9. Преобразователи ирегуляторы напряжения

Силовые преобразователи используют для питания электродвигателей ,электромагнитов и т.д., работающих от сетей постоянного и переменного тока различных напряжений.

Силовые преобразователи для питания электромагнитов, как правило, состоят из элемента гальванической развязки на оптопаре и ключа на биполярных и IGBT транзисторах или тиристорах и симисторах. Наиболее сложены схемы гальванической развязки и ключей для электроприводов, но в последнее десятилетие, благодаря успехам силовой электроники, освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых модулей (IPM) с встроенными средствами защиты силовых ключей и интерфейсами для подключения к микропроцессорным системам управления.

В системах автоматизации схемы для согласования уровней напряжения на выходе микропроцессорного контроллера и на входе силового преобразователя и их гальванической развязки называют драйверами.

Основными узлами силовых преобразователей являются неуправляемые и управляемые одно- и трехфазные выпрямители и инверторы напряжения, преобразующие постоянное напряжение в переменное с частотой от нескольких герц до нескольких десятков и сотен килогерц. Инверторы выполняют на тиристорах, биполярных, полевых и IGBT транзисторах. Различные варианты перечисленных узлов будут рассмотрены далее.

9.1. Трёхфазные выпрямители

В трехфазном однотактном выпрямителе с активной на­грузкой вентили работают поочередно по 2π/3 периода каждый, если не учитывать влияния на процесс коммутации вентилей индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток трансформатора. В каждый заданный момент време­ни работает вентиль фазы, напряжение которой является наи­большим, так как катоды всех трех вентилей имеют одинако­вый потенциал, практически равный потенциалу анода откры­того вентиля (падением напряжения на вентиле пренебрегаем), по отношению к которому потенциалы анодов двух других вен­тилей отрицательны (рис. 9.1, а).

Точки а, b, с (см. рис. 9.1, б) называют точками естественной коммутации, в них происходит смена проводящих ток венти­лей.

В промежутке времени от а до б работает вентиль V1 фа­зы а, так как напряжение фазы U_а при этом наиболее положительно; в промежутке bс работает вентиль V2 фазы b, так как напряжение U_в становится наиболее положительным, и т. д.

Рис. 9.1. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б) трехфазно­го однотактного выпрямителя при работе на активную нагрузку

Таким образом, каждый вентиль в условиях естественной коммутации работает в течение 2π/3, или в течение одной трети каждого периода выпрямленного тока.

Среднее значение выпрямленного напряжения

(9.1)

Коэффициент пульсации

(9.2)

Однотактные трехфазные выпрямители применяют в вы­прямителях средней мощности для питания электродвигателей постоянного тока малой и средней мощности. Двухтактный трехфазный выпрямитель, в отличие от однотактного трехфазного выпрямителя, у которого вторичные об­мотки трансформатора можно соединять только в звезду, поз­воляет соединять обмотки трансформатора, как в звезду, так и в треугольник. Это значит, что с помощью одного силового трансформатора, переключая вторичные обмотки со звезды на треугольник, можно получить два выпрямленных напряжения, отличающихся в 1,7 раз.

В

Рис. 9.2. Принципиальная схема (а), временные диаграммы (б) двухтактного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме Ларинова и принципиальная схема (в), временные диаграммы (г) выпрямителя с уравнительным реактором.

ентили в двухтактном трехфазном выпрямителе, называе­мом схемой Ларионова, работают попарно поочередно (рис. 9.2, а), как это показано на временных диаграммах (рис. 9.2, б).

В любой рассматриваемый момент времени работает чет­ный вентиль фазы, напряжение которой наиболее положитель­но, и нечетный вентиль фазы, напряжение которой наиболее отрицательно. Каждый вентиль работает в течение одной трети каждого периода, но, поскольку четные и нечетные вентили переключаются со сдвигом по фазе, то смена пар вентилей происходит каждую шестую долю периода.

При работе выпрямителя на активную нагрузку выпрямлен­ное напряжение

, (9.3)

где U_2Л — линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U_2ф— фазное напряжение вторичной обмотки.

Число фаз выпрямления т = 6, поэтому коэффициент пуль­сации m = 2 (σ² - 1) =0,057.

Обратное напряжение U_обр = 1,045 U₀.

Среднее значение тока через вентиль I_ср=I₀/3.

Полная мощность трансформатора P_тр=1,05Р₀.

По всем показателям схема Ларионова превосходит рас­смотренные ранее схемы выпрямления, поэтому она является одной из основных схем для выпрямителей большой мощности.

Для мощных выпрямителей необходимо учитывать индук­тивное сопротивление рассеяния Х_L, которое вызывает уменьше­ние выпрямленного напряжения за счет длительности коммута­ции у, что следует учитывать при проекти­ровании выпрямителей по схеме Ларионова и выбирать для нее силовой трансформатор с возможно меньшим индуктивным сопротивлением рассеяния X_L.

Рассмотрим схему с уравнительным реактором. В ней число фаз выпрямления, так же как и в схеме Ларионова, m = 6. Эта схема получила название «две обратные звезды с уравнительным реактором» (схема Кюблера).

Схема выпрямителя приведена на рис. 9.2, в. Она представ­ляет собой два трехфазных выпрямителя со средней точкой, работающих параллельно через уравнительный реактор УР на общую нагрузку.

Питание схемы осуществляется через трехобмоточный транс­форматор, на каждом стержне которого расположено по две одинаковые вторичные обмотки. При этом в выпрямителе 1 вторичные обмотки подключены к анодам вентилей началами, а в выпрямителе 2 обмотки подключены к анодам вентилей концами. В результате соответствующие фазные напряжения двух вторичных обмоток трансформатора смещены относитель­но друг друга на 180°.

Уравнительный реактор представляет собой катушку с замк­нутым магнитопроводом, имеющую две обмотки, включенные, как показано на рис. 9.2, в.

Схема с уравнительным реактором имеет ряд достоинств по сравнению с мостовой схемой:

- вдвое меньше среднее значение тока вентилей и меньше его действующее значение;

- более высокий к. п. д. при малых значениях выходных на­пряжений, так как ток протекает последовательно только че­рез один вентиль;

- удобное охлаждение вентилей, которые могут быть установ­лены на один общий охладитель.

Недостатками схемы являются ее сложность, более высокая установленная мощность оборудования, большее обратное на­пряжение на вентилях.

Схема с уравнительным реактором используется в преобра­зователях с большой величиной выходных токов (1000 А и выше).