Конспект лекций по дисциплине силовая электроника по направлению 140400. 62

• Название: Конспект лекций по дисциплине силовая электроника по направлению 140400. 62
• Дата: 06.06.2022
• Размер: 1.41 Mb.
• Имя файла: Konspekt_po_SE_Ch1.doc
• Тип: Конспект лекций; #572801
• страница: 9 из 12

1.7.Процесс коммутации в выпрямителях

1.7.1 Режимы коммутации

В мощных управляемых и неуправляемых выпрямителях на стороне переменного тока всегда присутствует сопротивление трансформатора или реактора, которое имеет преимущественно индуктивный характер.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи переменного тока ограничивает скорость изменения тока в тиристорах. Основное влияние индуктивное сопротивление оказывает при включении и выключении тиристоров, когда скорость изменения токов в них максимальна. Поэтому при открывании очередного тиристора ток в нем в течение некоторого времени нарастает до тока нагрузки, а в закрываемом тиристоре ток некоторое время спадает до нуля. Процесс перехода тока нагрузки с одного тиристора на другой, когда оба тиристора открыты, называется коммутацией, а длительность этого процесса, выраженная в электрических градусах, характеризуется углом коммутации .

Так как, для избежания локального пробоя из-за неравномерного распределения тока в полупроводниковом приборе, скорость нарастания тока в нем должна быть ограничена, поэтому при отсутствии трансформатора на входе выпрямителя там включают специальные реакторы, индуктивное сопротивление которых рассчитывается из допустимой скорости нарастания тока в полупроводниковых приборах.

Процесс коммутации снижает напряжение на выходе выпрямителя за счет падения переменного напряжения на индуктивных сопротивлениях и изменяет форму напряжений и токов как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока.

Процесс коммутации рассмотрим на примере трехфазного мостового выпрямителя (шестифазной схемы выпрямления) при абсолютно сглаженном токе I_d в цепи постоянного тока. Возможны три режима коммутации.

Первый режим коммутации наблюдается при угле коммутации , когда в интервале коммутации работают три тиристора, а вне коммутации два тиристора. Этот режим является нормальным режимом работы преобразователя при питании его от источника переменного напряжения. Получить аналитическое описание процесса коммутации удается, если активное сопротивление на стороне переменного тока пренебрежимо мало. Такое допущение справедливо для достаточно мощных преобразователей, когда индуктивное сопротивление согласующего трансформатора значительно больше активного.

Второй режим коммутации наблюдается при сумме углов управления и коммутации . Режим характеризуется тем, что угол коммутации остается неизменным и равным , то есть постоянно включены три тиристора. Сохранения угла коммутации обеспечивается задержкой момента отпирания тиристора относительно начала управляющего импульса, то есть принудительным увеличением угла управления. Второй режим возможен только при у глах управления .

Третий режим коммутации возможен при угле управления (в том числе и вынужденном) и угле коммутации . В этом режиме одновременно включены три или четыре вентиля. Режим близок к короткому замыканию на выходе выпрямителя или работе выпрямителя от источника тока (ток ограничивается сопротивлением цепи переменного тока). Работа выпрямителя от источника тока рассматривается отдельно, а далее подробно остановимся на первом режиме коммутации.

Схема замещения и временные диаграммы для первого режима процесса коммутации приведены на рис. 1.31 До коммутации включены тиристоры V1 и V2, включается тиристор V3, коммутация происходит между тиристором V1, ток которого уменьшается от тока I_d до нуля, и тиристором V3, ток которого увеличивается от нуля до тока I_d.



Рис. 1.31 Процесс коммутации в трехфазном мостовом выпрямителе

а) – схема замещения, б) – временные диаграммы
В интервале коммутации схема замещения является линейной, поэтому можно применить принцип суперпозиции, то есть результирующий ток или напряжение могут быть получены наложением их отдельных составляющих. Индуктивности на стороне переменного тока считаем одинаковыми , индуктивность на стороне постоянного тока считаем достаточно большой, а постоянный ток абсолютно сглаженным .

Нулевое значение электрического угла выберем так, чтобы ЭДС, включенная в контуре коммутации, описывалась синусоидальной функцией

, (1.30)

где Е_Ф – действующее значение фазной ЭДС.

Для контура коммутации, с учетом постоянства тока нагрузки, справедливо уравнение для тока коммутации

,

где, .

