Коммутационные процессы в мощных выпрямителях.

Процесс коммутации – это процесс перехода тока нагрузки с одного вентиля на другой.

В маломощных выпрямителях использование оправдано, т.к. активное сопротивление выше индуктивного и сечение провода трансформатора меньше. Согласно закону коммутации ток может изменяться скачком в маломощных выпрямителях т.к. сопротивления, которыми он ограничен, только активные.

I_d=const – идеально сглаженный. На VS1подают сигнал т.е. открываем, VS3 – не заперт и через него протекает ток нагрузки. Через VS1 и VS3 протекает ток короткого замыкания и почти скачком достигает тока нагрузки, после чего VS3 – закрывается.

В маломощных выпрямителях коммутацию считаем мгновенной т.к. ток КЗ ограничивается в основном активными сопротивлениями обмоток трансформатора и линией питающей сети. При таких условиях можно считать, что КЗ или коммутационный ток нарастает мгновенно. В мощных выпрямителях преобладающим является индуктивное сопротивление трансформатора, а также линии питающей сети. Т.к. ток индуктивности скачком измениться не может, то это приводит к затягиванию во времени нарастания коммутационного тока. При этом одновременно в работе находиться 2 или более вентилей в одной из групп (катодной или анодной). Причём длительность одновременной работы вентилей в мощных выпрямительных агрегатах составляет до 20-30 электрических градусов. Т.о. процесс коммутации приводит к изменению диаграммы работы вентилей, а следовательно изменению величины выходного напряжения выпрямителей.

Для количественной оценки длительности коммутационных процессов используют параметр называемый углом коммутации.

Угол коммутации – это время в угловом измерении соответствующее интервалу одновременной работы 2-х или более вентилей одной группы. Фактически он отражает время необходимое для спадания рабочего тока вентиля до 0-ля.

Для удобства математических расчётов приведём схему замещения на рис.58.

Х_а – анодная индуктивность.

, где - индуктивное сопротивление питающей сети приведённое ко вторичной обмотке (проводов соединения с питающей сетью), - шин вторичной обмотки (проводов), - сопротивление первичной обмотки приведённое ко вторичной, - сопротивление рассеяния (индуктивности) вторичной обмотки трансформатора.

1-ый контур: , 2-ой контур:

(3)

Дифференцируем уравнение (4):

(5) ;

Свойство трёхфазных электрических цепей:

Отсюда:

Выводы:

1. Падение напряжения на анодных индуктивностях коммутирующих фаз равны по модулю и противоположны по знаку.

2. Мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутируемых вентилей равно полу сумме напряжений фаз участвующих в коммутации или равно половине напряжения 3-ей фазы взятому с противоположным знаком.

3. При значении γ≠0 изменение диаграммы выходного напряжения выпрямителя снижается на величину равную закрашенной площади.

е_к – коммутирующая ЭДС; ,

, ,

, .

В общем случае: , но т.к. R_a=0, то .

, А – определяется из начальных условий.

, следовательно полное математическое описание i_k имеет вид:

.

По аналогии строим и остальные участки.

Найдём γ т.е. при каких условиях ток i_2c=0.

i_2c=0 при θ=α+γ, т.е. ; → → ,

Выводы:

Длительность коммутации растёт в следующих случаях:

1. При увеличении тока нагрузки I_d. Это объясняется «физически» – ухудшением начальных условий коммутации.

2. При увеличении анодной индуктивности из-за снижения величины коммутирующего тока.

3. При увеличении числа фаз выпрямления выпрямителя из-за снижения коммутирующей ЭДС.

4. При уменьшении угла управления α из-за снижении величины коммутирующей ЭДС в момент времени соответствующему началу коммутации.

Внешняя характеристика мощного выпрямителя.

,

- потери напряжения вызванные наличием коммутации,

γ – с учётом процесса коммутации. ,

где - задаёт наклон характеристики,

- начальную точку.

Коэффициент мощности управляемого выпрямителя.

Трёхфазная сеть. χ – отношение активной мощности к полной.

, где U – напряжение питающей сети, действительное значение фазного напряжения, - действительное значение первой гармоники, I – действительное значение тока, - коэффициент искажений, т.о.: (для схемы Ларионова при неуправляемом выпрямителе).

m	3	6	12
ν	0,935	0,955	0,988

Т.о. наличие процесса коммутации приводит к дополнительному сдвигу первой гармоники тока, потребляемого выпрямителем, относительно питающего напряжения. По приблизительным оценкам сдвиг 1-ой гармоники тока происходит на величину равную примерно половине круга коммутации: .

