Глава вторая

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ

2.1. Подробный обзор

Преобразователи с естественной коммутацией, состав-лепные из статических элементов, таких, как трансфор­маторы, реакторы, конденсаторы и вентили, могут при­меняться для передачи энергии как в одном, так и в обо­их направлениях между цепями переменного и постоян­ного тока или между двумя цепями переменного тока разных частот. Вентили могут быть управляемыми или неуправляемыми. Наиболее распространенными управ­ляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляе­мыми— полупроводниковые диоды. Раньше наиболее часто использовались управляемые и неуправляемые вентили с ртутными катодами. Вентили с ртутным като­дом все еще применяются в некоторых устройствах, на­пример в блоках питания радиопередатчиков.

Коммутация, необходимая для обеспечения требуемо­го потока энергии в желаемом направлении, возникает в преобразователе с естественной коммутацией вследст­вие изменения междуфазного напряжения. При исполь­зовании таких преобразователей для связи систем пере­менного и постоянного тока напряжение в системе пере­менного тока должно поддерживаться генераторами до­статочной мощности. Если обе соединяемые системы яв­ляются системами переменного тока, то в зависимости-от конкретных условий может оказаться достаточным, чтобы генераторы были только в одной системе. В дру­гих случаях генераторы могут быть в обеих системах переменного тока.

С учетом вышесказанного преобразователи с естест­венной коммутацией могут быть подразделены на две большие группы: 8

преобразователи, обеспечивающие передачу' потока энергии между системами переменного и постоянного тока;

преобразователи, обеспечивающие передачу потока энергии между двумя системами переменного тока, ра­ботающими при различных напряжениях или частотах (специальные преобразователи).

За некоторыми исключениями, в настоящей главе рассматриваются преобразователи первой группы.

Краткое описание преобразователей с естественной коммутацией, соединяющих системы переменного и по­стоянного тока. Преобразователи, относящиеся к этой группе, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Для снижения потребления реактивной мощности мож­но присоединить шунтирующий диод на стороне посто­янного тока управляемого преобразователя. В неуправ­ляемых преобразователях или в управляемых преобра­зователях, имеющих шунтирующий диод, энергия может передаваться только из системы переменного тока в си­стему постоянного тока, т. е. такие преобразователи мо­гут работать только в выпрямительном режиме. Управ­ляемые преобразователи могут передавать энергию в обоих направлениях. Когда энергия передается из си­стемы переменного тока в систему постоянного тока, преобразователь работает в выпрямительном режиме, при передаче энергии в противоположном направлении преобразователь работает в инверторном режиме.

В зависимости от типа источника переменного тока различают однофазные и трехфазные преобразователи. Основными параметрами преобразовательной схемы яв­ляются число возможных направлений тока и число пульсаций. В зависимости от того, проходит ли ток в вентильной обмотке преобразовательного трансформа­тора только в одном направлении или в том и другом направлениях, различают однонаправленные и двухна-правленные схемы. Число пульсаций — это отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразова­теля к частоте напряжения на стороне переменного тока.

Схемное выполнение преобразователей с естествен­ной коммутацией характеризуется так называемыми коммутационными группами. Коммутационная группа содержит все вентили, которые в нормальных рабочих условиях коммутируют между собой независимо от вен­тилей других групп. Данный преобразователь может иметь несколько коммутационных групп, которые могут соединяться параллельно или последовательно.

Н

Рис. 2.1. Преобразова­тельная схема 1Ф1Н1П.

а рис. 2.1—2.3 даны примеры основных однофазных схем. Схема, показанная па рис. 2.1, обозначена 1Ф1Н1П (однофазная, однонаправленная, однопульсная), схема

Рис. 2.2. Преобразователь ная схема 1Ф1Н2П.

на рис. 2.2—1Ф1Н2П (однофазная, однонаправленная, двухпульсная) и схема на рис. 2.3—1Ф2Н2П (однофаз­ная, двухнаправлениая, двухпульсная или однофазная мостовая схема). В схемах могут использоваться либо

Рис. 2.3. Преобразовательная схе- Рис. 2.4. Преобразовательная ма 1Ф2Н2П. схема ЗФ1НЗП.

неуправляемые преобразователи—диоды Д, либо управ­ляемые— тиристоры Т. К зажимам постоянного тока может быть присоединен шунтирующий диод Д₀, пока­занный на рисунках пунктирной линией. Управляемые преобразователи, выполняемые по схемам 1Ф1Н2П и 1Ф2Н2П, при отсутствии шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме.

