книги из ГПНТБ / Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений

анализа 'реальная характеристика вентиля может быть аппроксимирована двумя линиями, как это показано на рис. 20,а. От простой двухлинейной характеристики, при­ веденной на рис. 18,г, характеристика, показанная на рис. 20,а, отличается тем, что наклонная линия смещена от начала координат на некоторую величину Есм, кото­ рую можно назвать напрязюением смещения.

Тем самым влияние начального участка реальных ха­ рактеристик вентилей можно учесть путем введения фиктивной противо-э. д. с. во внутренние ветви схемы замещения (рис. 18,а). При этом физическая сущность явлений, рассмотренных выше, не претерпевает принци­ пиальных изменений, но режимные показатели схемы и условия ее работы.изменяются.

Несмотря на учет напряжений смещения, способст­ вующих существованию режима прерывистых выходных токов, в многофазных схемах (от^З) по-прежнему на­ блюдается явление коммутации (см. рис. 20,6, где пунк­ тирной линией показано суммарное напряжение ин= = «о+£см). Вместе с тем по сравнению с предыдущим случаем, когда учитывались лишь активные сопротивле­ ния, учет напряжений смещения снижает напряжение «о на нагрузке, сокращает подынтервал коммутации и длительность открытого состояния вентилей и работы фаз трансформатора, увеличивает величину пульсации, уменьшает средние, действующие и амплитудные значе­ ния токов нагрузки, вентиля и фазы и амплитуду обрат­ ного напряжения. При этом потери на вентиле возраста­ ют, а к. п. д. схемы снижается.

Как уже отмечалось, низковольтные схемы выпрям­

Поэтому следует рассмотреть особенности работы этих схем при изменении их внутренних сопротивлений и сопротивления нагрузки в широких пределах.

Состояния схем или устройств, имеющие место при изменении параметров в широких пределах, будем назы­ вать параметрическими.

Для удобства дальнейшего изложения введем также следующие понятия: приведенное к сопротивлению на­ грузки внутреннее сопротивление выпрямителя n=r[R, приведенное к внутреннему сопротивлению выпрямите­ ля сопротивление его нагрузки N ~ R /r и приведенное

к амплитудному значению э. д. с.'напряжение смещении е=£см/£макс. Параметры п п \N являются взаимно-обрат­ ными (инверсными). Параметры п (или N) и е явля­ ются независимыми и определяют параметрические со­ стояния схем. Поэтому такого рода параметры будем называть определяющими.

Выше были рассмотрены случаи при таких опреде­ ляющих параметрах, когда внутри интервала повторяе­ мости попеременно участвовало в работе то две, то одна внутренняя ветвь. Такое состояние схем соответствует

Рис. 21. Основные режимы выпрямителя и зоны работы вентилей {т—6).

первому коммутационному режиму. Однако в многофаз­ ных схемах возможны режимы, когда в коммутации участвует более двух ветвей. Проследим изменение со­ стояний на примере шестифазной схемы выпрямления.

На рис. 21 для случая е=0 приведены кривые напря­ жения при различных п, отражающие разные режимы. Заштрихованные участки показывают зоны работы вен­ тилей. Цифры, относящиеся к зонам, показывают число,

п —0 (идеальная схема или режим холостого хода). По мере увеличения п, например с ростом тока нагрузки или снижении ее напряжения, появляется подынтервал

50

Рнс. 22. Зависимости первых граничных значении определяющих параметров п и в многофазных схем выпрямления.

увеличиваются. Их величина при е=0 определяется из

(5) после подстановки (1) и (3):

kn— Ѳcos (Ѳ — у) (1 — cosy).

sin Ѳ

Изменение пульсации показано на рис. 23 на примере шестифазной схемы. Минимум пульсации соответствует граничному режиму, что наряду с удвоением частоты

52

Переход из одного режима в другой определяет -го- стояние схем, которое может быть названо критическим. В этом состоянии работают только по две ветви, и внекоммутационный подынтервал отсутствует (см. кри­ вую 5 на рис. 21). Частота пульсации в этом режиме равна і/п.кр = »і/, а ее величина достигает максимальных значений, что является недостатком критического ре­ жима.

Критические значения приведенного сопротивления нагрузки Мкѵ, подынтервала коммутации укр и начально­ го угла фазной э. д. с. ч|)кр определяются из следующих выражений:

где индекс 1 соответствует первому критическому со­ стоянию, а индекс 0 — случаю е= 0,

Из (11) следует, что первое критическое состояние имеет место в схемах при 4.

Представляет интерес определить величины гранич­ ных и критических значений приведенных сопротивлений при 6= 0 для различных схем выпрямления. Результаты расчетов по формулам (7) и (12) сведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что чем больше число фаз выпрям­ ления пг, тем при меньших значениях п наступают гра­ ничные и критические режимы. Вероятность наступления таких режимов может быть легко оценена, если извест­ ны величины г и R. Граничным режимам соответствуют меньшие значения п, чем критическим. Однако уже

53

в 12-фазной схеме переход через критический режим происходит при незначительной величине п.