Любой мощный выпрямитель даже не управляемый имеет значение угла γ отличное от 0 и следовательно потребляет реактивную мощность.

Инверторы ведомые сетью. Зависимые инверторы.

Инвертор – это устройство предназначенное для преобразования постоянного напряжения или тока в переменное напряжение или ток.

Зависимые инверторы работают параллельно с сетью параллельного тока т.о они обеспечивают передачу электроэнергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока.

Силовые схемы зависимых инверторов выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. При этом в цепь постоянного напряжения включается источник постоянного тока, как правило с последовательно включённым индуктивным фильтром. Причём направление ЭДС источника постоянного тока должно совпадать с направлением проводимостей вентилей. Диагональ переменного тока подключается к выводу сети переменного напряжения.

Для перевода управляемого выпрямителя в режим работы инвертора угол регулирования выбирается больше чем 90 электрических градусов. Это необходимо, чтобы обеспечить равновесие напряжения источника постоянного тока и напряжения на входе инвертора.

Источник питания – Е, потребитель – сеть. В качестве источника могут быть: аккумулятор, генератор постоянного тока, другой выпрямитель. Напряжение ЭДС обязательно должно соответствовать проводимости вентилей для обеспечения их работы.

Удобней тянуть провода с постоянным током т.к. нет реактивного тока.

Для того, чтобы источник работал как источник, выпрямители должны обеспечивать режим непрерывного тока. Т.к. включили L_d=∞, то должен выполняться 2-ой закон Кирхгоффа. Необходима полярность выпрямителя, для этого обеспечивается отрицательное напряжение на выходе выпрямителя, это возможно, если α>90⁰ т.е. «залезть» в область отрицательных напряжений и чтобы Е_B=Е т.е. α выбирают нелюбой. α – находится по регулировочной характеристике.

Однофазный инвертор (на базе однополупериодной схемы выпрямления)

TV – понижающий или согласующий трансформатор. В качестве Е могут использоваться аккумуляторы, машины постоянного тока, другой выпрямитель с гальванической развязкой (трансформаторной).

θ₀ – точка равенства напряжений, , при

Энергия магнитного поля (МП): .

Направление i_d совпадает с Е, т.е. Е – источник постоянного напряжения находится в режиме источника, также направление тока встречно направлено к вторичной обмотке т.е. вторичная обмотка трансформатора выступает как приёмник электроэнергии, т.е. происходит передача энергии постоянного тока в цепь переменного напряжения.

.

Выводы:

1. Ток инвертора i_d в данной схеме симметричен относительно момента времени θ₀ соответствующего равенству напряжений вторичной обмотки и ЭДС источника постоянного напряжения. Его максимальное значение (i_d) с моментом времени θ₀.

2. Инвертирование происходит в интервале времени от α до , причём на интервале от α до θ₀ энергия потребляемая от источника постоянного напряжения частично передаётся в сеть переменного тока через трансформатор (вторичную обмотку), другая часть энергии, потребляемая от источника ЭДС Е накапливается (запасается) в магнитном поле индуктивности L_d. В интервале времени от θ₀ до ₁ в сеть переменного тока передается вся энергия, потребляемая от источника переменного напряжения и энергия магнитных полей индуктивности L_d.

3. В большей части периода изменения напряжения сети к тиристору прикладывается прямое напряжение. После выключения тиристора к нему прикладывается обратное напряжение, равное разности напряжения вторичной обмотки трансформатора и источника ЭДС Е. В этом случае тиристор имеет возможность восстановить запирающие свойства. Интервал времени, в который к тиристору приложено обратное напряжение, принято оценивать в угловом измерении, поэтому данный интервал принято называть углом восстановления запирающих свойств.  - время, предоставляемое схемой для восстановления запирающих свойств тиристора.

Для надежного выключения вентиля необходимо чтобы это время превышало время восстановления запирающих свойств, приводимое в паспортных характеристиках.