На рис. 2.4—2.7 приведены некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей. На рис. 2.4 дана схема типа ЗФ1НЗП. Вентили этой схемы (Д_ь Д₂, Дз или Г_ь Т2у Тз) образуют единую коммутационную группу. Изме­няя число сетевых и вентильных обмоток преобразова­тельного трансформатора, можно получить несколько вариантов показанной на рис. 2.4 однонаправленной схемы. Их общей особенностью будет соединение обмо­ток в звезду, что характерно для однонаправленных

ма ЗФ1Н6П с уравнительным ре­актором.

схема ЗФ2Н6П.

схем. Например, увеличивая число вентильных обмоток преобразовательного трансформатора до шести и соеди­няя их в звезду или объединяя нулевые точки вентиль­ных обмоток нескольких преобразовательных трансфор­маторов различных коммутационных групп, можно уве­личить число фаз на стороне вентильных обмоток и, сле­довательно, путем такого развития схемы, показанной на рис. 2.4, увеличить число пульсаций преобразователя. Особенности таких схем будут рассмотрены более по­дробно при решении задач.

На рис. 2.5 показано параллельное соединение двух различных коммутационных групп (/ и //). Разность мгновенных значений напряжений двух групп приклады­вается к уравнительному реактору L\. Известно несколь­ко вариантов этой схемы, мало различающихся между собой. Увеличивая число обмоток уравнительного реак­тора, можно увеличить число параллельно соединенных коммутационных групп. Интересно отметить, что схема, показанная на рис. 2.5, соответствует схеме ЗФ1Н6П, если исключить уравнительный реактор L\ и соединить нулевые точки обмоток. Это шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис. 2.4.

На рис. 2.6 показана схема ЗФ2Н6П, известная под названием трехфазной мостовой схемы. В этой схеме также имеются две коммутационные группы: / и //. Группы соединены последовательно, а выходное напря­жение преобразователя равно сумме выходных напря­жений Ud\ и u_d2 обеих коммутационных групп.

Как и в однофазных схемах, на стороне постоянного тока преобразователей, представленных на рис. 2.4—2.6, могут быть присоединены шунтирующие диоды. Потреб­ление реактивной мощности в схеме ЗФ2Н6П может быть также уменьшено при несимметричном управле­нии обеими коммутационными группами.

Управляемые преобразователи без шунтирующих ди­одов могут работать и в инверторном режиме. Следует

добавить, что при наличии уравнительного реактора пре­образователи, имеющие схему соединения ЗФ2Н6П, могут со­единяться параллельно (па­раллельная работа последова­тельно соединенных коммута­ционных групп).

На рис. 2.7 показана схема, часто применяемая в электро­приводе. Две последовательно соединенные коммутационные группы соединяются встречно-параллельно через уравнитель­ные реакторы. Таким способом на стороне постоянного тока может быть получено напряже­ние Ud любой полярности и при любом направлении

Рис. 2.7. Схема двух встречно-парал­лельно соединенных преобразовате­лей, обеспечивающая работу в четы­рех квадрантах.

тока. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы по контуру, составленному из двух преобразова­телей, не проходил слишком большой постоянный ток, который мог бы вызвать повреждение оборудования (так называемый уравнительный ток). Уравнительный ток может быть отрегулирован посредством пофазного управления преобразователями. Представленный здесь принцип может быть применен также к преобразовате­лям с другими схемами соединений; это ведет к возник­новению значительного числа дополнительных вариан­тов.

Схема пригодна также и для получения напряжений переменной частоты посредством периодического изме­нения углов включения вентилей преобразователей.

Порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией, предназначенных для пере­дачи энергии между цепями переменного и постоянного тока. Для проектирования требуются следующие исход­ные данные:

напряжение, частота и мощность КЗ в сети перемен­ного тока;

напряжение на стороне постоянного тока (или необ­ходимый диапазон его изменения); преобразуемая мощность;

некоторые дополнительные данные (пульсации вы­прямленного напряжения или тока, содержание гармо­ник тока на стороне переменного тока, коэффициент мощности).

