Некоммерческое

Некоммерческое акционерное общество

Кафедра Электрических машин и электропривода

СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА Конспект лекций

для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика

Алматы 2019

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

СОСТАВИТЕЛИ: C.Б. Алексеев. Силовые преобразовательные устройства. Конспект лекций для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2019. – 46 с.

В конспекте лекций рассмотрены основы теории, принципы построения и работы электрических схем силовых полупроводниковых преобразователей, постоянного и переменного тока применяемых в регулируемых электроприводах и других областях электроэнергетики.

Конспект лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальности 5В071800 – Электроэнергетика.

Ил. 23, табл. 7, библ. – 4 назв.

Рецензент: доцент Б.К. Курпенов

Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2019 г.

©НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2019 г.

Дополнительный план 2019 г., поз.221

Сергей Борисович Алексеев

СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА Конспект лекций

для студентов специальности 5В071800 - Электроэнергетика

Редактор Л.Т Сластихина

Специалист по стандартизации Г.И Мухаметсариева

Подписано в печать_____ Формат 60х84 1/16

Тираж 50 экз. Бумага типографическая №1

Объем 2,9 уч. – изд. л. Заказ ____ Цена 1440 тг.

Копировательно – множительное бюро некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи»

050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126

3 Введение

В настоящее время устройства силовой электроники широко используются во многих производственных процессах и бытовой технике.

Связано это не только с освоением новых полупроводниковых приборов, но и с развитием цифровых систем управления, позволяющих реализовать любые требуемые алгоритмы управления.

Наиболее широко полупроводниковые преобразователи представлены в экономичном регулируемом электроприводе постоянного и переменного тока. Благодаря появлению серийных надежных многофункциональных полупроводниковых преобразователей частоты для электроприводов переменного тока, появились новые возможности и подходы к автоматизации многих технологических процессов, что дает ощутимый экономический эффект.

В конспекте лекций даются основные сведения о современных полупроводниковых элементах, применяемых в преобразовательной технике, основы теории, схемы устройств и принцип их работы.

4

Лекция 1. Полупроводниковые элементы силовых преобразующих устройств

Цель лекции: дать основные сведения о назначении устройств преобразовательной техники изучить их элементную базу.

Электрическая энергия, производимая на электростанциях, передается к приемникам в виде синусоидального напряжения частотой 50Гц и в таком же виде в большинстве случаев потребляется. В то же время значительная доля электроэнергии потребляется в преобразованном виде переменного тока повышенной или регулируемой частоты, постоянного тока, токов специальной формы. Это требует установки между источником и потребителем специальных преобразующих устройств, обеспечивающих заданные параметры напряжения. Основными видами преобразования электрической энергии являются:

а) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);

б) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);

в) преобразование частоты (преобразование тока одной частоты в переменный ток другой частоты);

г) регулирование напряжения (преобразование переменного или постоянного напряжения одной величины в другую).

Применяются также и другие виды преобразования (формы, фаз и т.д.), которые могут быть обусловлены конкретными технологическими требованиями.

Стремительное развитие новых технологий в производстве силовых полупроводниковых приборов, удовлетворяющих самым высоким требованиям разработчиков преобразовательной техники, позволило производителям наладить выпуск надежных полупроводниковых преобразователей электрической энергии для различных областей техники.

При этом стоит отметить их высокую экономическую эффективность.

Самое широкое применение полупроводниковые преобразователи различного назначения нашли в регулируемом электроприводе, как области наиболее энергоемкой, где замена устаревших способов регулирования скорости позволяет не только обеспечить экономию электроэнергии, но и существенно улучшить технологические показатели работы всего оборудования в целом. В этой сфере приложения преобразовательной техники находят применение все указанные ранее способы преобразования электрической энергии. Управляемые выпрямители - это регулирование скорости электродвигателей постоянного тока по цепи якоря и цепи возбуждения. Инверторы и преобразователи частоты – частотное регулирование скорости асинхронных и синхронных электродвигателей.

Различного типа импульсные регуляторы – регулирование скорости электродвигателей как постоянного, так и переменного тока.

5

Основой для реализации полупроводниковых преобразователей являются такие элементы, как силовые диоды, тиристоры, транзисторные ключи. Производителями освоена широкая номенклатура этих полупроводниковых приборов на различные токи и напряжения, что позволяет разработчикам постоянно совершенствовать и разрабатывать новые схемы с улучшенными техническими параметрами и возможностями.