4. Имеются граничные значения угла регулирования, , при которых работа инвертора становится невозможной. Верхнее предельное значение  после которого работа инвертора невозможна определяется выполнением условий включения вентиля и равно ₀. Нижнее предельное значение угла  при котором возможна нормальная работа инвертора определяется границей устойчивости т.к. уменьшение величины угла регулирования  приводит к увеличению длительности интервала протекания тока нагрузки и соответственно к уменьшению угла восстановления запирающих свойств . При нижнем пределе допустимого значения угла  не выполняется условие восстановления запирающих свойств тиристора ( ). При этом тиристор не выключается и в следующем полу периоде под действием Е и напряжении U₂ через тиристор протекает ток примерно равный току КЗ, при удвоенном напряжении. Такой режим является аварийным и его принято называть режимом срыва инвертора или опрокидыванием инвертора.

Однофазный инвертор с 0-ым проводом.

U_d – на входе вентильного блока:

- коммутирующий ток.

Для математического описания работы инверторов пользуются не углом , а углом опережения . Это угол дополняющий угол  до 180⁰. =-.

, , ,

Для расчёта длительности коммутации :

Входные характеристики зависимых инверторов. U_d=f(I_d)

(1) ;

(2) .

Вывод:

Процесс коммутации увеличивает входное напряжение инвертора по абсолютной величине. Физически это объясняется тем, что инвертор потребляет электроэнергию от источника постоянного напряжения и падение напряжения на анодных индуктивностях суммируется с напряжением инвертора. Поэтому входная характеристика инвертора – возрастающая, т.е. при увеличении тока нагрузки напряжение инвертора по абсолютной величине растёт.

Пунктирная линия – граница устойчивости. Устойчивая работа имеет место когда время восстановления запирающих свойств тиристоров меньше угла , предоставляемого схемой для взс.

(1) – внешняя характеристика выпрямителя с учётом коммутации.

- определяет наклон характеристики.

(2) – входная характеристика зависимого инвертора, а - определяет падение напряжения на анодных индуктивностях.

Если соотношение не выполняется, то нет гарантии выключения тиристоров. При нарушении данного условия тиристор не выключается. Это приводит к тому, что в следующем полупериоде, под действием суммарной ЭДС источника постоянного напряжения и напряжения вторичной обмотки согласующего трансформатора через тиристор, протекает ток практически равный току КЗ при удвоенном напряжении. Такой режим является аварийным и называется режимом срыва инвертора или режимом опрокидывания инвертора. Следует отметить, что увеличение угла опережения  приводит к увеличению значения тока нагрузки при котором сохраняется нормальная работа инвертора.

и можно увеличивать ток нагрузки.

Уравнение линии границы устойчивости

или ограничительной характеристики.

,

, подставим в (2)

- уравнение линии которое включает в себя все режимы работы инвертора с предельными допустимыми значениями угла восстановления . _пр10⁰ при расчёте 50 Гц у большинства тиристоров.

Способы регулирования мощности

отдаваемой инвертором в сеть переменного тока.

1. Способ увеличения мощности отдаваемый инвертором заключающийся в увеличении ЭДС источника постоянного напряжения.

2. Способ увеличения мощности заключающийся в увеличении угла опережения . При этом меняется положение входной характеристики инвертора. Если ₁>₂

3. Способ заключается в уменьшении ЭДС вторичной обмотки согласующего трансформатора. При этом уменьшается напряжение неуправляемого выпрямителя U_d0, и это приводит к тому, что входная характеристика инвертора перемещается параллельно исходной к началу координат.

, где - напряжение неуправляемого выпрямителя.

Трехфазный инвертор

или 3-х фазная нулевая схема инвертирования.

=60⁰ (=120⁰)

(1) , (2) ,

(3) .

Для m=3:

Трёхфазный мостовой инвертор напряжения.

Реверсивные преобразователи.

Используются в реверсивных электроприводах постоянного тока в целях регулирования частоты вращения и изменения направления вращения электродвигателя.

Также используется в гальванике в качестве источника питания гальванических ламп при нанесении защитных покрытий драгоценными металлами.

n – частота вращения, U_я – падение напряжения в цепи якоря,

Ф₀ – основной магнитный поток.

Используются в реверсивных электроприводах постоянного тока в целях регулирования частоты вращения и изменении направления вращения электродвигателя.