При проектировании должны быть выполнены сле­дующие расчеты:

после того как выбрана наиболее подходящая схема преобразователя, определяется действующее значение напряжения вентильной обмотки преобразовательного трансформатора, исходя из требуемого наибольшего зна­чения выпрямленного напряжения;

вычисляются действующие значения токов в обмот­ках преобразовательного трансформатора и производит­ся его расчет. Нагрузка трансформатора, работающего на преобразователь, несинусоидальна и различна для сетевых и вентильных обмоток, поэтому вводится поня­тие о расчетной мощности трансформатора. Используя это понятие, можно рассчитывать преобразовательный трансформатор принципиально так же, как рассчитыва­ются обычные силовые трансформаторы. Расчетная

мощность определяется по формуле «$тр= («Sp-f-«Se)/2j

где

Sp=UpIptlp И Ss^Ualsft-s-

Здесь (7, / — действующие значения напряжений и токов трансформатора; п — число обмоток; индекс р со­ответствует сетевым (первичным) обмоткам, а индекс s — вентильным (вторичным) обмоткам трансформа­тора;

при некоторых схемах преобразователей в вентиль­ных обмотках преобразовательного трансформатора протекают токи только в одном направлении (пульсиру­ющие токи). Это может привести к нарастанию неском-пеисированной (остаточной) намагниченности стержней магнитопровода преобразовательного трансформатора. Лучше избегать схем, при использовании которых воз­можны такие явления. Если же такое решение все-таки необходимо, то действие пульсирующей нагрузки долж­но быть проверено расчетом и должны быть приняты меры по уменьшению ее неблагоприятного влияния (на­пример, ввести третичные обмотки);

вычисляются действующее и среднее значения токов в каждом элементе преобразователя;

вычисляются напряжения на вентилях преобразова­теля. После получения результатов расчетов выбирают­ся вентили;

определяются коэффициент мощности и содержание высших гармоник тока на стороне переменного тока пре­образователя. С учетом содержания высших гармоник тока коэффициент мощности X=P_P/S_P записывается в виде

Я—v cos <р,

где v=Ipi/I_P — коэффициент искажения, равный отно­шению действующего значения тока основной гармоники к действующему значению всего тока; ф — угол сдвига фазы основной гармоники тока 1_р1 относительно напря­жения;

определяется содержание гармоник высших токов t<j в цепи постоянного тока;

определяются параметры защитных устройств и устройств, обеспечивающих равномерное распределение 14

токов и напряжений в параллельно и последовательно соединенных вентилях, если таковые имеются.

Некоторые основные соотношения, используемые при расчетах. Вентили обладают нелинейными характеристи­ками, поэтому при анализе процессов в схемах преобра­зователей методы теории линейных цепей имеют ограни­ченное применение. Из-за нелинейности характеристик вентилей режимы работы и характеристики преобразо­вательных схем довольно сильно зависят от вида на­грузки. С учетом этих особенностей проводимые далее соотношения будут справедливы только для заданных типов нагрузок и в ограниченных диапазонах режимов. В электротехнике разработаны методы расчетов при двух широко используемых видах нагрузок. В первом случае на выводы преобразователя со стороны постоян­ного тока включается сглаживающий конденсатор боль­шой емкостью. Она служит для ограничения в заданных пределах пульсаций напряжения постоянного тока. Этот способ сглаживания имеет довольно ограниченное зна­чение для силовой электроники, так как он может быть применен лишь при небольших мощностях. Во втором случае к выводам преобразователя со стороны постоян­ного тока присоединяется нагрузка, состоящая из после­довательно соединенных резистора, реактора и противо-ЭДС (любой или любые два из этих элементов могут отсутствовать). Основные соотношения, относящиеся к этим двум случаям, будут рассмотрены ниже.

Расчет схемы выпрямителя со сглаживающим кон­денсатором. При наличии сглаживающего конденсатора

ток, протекающий через вентили и обмотки трансформа­тора, будет несинусоидальным. Значение выпрямленного* напряжения сильно зависит от нагрузки. Необходимо знать характерные значения токов в трансформаторе и диодах, а также связь между нагрузкой и пульсацией выходного напряжения в установившемся режиме. На­конец, должны быть определены переходные сверхтоки,, возникающие при включении преобразователя. Все эти вычисления довольно громоздки и приводят к трансцен­дентным уравнениям [1], на основе которых построены семейства кривых, показанные на рис. 2.8—2.12. Исполь­зование этих кривых проиллюстрировано ниже при ре­шении задач.

