- ной вентиль отпирается в момент подачи на него импульса управления с опе- режающим углом регулирования α оп относительно соответствующей точки естественной коммутации с одновременной подачей импульса управления на запирание проводящего вентиля, рисунок 1.10.2. Рис. 1.10.2. В результате, если не учитывать процессы коммутации, ток в выклю- чаемом вентиле скачком упадет до нуля, а ток во включаемом вентиле скач- ком возрастет до тока нагрузки. В итоге входной ток выпрямителя будет опе- режать напряжение питающей сети на угол α оп , то есть выпрямитель будет не потреблять реактивную энергию, а генерирует реактивную мощность. Если включить два выпрямителя параллельно по входам и параллельно или после- довательно по выходу. Одним из них управлять с углами α, а другим |α оп | = α, то такой составной выпрямитель не будет потреблять по входу реактивной 70 мощности, так как результирующий ток будет в фазе с напряжением питаю- щей сети. 1.10.2 Выпрямитель с широтно-импульсным регулированием выпрямленного напряжения Отличается от рассмотренного выше выпрямителя алгоритмом управ- ления вентилями. Формирование импульса напряжения на выходе выпрями- теля обеспечивается включением, выключением соответствующей пары пол- ностью управляемых вентилей, одного вентиля в катодной группе и одного в анодной, рисунок 1.10.3. Например, импульсы на интервалах t 1 -t 2 , t 3 -t 4 фор- мируется включением вентилей VT 1 и VT 2 . Формирование нулевой паузы на- пряжения на выходе выпрямителя на интервале t 2 -t 3 обеспечивается закрыва- нием по цепи управления тиристора VT 2 с одновременным отпиранием дру- гого тиристора работающего плеча схемы VT 4 . При этом ток нагрузки, под- держиваемый накопленной энергией в сглаживающем реакторе с индуктив- ностью L d , будет протекать через два проводящих вентиля одного плеча схе- мы VT 1 и VT 4 . Энергия, накопленная в индуктивностях рассеивания обмоток трансформатора, сбрасывается сначала в конденсаторы устройства сброса энергии, а из них частично обратно в сеть, частично в нагрузку выпрямителя. На интервалах замыкания тока нагрузки через вентили одного плеча моста выпрямитель оказывается отключенным от трансформатора, а значит, в об- мотках трансформатора тока не будет. Таким образом, токи трансформатора также подвергаются широтно-импульсному регулированию. Рис. 1.10.3. 71 Рассмотренные временные диаграммы токов и напряжений выпрями- теля относятся к случаю, когда частота импульсов выходного напряжения выпрямителя в шесть раз превышает частоту сети. Для повышения быстроты регулирования выпрямленного напряжения и тока эта частота может быть увеличена в 2, 3, 4, … раз, тогда на интервале t 1 -t 4 будет соответственно 4, 6, 8, … импульса. |