Также используется в гальванике в качестве источника питания гальванических ламп при нанесении защитных покрытий драгоценными металлами.

n – частота вращения, U_я – падение напряжения в цепи якоря,

Ф₀ – основной магнитный поток.

Есть три способа регулирования частоты вращения.

1. 

2. 

3. 

Реверс выполняется двумя способами:

1. Изменение полярности напряжения якоря.

2. Изменение полярности обмотки возбуждения, реверсируется магнитным полем.

Реверсивные преобразователи используют при напылении – это обеспечивает ровное покрытие и уменьшение шероховатости, в 5-6 раз экономится ценный металл.

Все регулируемые реверсивные электроприводы делятся на две группы.

1-ая: Рис.76. Контактные электроприводы. У них изменение полярности напряжения на якоре или обмотке возбуждения выполняется путём использования механических переключателей (в основном электромагнитных пускателей). Рис.76.а. – дороже, т.к. К рассчитывается относительно тока якоря.

2-ая: Рис.77. Электроприводы с бесконтактными или реверсивными преобразователями. (два выпрямителя включены встречно – параллельно друг другу т.е. бесконтактный реверсивный преобразователь)

Какой применять? - это зависит от условий использования прибора.

Недостаток контактных – быстрая изнашиваемость механических контактов, т.е. при частых реверсах использовать лучше бесконтактные схемы. Лучшие контактные работают 100тыс. переключений, а у бесконтактных, даже у средних, порядка миллиона раз. Но бесконтактные схемы дорогостоящи.

Так же более надёжной схемой считается та, у которой происходит реверс напряжения якоря, при этом стараются не резко изменять направление, т.е. сначала снижают напряжение якоря до 0, а затем перебрасывают контакты и повышают напряжение.

Основные схемотехнические решения.

В основном используются преобразователи выполненные по перекрёстным или встречно-параллельным схемам.

Для реверса, на якоре отключают 1-ый выпрямитель путём снятия управляющего импульса и включением тиристоров 2-ого выпрямителя.

Достоинства: Отсутствие контура КЗ при одновременном включении обоих выпрямителей. (Но контур есть и ток будет ограничен сопротивлением уравнительного реактора.)

Недостатки: Необходимость наличия двойного комплекта вторичных обмоток трансформатора, а это примерно в 1,5 раза увеличивает расчётную мощность трансформатора.

Встречно параллельная схема.

Положительная полярность на якоре образуется с включением VS2, VS3, VS1 (Рис.79.). Такие схемы более распространены т.к. они не требуют 2-ого комплекта вторичных обмоток и более выгодны.

По способу управления преобразователи бывают с раздельным управлением вентилей и преобразователи с совместным управлением вентилей.

Принцип раздельного управления вентилями.

При данном способе управляющие сигналы подаются только на тиристоры одного выпрямителя, второй при этом выключен путём снятия управляющих сигналов. Для реверса напряжения в начале снижают напряжение работающего выпрямителя путём увеличения угла регулирования до 90⁰ или 180⁰. Затем дожидаются спада тока нагрузки до 0 и снимают управляющие импульсы с работающего выпрямителя. После спада I_d до 0 выдерживают паузу длительностью не менее 10 мс. В течении паузы оба выпрямителя переходят в выключенное состояние. Т.е. выдерживают один полу период напряжения питающей сети для закрытия тиристоров. После паузы вводят в работу второй выпрямитель путём подачи импульсов управления на тиристоры. При этом напряжение на втором выпрямителе, как правило, увеличивается от 0 до заданного значения путём уменьшения значения угла управления от 180⁰ до требуемой величины.

При данном способе отсутствуют интервалы одновременной работы 2-х выпрямителей, поэтому отсутствует необходимость установки уравнительного реактора.

Совместное управление выпрямителем.

Сигналы одновременно подаются на тиристоры обоих выпрямителей. При этом один из выпрямителей работает с углом управления меньше 90⁰ (VS1, VS2, VS3), второй с углом большим 90⁰ (VS4, VS5, VS6). Т.е. первый работает в режиме именно выпрямителя, а второй работает в инверторном режиме.

Для того, чтобы между выпрямителями не возникало уравнительного тока необходимо, чтобы их выходные напряжения были равны друг другу.