Расчет преобразователей с нагрузкой, состоящей и.-* последовательно соединенных реактора, резистора и про-тиво-ЭДС [1—10]. При нагрузке преобразователей это­го типа следует различать режимы непрерывной и пре­рывистой проводимостей преобразователя. В режиме прерывистой проводимости выпрямленный ток периоди­чески спадает до нуля. Каждый раз вентили включают­ся при нуле тока в цепи подобно тому, как это проис­ходит при пуске. В режиме непрерывной проводимости ток в цепи выпрямленного тока не снижается до нуля и переводится с одного вентиля на другой за короткие интервалы коммутации.

*1Ч

2-9

IT

М

Рис. 2.11. Диа­граммы для расче­та однофазных вы­прямительных схем с конденса­торными фильт­рами.

5 7 рад

етодика расчета в этих двух случаях будет различ­ной, поэтому в первую очередь должно быть выяснено, в каком из этих двух режимов будет работать преобра­зователь. Критерий представлен трансцендентным урав­нением [4], решения которого отражены семействами

кривых, показанных на рис. 2.13 и 2.14. Рис. 2.13 отно­сится к работе однонаправленного р-пульсного преобра­зователя в выпрямительном режиме, рис. 2.14 — к рабо­те того же преобразователя в инверторном режиме. Все формулы, приведенные ниже, также относятся к одно­направленным схемам.

В семействах кривых области непрерывной и преры­вистой проводимостей ограничены пунктирными линия­ми. Характеристика, показанная пунктирной линией*

Рис. 2.13. Диаграммы для определения углов выключения в выпря­мительных режимах при различных значениях противо-ЭДС E_d.

a = E_d/V2U_s; cos^y===. 2* 19

удовлетворяет соотношению

а выкл ^а I р у

где р — число пульсаций за период.

Фазные углы а' и а'выкл отсчитываются от момента прохождения через нуль фазного напряжения вентиль­ной обмотки трансформатора (когда оно становится по­ложительным).

Рис. 2.14. Диаграммы для определения углов выключения, когда шолярность противо-ЭДС Ed соответствует инверторному режиму.

Предположим, что преобразовательный трансформа­тор идеальный, т. е. имеет нулевое падение напряжения и нулевой ток намагничивания, вентили также идеаль­ные с нулевым падением напряжения в прямом направ­лении и нулевым обратным током, тогда среднее значе­ние выпрямленного напряжения преобразователя в об­ласти прерывистой проводимости можно получить по «формуле

_-Н^а-т)]-^Ч¹-^а-^)^ <^2Л)

где U₈-—действующее значение синусоидального напря­жения на вентильной обмотке трансформатора; а — угол включения вентиля (угол управления), отсчитываемый от момента прохождения через нуль напряжения на вен­тиле (когда оно становится положительным); а_ВЫкл — угол выключения вентиля, отсчитываемой от того же момента времени.

В случае непрерывной проводимости эта формула при идеальном трансформаторе (индекс i) и а=0 упрощает­ся и принимает следующий вид:

Ud = U_dia = Udu cos а,

где

:• U_di0 = V2U_s-^sinf. (2.2)

В обоих случаях ток может быть вычислен по фор­муле

(2.3)

В преобразовательных трансформаторах эквивалент­ные индуктивные сопротивления обычно гораздо больше по значению активных сопротивлений обмоток. В соот­ветствии с этим трансформатор в первом приближении замещается индуктивным сопротивлением, соединенным последовательно с элементами преобразователя.

Из-за наличия индуктивных сопротивлений коммута­ция тока между вентилями уже не будет мгновенной, как при идеальном трансформаторе, поэтому среднее значе­ние выпрямленного напряжения также будет другим. Вычисления обычно производятся с допущением того, что из-за большого значения индуктивности L_d реактора, последовательно включенного в цепь постоянного тока, выпрямленный ток i_d практически постоянен.

Предполагая, что коммутации различных пар венти­лей не накладываются друг на друга, напряжение U_d можно вычислить по формуле