Силовые тиристоры.

Со времени появления первого триодного тиристора (silicon controlled rectifier, SCR) технология их производства и конструкция постоянно совершенствовались, при этом улучшались их эксплуатационные параметры.

Тиристоры данного типа широко применяются в различных схемах выпрямителей, применяемых для управления электродвигателями постоянного тока. Коммутация (выключение) такого тиристора осуществляется путем прерывания проходящего через него тока при переходе синусоиды через ноль. Поэтому применение SCR тиристора в других схемах требовало введения дополнительного коммутирующего устройства, что приводило к усложнению всей схемы в целом.

Одновременно проводились и разработки запираемых по управляющему электроду тиристоров (gate turn-of switch, GTO), что позволяло использовать их в более широком спектре устройств преобразовательной техники.

Основной недостаток первых разработанных тиристоров GTO заключался в необходимости применения защитных RC-цепей, включаемых параллельно тиристору, с целью снижения скорости нарастания прямого напряжения du/dt в момент выключения. Повышение частоты коммутации приводило к значительным потерям в этих цепях, поэтому на практике тиристоры коммутировались с частотой не более 250–300 Гц.

Другой недостаток – необходимость в мощном запирающем импульсе, что значительно усложняло цепи формирования управляющих импульсов и приводило к значительному возрастанию мощности управления.

Появление нового тиристора GCT (gate commutated thyristor), нечувствительного к скорости нарастания напряжения du/dt, позволило отказаться от RC-цепи. Основной особенностью тиристоров GCT является быстрое выключение, которое достигается изменением принципа управления и совершенствованием конструкции прибора. Быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную при запирании прибора, что делает прибор нечувствительным к скорости du/dt.

Тиристоры GTO и GCT выпускают фирмы Mitsubishi, ABB, российское предприятие ОАО «Электровыпрямитель». Приборы рассчитаны на напряжение до 4500 В и ток до 4000 А.

Следующим крупным достижением в технологии производства запираемых тиристоров стала разработка тиристора с интегрированным блоком управления (драйвером) (integrated gate-commutated thyristor- IGCT),

6

при этом мощность, необходимая для управления, была снижена в 5 раз по сравнению с GTO.

Таблица 1 - Сравнительный анализ выпускаемых тиристоров

Тип прибора Преимущества Недостатки Области применения Триодный

тиристор SCR

Самые низкие потери во включенном состоянии.

Самая высокая перегрузочная

способность. Высокая надежность. Легко

соединяются параллельно и последовательно.

Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота.

Привод постоянного тока; мощные

источники питания;

сварка; плавление и нагрев; статические компенсаторы; ключи переменного тока

GTO Способность к

управляемому запиранию.

Сравнительно высокая перегрузочная

способность. Возможность последовательного

соединения. Рабочие частоты до 250 Гц при напряжении до 4 кВ

Высокие потери во включенном

состоянии. Очень большие потери в системе

управления.

Сложные системы формирования управляющих импульсов.

Большие потери на переключение.

Электропривод;

статические компенсаторы;

реактивные мощности;

системы

бесперебойного питания;

индукционный нагрев

IGCT, SGCT

Способность к

управляемому запиранию.

Перегрузочная

способность та же, что и у GTO. Низкие потери во включенном состоянии на переключение. Рабочая частота до единиц кГц.

Встроенный блок управления (драйвер).

Более низкая рабочая частота по сравнению IGBT- транзисторами.

Мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока); электропривод (инверторы

напряжения и тока для преобразователей частоты и

электроприводов различного назначения)

При интегрированном блоке управления катодный ток снижается до того, как анодное напряжение начинает увеличиваться. Это достигается за счет очень низкой индуктивности цепи управляющего электрода, реализуемой путем коаксиального соединения управляющего электрода с многослойной платой блока управления. В результате стало возможным достигнуть значения скорости выключаемого тока 4 кА/мкс. В момент, когда катодный ток становится равным нулю, оставшийся анодный ток переходит в

7

блок управления, который имеет в этот момент низкое сопротивление. За счет этого потребление энергии блоком управления минимизируется.