Производная тока коммутации равна

. (1.31)

Ток коммутации найдем, интегрируя уравнение (1.31),

,

где А – постоянная интегрирования, подлежащая определению.

Для определения постоянной интегрирования учтем, что при угле ток коммутации равен нулю , тогда

, а ток коммутации определяется уравнением

. (1.32)

Для определения угла коммутации учтем, что при угле ток коммутации достигает значения тока в цепи постоянного тока

, или

. (1.33)

Уравнение (1.33) позволяет найти длительность процесса коммутации (угол коммутации), как функцию сопротивления на стороне переменного тока и тока на стороне постоянного тока

. (1.34)

В интервале коммутации падение напряжения на индуктивном сопротивлении в фазе А и фазе В равны по абсолютному значению и противоположны по знаку, поэтому напряжение на катодной группе вентилей выпрямителя относительно нулевой точки равно полусумме этих напряжений

.

1.7.2 Коммутационные потери выходного напряжения

Потери среднего выходного напряжения, обусловленные процессом коммутации, найдем как среднюю разницу между выходными напряжениями выпрямителя без учета и с учетом коммутации. Так как эта разница возникает только в интервале коммутации, а процесс коммутации повторяется m раз за период питающего напряжения (m - фазность схемы выпрямления), то можно ограничится интегрированием разницы напряжений за один интервал коммутации и умножить результат на m

.

Учитывая выражение (1.33), окончательно получим значение потери среднего выходного напряжения выпрямителя от процесса коммутации

. (1.35)

Следует отметить, что полученное выражение для коммутационных потерь напряжения на выходе выпрямителя годится для схем выпрямления с любой фазностью, если угол коммутации не превышает значение . Для рассмотренного примера m = 6, соответственно, полученные выражения справедливы при .

Форма напряжения на входе выпрямителя

(вторичной обмотке трансформатора)

В интервале коммутации напряжения фаз, участвующих в процессе коммутации равны между собой и равны напряжению u₁. Для рассматриваемого интервала коммутации между фазой А и фазой В их напряжения определяются следующим выражением

. (1.36)

То есть в процессе коммутации двух фаз напряжения на них равно половине ЭДС третьей фазы взятой со знаком минус. Вне интервалов коммутации напряжения фаз совпадают с ЭДС, так как при абсолютно сглаженном токе I_d ток фаз остается неизменным вне интервала коммутации и падение напряжения на индуктивном сопротивлении фазы равно нулю.

Форма линейных напряжений может быть найдена как разность соответствующих фазных напряжений.

На рис. 1.32 приведены линейные и фазные напряжения на входе выпрямителя с учетом процесса коммутации.



Рис. 1.32. Напряжения и токи на входе управляемого выпрямителя при наличии процесса коммутации

Жирными линиями показаны интервалы включенного состояния вентилей.

- угол управления,

- угол коммутации,

u_A – напряжение фазы А,

u_B – напряжение фазы В,

u_AB – линейное напряжение АВ,

i_A – ток фазы А.

1.7.3 Коэффициент мощности выпрямителя

Коэффициент мощность есть отношение активной мощности к полной мощности. Полная мощность при несинусоидальной форме тока определяется выражением

, (1.37)

где Р – активная мощность,

Q – реактивная мощность,

Н – мощность высших гармоник.

Активная мощность одной фазы

, (1.38)

где - действующее (эффективное) значение тока первой гармоники.

Для первой гармоники при трансформаторе, обладающем только индуктивными сопротивлениями, имеем

, (1.39)

где – угол управления выпрямителем,

– угол коммутации.

Коэффициент мощности выпрямителя

, (1.40)

где – коэффициент искажений первичного тока выпрямителя.
Вопросы для самоконтроля

1. 
   Что называется процессом коммутации? При каких условиях она возникает?
   
2. 
   Дайте определение угла коммутации.
   
3. 
   Как на допустимый угол управления влияет угол коммутации?
   
4. 
   Какие факторы влияют на длительность процесса коммутации?
   
5. 
   Какие факторы влияют на потери среднего выходного напряжения выпрямителя из-за наличия процесса коммутации?
   
6. 
   Как изменится форма выходного напряжения управляемой двухфазной, трехфазной и шестифазной схемы выпрямления при наличии процесса коммутации и различных углах управления?
   
7. 
   Как изменится форма входного фазного и линейного напряжения управляемой двухфазной, трехфазной и шестифазной схемы выпрямления при наличии процесса коммутации и различных углах управления?
   

