Конспект лекций по энергетической электронике, часть 2.

Лекция 1

Классификация преобразователей

К числу основных видов преобразования электрической энергии относят:

1. выпрямление переменного тока;

2. инвертирование тока;

3. преобразование частоты;

4. преобразование числа фаз;

5. преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения;

6. формирование определенной кривой переменного напряжения (например, мощных импульсов тока), которые находят применение в специальных установках.

7. ведомые, зависимые от сети. Осуществляется периодический переход тока с одного вентиля на другой, коммутация тока осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника;

8. автономные. Коммутация осуществляется специальной электрической цепью, формирующей управляющие сигналы.

9. преобразователи с естественной коммутацией, в которых цепь переменного тока связана с цепью постоянного тока. Эти преобразователи обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях. Различают выпрямительный и инверторный режимы их работы;

10. преобразователи с принудительной коммутацией, с помощью которых связана цепь постоянного тока с переменной. Также обеспечивают работу в двух режимах, но в основном в инверторном режиме;

11. преобразователи с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока (прерыватели постоянного тока);

12. преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной частоты (прерыватели переменного тока);

13. специальные преобразователи, представляющие собой комбинации всех остальных (например, преобразователь частоты со звеном постоянного тока);

14. преобразователи с естественной и принудительной коммутацией, связывающие цепи переменного тока разных частот (преобразователи частоты).

Выпрямители.

Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам:

• по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100 кВт);

• по числу фаз источника питания (электрической сети);

• по числу пульсаций (импульсов) в кривой выпрямленного напряжения за период питающего напряжения: однополупериодные, двухполупериод-ные и m-полупериодные.

Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях – управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) – неуправляемые выпрямители. Виды нагрузок выпрямителей:

-активная нагрузка;

-активно-индуктивная нагрузка;

-активно-емкостная нагрузка;

-нагрузка c противо-ЭДС (двигатель постоянного тока, аккумулятор).

Схемы неуправляемых выпрямителей

Однополупериодная схема выпрямления

 

Рис.1. Однополупериодная схема выпрямления (а) и кривые токов и напряжений (б)

 

В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток - прямым током (рис.1).

В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток . Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток – обратным током.

Обозначим через сопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через – сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где

- падение напряжения в вентиле;

- выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии.

В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где - обратное напряжение на вентиле.

Для большинства типов вентилей обратный ток и падение напряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде

,

а в непроводящем полупериоде

.

В любой вентильной схеме выпрямленный ток имеет пульсирующий характер и наряду с постоянной составляющей содержит переменную составляющую . Переменная составляющая представляет сумму высших гармоник выпрямленного тока. Аналогично, выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие.

Для схемы рис.1 примем следующие обозначения:

– мгновенные значения напряжений и токов первичных и вторичных обмоток трансформатора.

Мгновенное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора

(1)

где и – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора, и – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Кривые выпрямленного тока и напряжения представляют собой полусинусоиды (рис.2), поэтому схема называется однополупериодной.

Рис.2. Кривые токов и напряжений в схеме рис.1

 

Мгновенное значение выпрямленного тока

(2)

В первом полупериоде

(3)

;

;

;

.

Замечание. При работе выпрямителя на нагрузку и в режиме непрерывного тока при работе на якорную цепь двигателя действительно предложенное выражение для средневыпрямленного напряжения: Средневыпрямленное напряжение преобразователя или постоянная составляющая выпрямленного напряжения – это отношение интеграла по кривой выпрямленного напряжения к периоду повторяемости.

(4)

откуда

(5)

Так как обычно напряжение сетевое задано, коэффициент трансформации

Постоянная составляющая выпрямленного, или анодного, тока

(6)

Амплитуда тока через вентиль

(7)

Амплитуда обратного напряжения

(8)

По полученным значениям

из каталога выбираем соответствующий вентиль с его эксплуатационными параметрами, заданными заводом-изготовителем.

Сумма первичных и вторичных рабочих намагничивающих сил трансформатора в рассматриваемой схеме отличается от нуля, т.е. имеем магнитно-неуравновешенную систему. Постоянные намагничивающие силы создают постоянный магнитный поток, который может вызвать значительное насыщение магнитной системы, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и, соответственно, расчетной мощности. Во избежание этого нежелательного явления магнитную систему трансформатора рассчитывают с учетом постоянной составляющей потока.

Увеличенная расчетная мощность трансформатора и наличие значительных высших гармоник в выпрямленном токе ограничивают широкое распространение рассматриваемой вентильной схемы

Влияние активно-индуктивной нагрузки на работу однополупериодного выпрямителя

Рис. 1а

Рис.1 б

На рисунке 1б изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления. На интервале [t₁ ;t₂ ] положительный потенциал фазы U₁ отпирает диод VD1, при этом в дросселе L_н накапливается электромагнитная энергия .

На интервале [t₂ ;t₃ ] VD1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U₁ (такой режим называется инверторным). Коммутационная задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.