Тиристор переходит при запирании из p-n-p-n состояния в p-n-p режим за 1мкс, и дальнейшее выключение происходит полностью в транзисторном режиме.

Тиристоры IGCT способны работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц, что позволяет применять их в мощных частотно- регулируемых электроприводах с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения (ШИМ).

Основной производитель IGCT — фирма ABB. Параметры тиристоров по напряжению: 4500 В, 6000 В, по току: 3000 А, 4000 А.

В таблице 1 представлен сравнительный анализ технических характеристик рассмотренных типов тиристоров.

Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Быстрое развитие в начале 90-х годов технологии силовых транзисторов привело к появлению нового класса приборов - биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBT). Основные преимущества IGBT высокие значения рабочей частоты (10-20кГц), по сравнению с запираемыми тиристорами, простота и компактность схем управления. Включение и выключение транзистора осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. Транзисторы IGBT (рисунок 1.1) появились в результате развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид- полупроводник (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), управляемых электрическим полем, и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии. При этом прямое падение напряжения для современных транзисторов с рабочим напряжением 4500 В и током 1800 А составляет 1,0- 1,5В.

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа. После подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору.

Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

8

Рисунок 1.1 - Схематичный разрез структуры IGBT IGBT-модули.

В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением («Mitsubishi», «Siemens», «Semikron» и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением («Toshiba Semiconductor Group»).

В модулях IGBT цепи управления (драйверы) непосредственно включены в их структуру. Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления конструктивно компактна. «Интеллектуальные» транзисторные модули (ИТМ), выполненные на IGBT, содержат устройства защиты от токов короткого замыкания; защиту от исчезновения управляющего сигнала;

одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы;

исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений.

Предусмотрены также и системы диагностирования. В структуре ИТМ на IGBT предусматривается в ряде случаев система управления с широтно- импульсной модуляцией (ШИМ) и однокристальная ЭВМ. Во многих модулях имеется схема активного фильтра для коррекции коэффициента мощности и уменьшения содержания высших гармонических в питающей сети. IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT, двойной модуль (half-bridge), где два IGBT соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGB - модулей приведены на рисунке 1.2.

В настоящее время IGBT как класс приборов силовой электроники занимает и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт при создании управляемых выпрямителей и преобразователей частоты для регулируемого электропривода.

9

Рисунок 1.2 - Схемы IGBT-модулей

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные типы и назовите основные параметры управляемых полупроводниковых приборов.

2. Какой вид имеет вольтамперная характеристика тиристора?

3. Объясните работу IGBT- транзистора.

4. Изобразите известные схемы IGBT- модулей.

Лекция 2. Однофазные схемы выпрямителей, работа на активную и индуктивную нагрузку, регулировочные характеристики

Цель лекции: изучить принцип работы однофазных выпрямителей и их основные технические характеристики.

К однофазным двухполупериодным схемам выпрямителей относятся схема со средней точкой и мостовая схема, отличающиеся конструкцией трансформатора и количеством применяемых вентилей (рисунок 2.1).

Вентили в схемах могут быть как неуправляемые, так и управляемые. В первом случае выпрямитель на выходе будет иметь постоянное нерегулируемое напряжение, величина которого определяется параметрами трансформатора и самой схемой. Во втором случае выходное напряжение может плавно регулироваться от нуля до определенного максимального

10

значения изменением угла управления в пределах 0-180⁰. При этом максимальное значение выходного напряжения определяется углом управления α = 0 и соответствует напряжению неуправляемого выпрямителя при тех же параметрах трансформатора.

Ud

U1

xd

id

VS1

U2a U2b

i2b

i2a Rd

VS2 VS3

xd Ud

id

VS1 U2 VS4

VS2 U1

а) – однофазная схема со средней точкой; б) – однофазная мостовая схема.

Рисунок 2.1- Однофазные схемы выпрямителей

Таким образом, работа тиристорных схем, представленных на рисунке 2.1 с углом управления α = 0, полностью соответствует работе таких схем, собранных на неуправляемых вентилях – диодах. Поэтому неуправляемые выпрямители могут быть представлены как частный случай работы управляемого выпрямителя.

В качестве основных режимов рассмотрим случаи работы выпрямителей на следующие виды нагрузок:

а) чисто активная нагрузка;

б) активно-индуктивная нагрузка.