С этой целью наиболее часто используются совместно согласованное управление. Основным условием реализации совместного согласованного управления является условие:

Несмотря на то, что при выполнении данного условия среднее значение напряжений выпрямителей одинаковы, мгновенные значения напряжений выпрямителей отличаются друг от друга. Поэтому, для ограничения величины тока между выпрямителями, необходимо установить уравнительный реактор.

Кроме совместного согласованного управления также возможно использование совместного не согласованного управления. Причём имеются две модификации такого управления.

При совместном не согласованном управлении и имеются два варианта:

Напряжение вентильной группы, работающей в выпрямительном режиме, оказывается больше чем напряжение вентильной группы работающей в инверторном режиме. Под действием разности напряжений от выпрямителя к инвертору протекают постоянные составляющие тока, которые уравнительным реактором практически не ограничиваются по величине.

При небольшом рассогласовании углов управления, уравнительный ток может достигать недопустимых для вентилей значений, т.е. возникает аварийный режим. В связи с этим данный режим в практике не используется.

Напряжение второй вентильной группы в два раза больше напряжения первой работающей в инверторном режиме, но уравнительного тока не возникает. Это объясняется тем, что в данном случае уравнительный ток должен быть направлен от инвертора к выпрямителю, а такое напряжение тока противоположно направлению проводимости вентилей.

Поскольку данный режим не вызывает перегрузки вентилей, он используется в практике.

Содержание:

№	название темы	страница
1	Виды преобразования электрической энергии.	3
2	Классификация преобразователей электроэнергии. Виды коммутационных элементов.	4
3	Маркировка и условные обозначения тиристоров.	5
4	Симметричные, оптронные тиристоры	6
5	Силовые транзисторы. Элементы используемые для защиты п/п приборов. Выпрямители.	7
6	Неуправляемые выпрямители малой и средней мощности, допущения при анализе. Однополупериодная схема выпрямителя.	8
7	Однофазная нулевая схема выпрямления.	12
8	Однофазная мостовая схема.	14
9	Трёхфазная нулевая схема выпрямления.	16
10	Трёхфазная мостовая схема выпрямления. (СХЕМА ЛАРИОНОВА)	20
11	Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.	22
12	Электрические фильтры выпрямителей. Простой индуктивный фильтр.	24
13	Простой ёмкостной фильтр.	25
14	Индуктивно-ёмкостные фильтры.	26
15	Влияние фильтров на работу выпрямителей. 1-ый случай. Влияние индуктивного фильтра.	27
16	2-ой случай. Влияние индуктивного фильтра (ИФ) на работу выпрямителя с непрерывным выходным напряжением.	28
17	Влияние ёмкостного фильтра.	29
18	Влияние индуктивно-ёмкостного фильтра. (ИЕФ)	30
19	Внешние характеристики маломощных выпрямителей	31
20	Выпрямители средней и большой мощности. Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором (ДТВ с УР)	32
21	Внешняя характеристика. ДТВ с УР	36

22	Комбинированные схемы выпрямителей.	37
23	12-ти фазный выпрямитель при параллельном соединении мостов	39
24	Схема 24-х фазного выпрямителя с последовательным и параллельным соединением.	40
25	Способы регулирования постоянного напряжения.	41
26	Регулировочные характеристики управляемых выпрямителей Ud=f(α).	45
27	Несимметричные выпрямители.	47
28	Коммутационные процессы в мощных выпрямителях.	49
29	Внешняя характеристика мощного выпрямителя.	53
30	Коэффициент мощности управляемого выпрямителя.	54
31	Инверторы ведомые сетью.	55
32	Однофазный инвертор	56
33	Однофазный инвертор с 0-ым проводом.	58
34	Выходные характеристики зависимых инверторов.	60
35	Уравнение линии границы устойчивости или ограничительной характеристики. Способы регулирования мощности отдаваемой инвертором в сеть переменного тока.	61
36	Трехфазный инвертор	63
37	Трёхфазный мостовой инвертор напряжения.	64
38	Реверсивные преобразователи.	65
39	Основные схемотехнические решения.	67
40	Встречно параллельная схема. Принцип раздельного управления вентилями.	68
41	Совместное управление выпрямителем.	69

Набрал и оформил

Шакин А.В.

Отредактировала Шакина Е.Е.

По вопросам размещения и оформления

учебного материала обращайтесь!

группа 00ПЭ

72

49

50

71

51

70

52

69

53

68

54

67

55

66

56

65

57

64

58

63

59

62

60

61