II —11 — 11 i^J_~rj COS а-г-COS (a-f-Y) /о лч

а угол коммутации у — из уравнения

^{cos (а + y) = cos а ——■——, (2.5)}

$ р

Ток вен­тиль­ной об­мотки	Форма кривой	Такая же, как для тока вентиля		—	Такая же, какгдля тока вентиля	Такая же, как для тока вентиля
	Действующее значе­ние (без учета коммутаций)	Такое же. как для тока вентиля		—-	Такое же, как для тока вентиля	Такое же, как дли тока вентиля
	Поправка на комму­тацию	Такая же, как для тока вентиля		-	_Такая же, как для тока вентиля	Такая же, как для тока вентиля
Ток сете­вой об­мотки	Форма крпво'1		т	—			e,S77Xd
		Л . . ./ . '	г;				\/}J 1 iVj L_
		От
	Действующее значе­ние (без учета ком­мутации)	1		—	ш
	Поправка па комму­тацию			-
		Vl—№ (о. Т)			Vl —9/2У (о. 1)	V 1 — 9/2Ф- (а. Т)
	Коэсрфицнент фо;>мы т=о	1		—	—
Ток сети	Форма кривой	Такая Же,-как для тока сетевой обмотки			Такая же, как для тока сетевой обмотки	С- .	J /, .'■	"К гзг
				•Д, i ]J ,		й V		v-
	Действующее значе­ние (без учета ком­мутации)	Такое же, как для тока сетевой обмотки		щ	Такое же, как для тока сетевой обмотки

Продолжение табл. 2.1

Ха рактеристика		Однофазная с нулевой точкой (1Ф1Н2Л)	Однофазная мостовая • (1Ф2Н2П)	•Трехфазная, .звезда— звезда"	Трехфазная, „треуголь­ник—зигзаг"
Тон сети	Поправка на комму­тацию	Такаяоке, как для тока сетевое обмотки	Vl— 4Ф(а. Т)	Такая же, как для тока сетевой обмотки	/l —9/2W (a, T)
	Коэффициент формы	Такой же, как для тока сетевой обмотки	1	—	—
	Сетевая обмотка (без учета коммутации)	2 У2 й	—	ЗУГ d	зУз d
	Поправка на комму­тацию	/|— 4цг (0°. Т)	—	У1—9/2W (0°. Т)	У1—9/2Щ (0°. T)
		cos»T/2		cos*Т/2	«>s»T/2
Мощ­ность транс­форма­тора	Вентильная об.ютка		—
	Поправка на комму­тацию	У 1 —2ЦГ(0°. Т)	—	У 1—34' (0°, Т)	^l—3W (0°.T)
		cos8 Т/2		cos"T/2	cos1 T/2
	Расчетная мощность		-	ш±т ..35Р,	,'2,2+Ь71 M6P,
	Коэффициент мощ­ности: 1=0	2 У 2~ cos а it 0.9 cos (a+T)+cos а	2 УГ cos а к 0,9 cos (a + T) + cos а	з Уз" ,1ж cos a 0.82в cts (a+T)+cos a	з Уз~ —- COS a 0,826 COS (a+T)+cos a
		^ V l—АЧ' (а, Y)	Vl—4W(o, т)	2 У 1—(9/2) W (a, т)	2 yi-(9/2)Ur(o.T)
	Выпрямленное напря­жение	(2^Г-с.9)х cos (a+T)+cos а	('?"-»)* v,,,COS ia+T)+COS a	wrTcos (a+T)+cos a	4_,rCOS(a+T)+COS a
		XU 2	■ 2	■ 2	X 2

где L_% — индуктивность трансформатора (контура комму­тации) на фазу.

Реальное значение выпрямленного напряжения обыч­но вычисляется путем вычитания из значения U<i оценоч­ных или расчетных значений падений напряжения на активных сопротивлениях и вентилях. Среднее значение тока в вентильной обмотке трансформатора для одно­направленных схем вычисляется по формуле

Isc_P=Id/p. (2.6)

П

(2.7)

редполагая, что ток id идеально сглажен, получим, что действующее значение фазного тока в вентильных обмотках трансформатора для однонаправленной схемы равно:

т h

£=1Лу),

где Ч? — коэффициент коррекции на коммутацию.

При том же предположении действующее значение фазного тока в сетевых обмотках преобразовательного трансформатора можует быть записано в виде

/_Р = V* VT^W^ Y). (²-8)

где £_Тр — коэффициент трансформации трансформатора; Pi — постоянная, имеющая различные значения для раз­ных схем (табл. 2.1 и 2.2).

На рис. 2.15 представ­лены кривые ^(га, у) при Yo — угле коммутации для случая неуправляемого преобразователя и иде­ально сглаженного то­ка id-Относительно содер­жания высших гармоник в выпрямленном токе, токе сетевых обмоток и

в выпрямленном напряжении следует иметь в виду сле­дующее:

в выпрямленном напряжении р-пульсного преобразо­вателя имеются только гармоники с номерами n—kp (k — целое число). С возрастанием углов включения вен­тилей увеличиваются и амплитуды гармоник, достигая максимума при значениях углов, соответствующих нуле­вому среднему значению выпрямленного напряжения;

Характеристика