Во всех этих случаях проанализируем работу выпрямителя при угле α = 0 и угле α >0.

Рассмотрим работу схем со средней точкой и мостовой на активную нагрузку с углом α = 0.

Особенностью схемы со средней точкой является то, что вторичная обмотка силового трансформатора создает систему напряжений, сдвинутых по отношению друг к другу на π (u_2а и u_2b).

Допустим, что в момент перехода синусоиды через нуль (ωt=0) на тиристоре VS1 начинает нарастать положительное напряжение по отношению к средней точке трансформатора. Если в этот момент на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий импульс, то он откроется и по цепи: VS1- нагрузка- средняя точка трансформатора потечет ток, форма которого повторяет форму приложенного напряжения. К

а) б)

11

тиристору VS2 на этом этапе будет приложено обратное напряжение, равное разности напряжений двух полуобмоток.

Тиристор VS1 будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не станет равным нулю. Так как нагрузка активная, то момент прохождения тока i_2a через ноль будет совпадать с моментом снижения до нуля напряжения u_2a. Начиная с момента ωt= π, напряжение u_2a становится отрицательным, а u_2b- положительным. Тиристор VS1 закрывается, и отпирающий импульс подается на тиристор VS2. В результате к нагрузке будет приложено напряжение u2b, которое обеспечивает протекание тока через нагрузку в том же направлении. Спустя полупериод, начиная с момента ωt= 2π, процесс повторяется.

Мостовая схема выпрямления обеспечивает на нагрузке аналогичную форму напряжения и тока, что и схема со средней точкой. Работа же ее, в отличие от ранее рассмотренной схемы, заключается в одновременном отпирании тиристоров, расположенных в диагонали моста - VS1VS2, а после их выключения - VS3VS4, что обеспечивает однонаправленное протекание тока в нагрузке. Это объясняется тем, что с каждым последующим полупериодом на выходной обмотке трансформатора меняется полярность напряжения и для прохождения тока могут быть включены только те два тиристора, напряжение на которые подано в прямом направлении.

Диаграммы напряжений и токов для схемы со средней точкой в зависимости от режимов работы представлены в таблице 2.1.

Для рассмотренного режима среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке может быть определено путем интегрирования выпрямленного напряжения:

Ud= 2 0

1 2





 sind =

 2

2 U2 = 0,9U2, (2.1)

где = ωt;

U₂ – действующее напряжение на полуобмотке трансформатора для схемы со средней точкой или напряжение вторичной обмотки для мостовой схемы.

Полученное среднее значение выпрямленного напряжения является максимальным для рассматриваемых схем, а коэффициент, стоящий перед U2, называется коэффициентом схемы. При угле управления α > 0 и активной нагрузке среднее значение выходного напряжения выпрямителя будет уменьшаться с увеличением угла α . Эта зависимость может быть выражена следующей формулой:

Ud=1 2U₂



 ^{sind =} 

2 U2 (1+cos α). (2.2)

12 Таблица 2.1

При угле управления α > 0 и активной нагрузке среднее значение выходного напряжения выпрямителя будет уменьшаться с увеличением угла α . Эта зависимость может быть выражена следующей формулой:

Ud=1 2U₂



 ^{sind =} 

2 U2 (1+cos α). (2.3)

Обозначив через Ud0 найденное по выражению (2.1) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя (α = 0),

13

получим более удобную формулу, выражающую зависимость выходного напряжения от угла α:

Ud = Ud0

2 cos

1 

. (2.4) Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла α (2.4) называется регулировочной характеристикой и для данного случая представлена кривой - 1 (рисунок 2.2).

Наиболее часто управляемые выпрямители находят применение для питания якорей и обмоток возбуждения машин постоянного тока. Поэтому наиболее характерным для них является режим работы на активно-индуктивную нагрузку с углом управления α > 0. В этом случае форма выпрямленного тока будет зависеть от индуктивности L_d, частоты пульсаций ω выпрямленного напряжения и активного сопротивления Rd. При этом форма тока становится более сглаженной, и с увеличением индуктивности или частоты выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока снижаются, а при Xd= ωLd= ∞ ток становится идеально сглаженным (таблица 2.1).