1.7.4 Внешние характеристики управляемого выпрямителя

при абсолютно сглаженном постоянном токе
Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выходного постоянного напряжения от выходного тока . Внешняя характеристика в общем случае состоит из четырех участков. Три участка соответствуют трем режимам коммутации и еще один – режиму прерывистых токов, когда вентиль закрывается раньше, чем включается следующий. Режим прерывистых токов возможен только в управляемых выпрямителях, а режим коммутации при прерывистых токах отсутствует. Режим прерывистых токов в данном разделе не рассматривается.

Внешняя характеристика для первого режима коммутации (угол коммутации ) может быть описана для любой схемы выпрямления с следующим выражением

, (1.41)

где R_a – активное сопротивление на стороне переменного тока,

- падение напряжения в одном вентиле (считается постоянным),

U_d0 - – выходное напряжение выпрямителя при нулевом угле управления,
n = 1 для нулевых схем выпрямления, в которых ток протекает через один вентиль и одну фазу,

n = 2 для мостовых схем выпрямления, в которых ток протекает через два вентиля и по двум фазам.

При достаточно большом выходном напряжении преобразователя падением напряжения на открытом вентиле можно пренебречь. Для шестифазной мостовой схемы выпрямления выражение (1.41) принимает вид

. (1.42)
Второй режим коммутации существует только в мостовой шестифазной схеме выпрямления. Наблюдается при дальнейшем увеличении тока и сумме углов управления и коммутации . Режим характеризуется тем, что угол коммутации остается неизменным и равным , то есть постоянно включены три тиристора. Сохранения угла коммутации обеспечивается задержкой момента отпирания тиристора относительно начала управляющего импульса, то есть принудительным увеличением угла управления. Второй режим возможен только при углах управления . Ток, при котором начинается второй режим коммутации, определяется выражением (приводится без вывода)

.

Внешняя характеристика описывается уравнением эллипса

. (1.43)
Третий режим коммутации существует только в шестифазной мостовой схеме выпрямления. Возникает при режимах близких к короткому замыканию, угле управления (в том числе и вынужденном) и угле коммутации . Внешняя характеристика описывается уравнением

. (1.44)

Ток короткого замыкания преобразователя равен

. (1.45)

Напомним, что приведенные выражения справедливы при абсолютно сглаженном токе I_d, а все участки внешних характеристик должны стыковаться при граничных токах.

Внешние характеристики выпрямителя удобно представлять в относительных единицах (о.е.). За базисное значение напряжения примем выходное напряжение при нулевом угле управления, которое для шестифазной мостовой схемы выпрямления связано с фазным напряжением следующим соотношением

. (1.46)

За базисное значение тока примем номинальное значение постоянного тока I_dном.

За базисное значение индуктивного сопротивления на стороне переменного тока примем такое фазное индуктивное сопротивление, которое при коротком замыкании выхода выпрямителя и первом режиме коммутации обеспечивает номинальный постоянный ток. Из уравнения (1.42), при , , , , находим базисное значение индуктивного сопротивления на стороне переменного тока

. (1.47)

Относительные значения токов и напряжений определяются следующими соотношениями

, , . (1.48)

С учетом формул (1.46), (1.47), (1.48) внешние характеристики шестифазной мостовой схемы выпрямления определяются следующими уравнениями:

первый режим коммутации

; (1.49)

второй режим коммутации

; (1.50)

третий режим коммутации

. (1.51)

Семейство внешних характеристик управляемой шестифазной схемы выпрямления при r_a=0, x_a=0.1 o.e. приведено на рис. 1.33.



Рис. 1.33 Семейство внешних характеристик управляемой шестифазной схемы выпрямления при r_a=0, x_a=0.1 o.e.:

1, 4, 5, 6 - внешние характеристики для первого режима коммутации, описываемые уравнением (1.49) и различных углах управления;

2 - внешняя характеристика при втором режиме коммутации, описываемая уравнением (18). В точке С вынужденный угол управления равен ;

3, 7 - внешние характеристики в третьем режиме коммутации, описываемые уравнением (19) при углах управления (в том числе и вынужденных) и соответственно.

При внешние характеристики состоят из трех участков AB, BC, CD, соответствующих уравнениям (1.49), (18), (19). При исчезает эллиптический участок, и остаются лишь первый и третий режимы коммутации, соответственно участки EC, CD или FG, GH. При остается лишь участок KL, соответствующий первому режиму коммутации.