Наличие индуктивности Ld в цепи постоянного тока при углах управления α > 0 приводит к тому, что после прохождения напряжения через нуль в находящемся в проводящем состоянии тиристоре продолжает протекать ток за счет энергии, накопленной в индуктивности. При достаточно большой индуктивности этот тиристор будет проводить ток до тех пор, пока не будет подан управляющий импульс на следующий тиристор.

За счет этого процесса обеспечивается непрерывность тока в нагрузке, а в кривой выходного напряжения появляются отрицательные участки, что в свою очередь приводит к снижению среднего выпрямленного напряжения (таблица 2.1).

Среднее выпрямленное напряжение на нагрузке найдем путем интегрирования кривой напряжения в интервале от α до α + π по формуле:

U_d=1 2U₂







  ^{sind =} 

2 U₂ cos α = U_d0 cos α. (2.5)

Согласно (2.5), среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при α = π / 2, поскольку в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны

U_d Ud0

α

1

2

0⁰ 30⁰ 60⁰ 90⁰120⁰150⁰ 180⁰

1-активная нагрузка; 2-активно- индуктивная нагрузка

Рисунок 2.2

14

между собой и постоянная составляющая отсутствует. Регулировочная характеристика для этого случая представлена кривой 2 (рисунок 2.2).

В заштрихованной области между кривыми 1 и 2 располагаются регулировочные характеристики для случая, когда энергии накопленной в индуктивности оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока i_d в течение половины периода, и тогда ток прерывается через проводящий тиристор раньше, чем будет подан импульс на следующий тиристор. Такой режим при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током.

При прерывистом токе трансформатор и тиристоры схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих в широком диапазоне изменения угла α, индуктивность L_d выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.

В таблице 2.2 приведены основные расчетные коэффициенты для однофазных двухполупериодных схем со средней точкой и мостовой.

Таблица 2.2

Схема

выпрямления

Коэффициенты К_сх =

2 0 d

U

U Кu =

0 d

м обр.

U

U К_I =

d 2

I

I К_s =

d d

T

I U

S

Однофазная схема со средней

точкой

0,9 3,14 0,785 1,34

Однофазная мостовая схема

0,9 1,57 0,785 1,0

Контрольные вопросы.

1. Объясните работу однофазной нулевой схемы выпрямителя.

2. Объясните работу однофазной мостовой схемы выпрямителя.

3. Какой вид имеет диаграмма выходного напряжения мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку?

4. Какой вид имеет диаграмма выходного напряжения мостового выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку?

5. Объясните режим прерывистых токов выпрямителя.

6. Что называется регулировочной характеристикой выпрямителя?

15

Лекция 3. Трехфазные схемы выпрямителей, работа на активную и индуктивную нагрузку, регулировочные характеристики

Цель лекции: изучить принцип работы трехфазных выпрямителей и их основные технические характеристики.

Трехфазные схемы выпрямителей превосходят по своим параметрам однофазные схемы и находят применение в установках средней и большой мощности. Выпрямители трехфазного питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока, причем мостовые схемы отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора. На рисунке 3.1 представлены нулевая и мостовая схемы трехфазных выпрямителей.

xd

Ud

id

U2a

xa

VS1 VS2 VS3

Rd

U2b U2c

VS5 xd

VS3 VS1

VS2 Ud

xa

VS6 VS4 U2a U2b U2c

u

u

а - нулевая схема; б – мостовая схема.

Рисунок 3.1 - Трехфазные схемы выпрямителей

Трехфазная нулевая схема является составным элементом более сложных трехфазных схем. Как видно из диаграмм таблицы 3.2, принцип ее работы довольно прост и заключается в последовательной подаче импульсов управления на тиристоры, подключенные в данный момент времени к наиболее положительной фазе. Для угла α = 0 это точки пересечения фазных напряжений. При регулировании выпрямленного напряжения отсчет угла управления происходит вправо от этих точек. Данная схема является однотактной, поскольку ток в каждой из обмоток трансформатора протекает только в одном направлении в течение полупериода. В результате токи вторичных обмоток имеют пульсирующий характер и содержат постоянные составляющие, вызывающие поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора, что может привести к насыщению магнитопровода. Это обстоятельство вызывает необходимость завышать

а) б)

16

расчетную мощность трансформатора или применять более сложную вторичную обмотку зигзаг для ликвидации этого явления.

Для угла управления α = 0 как для чисто активной, так и активно- индуктивной нагрузки среднее выпрямленное напряжение определим путем интегрирования кривой u_d за треть периода:

Ud= ₂

6 / 5

6 /

2 2

3 ^



  sind =

 2

6

3 U2 = 1,17U2, (3.1)

где U₂ - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Если угол α регулируется в диапазоне от 0 до π/6, то как при чисто активной, так и при активно-индуктивной нагрузке выпрямленный ток является непрерывным. Среднее выпрямленное напряжение в этой области углов α при различном характере нагрузки описывается одним аналитическим выражением:

U_d= 2 6 / 5

6 /

2 2

3











  sind =

 2

6

3 U₂ cosα = U_d0 cosα. ( 3.2)

При угле α=π/6 кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения доходит в моменты переключения тиристоров до нуля. Такой режим называется гранично- непрерывным. Дальнейшее увеличение угла α (α> π/6) при активной нагрузке приводит к прерыванию выпрямленного тока и к появлению в выпрямленном напряжении участков с нулевым значением.

Среднее выпрямленное напряжение в этом случае запишется следующим образом:

Ud= 2 6 / 5

6 /

2 2

3











  sind =

 2

2

3 U2 [1+ cos (π/6 + α)]. (3.3)

При активно-индуктивной нагрузке, когда xd = ∞, режим непрерывного тока сохраняется и при углах больших π/6. В этом случае среднее значение выпрямленного напряжения может быть определено по формуле (3.2) во всем диапазоне углов от 0 до π/2.

В регулировочных характеристиках для данной схемы можно выделить две характерные зоны изменения угла α (рисунок 3.2 а). В первой зоне (0 < α

< 30⁰) как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузке регулировочная характеристика соответствует формуле (3.2). Во второй зоне (30 <α <150⁰) характеристика описывается формулой (3.3). В режиме непрерывного тока при углах (30 <α <90) и активно-индуктивной нагрузке для регулировочной характеристики становится справедливой формула (3.2).

17

Заштрихованная область соответствует семейству характеристик в режимах прерывистого тока id.

а) б)

а – нулевая схема; б – мостовая схема;

1- активная нагрузка; 2- активно-индуктивная нагрузка.

Рисунок 3.2- Регулировочные характеристики трехфазных выпрямителей Схема трехфазного мостового выпрямителя состоит из двух, соединенных последовательно, трехфазных нулевых схем. Тиристоры, у которых в общую точку соединены катоды, образуют катодную группу, а тиристоры, у которых соединены в общую точку аноды - анодную группу.

Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов тиристоров. Если в схеме с нулевой точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения, то в мостовой - под действием линейного напряжения. Для протекания тока нагрузки необходимо, чтобы были в проводящем состоянии два тиристора - один в катодной группе, другой в анодной. Из катодной группы в открытом состоянии будет находиться тот тиристор, напряжение анода которого имеет положительную полярность относительно нулевой точки трансформатора и наибольшую величину по сравнению с другими вентилями. Из анодной группы открытое состояние принимает тот из вентилей, напряжение катода которого в данный момент является наибольшим и имеет отрицательную полярность. Согласно диаграммы, порядок работы тиристоров следующий – 6.1; 1.2; 2, 3; 3,4; 4,5;

5,6 и т. д. (таблица 3.2). Интервал проводимости каждого тиристора составляет 2π/3, а интервал совместной работы двух тиристоров π/3. За период питания происходит шесть переключений тиристоров. Частота пульсаций выпрямленного напряжения при питании от сети 50 Гц составляет 300 Гц.

18

Таблица 3.2 - Диаграммы напряжений и токов трехфазного мостового выпрямителя

Следует отметить, что в трехфазной мостовой схеме ток в обмотках трансформатора носит знакопеременный характер и имеет равные значения в положительный и отрицательный полупериоды. Это исключает возможность подмагничивания трансформатора, что является одним из существенных достоинств данной схемы.

Среднее значение выпрямленного напряжения для угла α = 0 вычисляется на интервале повторяемости, равном π /3:

Ud= ₂

3 / 2

3 /

U 3 6





  ^{sind =}  6

3 U2 = 2,34U2, (3.4) где U₂ - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

При изменении угла α в диапазоне от 0 до π /3 как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузке выпрямленный ток i_d имеет непрерывный характер. Поэтому среднее значение выпрямленного напряжения может быть найдено следующим образом:

Ud= ₂

3 2

3

U 3 6











 sind =

 6

3 U2 cosα = Ud0 cos α. (3.5)

19

Угол α = π/3 соответствует для активной нагрузки гранично- непрерывному режиму. При углах α > π /3 и активной нагрузке наступает режим прерывистых токов. При этом в кривых выпрямленного напряжения и тока появляются нулевые паузы (таблица 3.2).

Для этого режима работы среднее выпрямленное напряжение при регулировании α определяется по формуле:

Ud= ₂

3 2

3

U 3 6











 sind = Ud0 [1+ cos (π /3 + α)]. (3.6) При активно-индуктивной нагрузке (xd = ∞) и углах управления α> π/3 за счет большой индуктивности в диапазоне до π / 2 сохраняется режим непрерывного тока и среднее значение выпрямленного напряжения определяется по формуле (3.5).

Регулировочные характеристики трехфазной мостовой схемы для данных режимов представлены на рисунке 3.2 б.

Основные параметры вентилей и расчетные соотношения в схеме определим для наиболее характерного режима работы выпрямителя с x_d = ∞:

максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

Uобр.м = 2U2л; - среднее значение тока вентиля:

Iв.ср = Id / 3;

- действующее значение тока вентиля:

I_в = Id / 3;

- действующие токи фаз обмоток трансформатора:

I2 =

3

2 Id; I1 =

3 2 1

КТ Id ; - расчетные мощности обмоток трансформатора:

S1 = S2 = SТ =

3

 Pdн = 1,05Pdн.

В таблице 3.1 приведены основные расчетные коэффициенты для рассмотренных трехфазных схем.

Таблица 3.1

Схема выпрямления Коэффициенты К_сх =

2 0 d

U

U Кu =

0 d

м обр.

U

U К_I =

d 2

I

I К_s =

d d

T

I U

S

Трехфазная нулевая 1,17 2,09 0,577 1,46 Трехфазная мостовая 2,34 1,05 0,815 1,045

20 Контрольные вопросы.

1. Объясните работу трехфазной нулевой схемы выпрямителя.

2. Объясните работу трехфазной мостовой схемы выпрямителя.

3. Какой вид имеет диаграмма выходного напряжения трехфазного нулевого выпрямителя при работе на активную нагрузку с углом управления равным 60⁰?

4. Какой вид имеет диаграмма выходного напряжения трехфазного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку с углом управления равным 90⁰?

5. Какой вид имеет диаграмма выходного напряжения трехфазного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку с углом управления равным 60⁰

Лекция 4. Процесс коммутации токов в выпрямителях. Внешние характеристики выпрямителей

Цель лекции: изучить процессы, связанные с коммутацией тока в выпрямителях и их влияние на параметры выпрямителей.

Во всех ранее рассмотренных случаях работы идеализированного выпрямителя процесс перехода тока с одного вентиля (диода, тиристора) на другой (процесс коммутации) происходил мгновенно. В реальных схемах из- за наличия в цепи коммутации определенной индуктивности, обусловленной в основном потоками рассеяния в магнитной системе трансформатора, процесс коммутации имеет определенную длительность. Время, в течение которого происходит переход тока с одного вентиля на другой, называется углом коммутации (γ).

Помимо индуктивного сопротивления, на процесс коммутации влияет и активное сопротивление обмоток, но его влияние в нормальных режимах значительно меньше.

Наличие процесса коммутации вносит существенные изменения в работу реальной схемы: изменяются формы кривых токов и напряжений на элементах выпрямителя, высшие гармоники в кривой выпрямленного напряжения и потребляемого тока, а также вид внешних и регулировочных характеристик.

Поскольку процессы коммутации в различных схемах выпрямления аналогичны, рассмотрим эти процессы на наиболее простой однофазной двухполупериодной схеме. На рисунке 4.1 представлены эквивалентная схема и диаграммы выходного напряжения и тока двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. Индуктивности рассеяния учтены эквивалентной индуктивностью L_S, представляющей собой суммарную индуктивность вторичной обмотки и приведенную индуктивность первичной обмотки.