Следует напомнить, что нами рассматриваются без­ реактивные схемы. Если учитываются индуктивности (внутренняя или фильтровая), то указанные режимы наступают раньше, т. е. при значениях п, меньших чем указанные в табл. 2. Поэтому в собранном по многофаз­ ной схеме низковольтном выпрямителе, в котором в за­ висимости от параметров потребителя внутренние со-

Рис. 24. Зависимости первых критических значений определяющих параметров п и е многофазных схем выпрямления.

противления и нагрузки могут достигать соизмеримых значений, возможна работа в глубоких коммутационных режимах.

При учете напряжения смещения критические значе­ ния внутренних сопротивлений увеличиваются. Зависи­

При значениях определяющих параметров, лежащих ле­ вее указанных кривых, схемы работают в первом комму­ тационном режиме, лежащих правее — во втором.

Во втором коммутационном режиме процессы проте­ кают аналогично тому, как это было изложено выше для первого режима. Интервал повторяемости содержит два подынтервала коммутации — 2 и 1 (кривая 6 на рис. 2 1 ).

При указанном на рис. 21 начале координат 0 первый вентиль вступает в работу в момент $■=—у2, когда напряжение на нагрузке «ощ в первом подынтер­

54

вале сравняется с э. д. с. е*. В момент б'=у2 равенства э. д. с. вз и «ой,.закрывается вентиль В3. Длительность подынтервала 2 равна 2у2. Здесь открыты три вентиля В1—В3, нагрузку питают три э. д. с. еі—ез.

Длительность подынтервала 1 равна 2уі. Здесь рабо­ тают две внутренние ветви — первая и вторая. Структу­ ры схем в подынтервалах отличаются, таким образом, на одну ветвь, а системы уравнений, описывающие про­ цессы в них — на одно уравнение. Максимумы напряже­ ний «о(2) и «о(і) совпадают по времени с моментами пере­ сечения фазных э. д. с. в соответствующем подынтерва­ ле. Пульсации падают с ростом п.

В момент равенства э. д. с. ео и «ощ (кривая 6 на рис. 2 1 ) в работу вступает шестая ветвь и описанные процессы повторяются. Длительность открытого состоя­ ния Я=2(2Ѳ+у2). При равенстве «омакси= «омако(і) на­ ступает второй граничный режим, после чего пульсации

т> 6 схемы работают в третьем коммутационном режи­ ме. В работе попеременно участвует то четыре, то три внутренние ветви. В общем случае, когда внутри интер­ вала повторяемости процессов попеременно участвует

вработе то /г+ 1 , то k внутренних ветвей, схема работает

вk-м коммутационном режиме, где k=l , 2 , 3 . . . —

номер режима.

Остановимся кратко.на особенностях работы мосто­ вых схем выпрямления. В этих схемах независимая вну­ тренняя ветвь содержит как минимум два последователь­ но соединенных вентиля и одну фазу в однофазной или две фазы в трехфазной мостовых схемах. Это требует учета удвоенного значения напряжения смещения и па­ дения напряжения на сопротивлениях внутренних эле­ ментов. При перекрытии ветвей в трехфазной мостовой схеме в работе одновременно участвует не менее трех вентилей и фаз. Это приводит к увеличению потерь и, как следствие, габарита, массы и стоимости источника, к ухудшению надежности и к резкому снижению к. п. д. устройства. Поэтому в источниках милливольтовых и низких напряжений (до нескольких вольт) мостовые схемы применять не рекомендуется. При больших напря­ жениях нагрузки, когда напряжением смещения венти­

55

лей и падениями напряжений на внутренних сопротив­ лениях можно пренебречь, известные достоинства мо­ стовых схем становятся преимущественными по сравне­ нию с их недостатками, что и определяет целесообраз­ ность их применения.

Воднофазной мостовой схеме при рассматриваемых условиях явления коммутации внутренних ветвей ие на­ блюдается.

Втрехфазной мостовой схеме (рис. 25,а), несмотря на отсутствие индуктивных элементов, способствующих коммутации, и наличие встречных э. д. с., противодейст­ вующих этому явлению, перекрытие внутренних ветвей

может иметь место при е< екр.

При е=0 схема находится в коммутационном-состоя­ нии независимо от значений ее параметров. Для первого коммутационного режима, когда в работе участвуют поочередно то три вентиля (фазы), то два, на рис. 25,6—г приведены диаграммы токов и напряжений, очередность работы, число и номера фазных э. д. с. и вентилей моста. Сущность физических явлений, проис­ ходящих в таких схемах, аналогична изложенной выше для лучевых схем, но в качестве определяющих выбраны линейные э. д. с. е&, еі3, е2з, которые опережают фазные ві—е3 на_угол 30° и превышают их амплитудные значе­

ния в Ѵ З раз.

Зная направление векторов линейных э. д. с. и номе­ ра открытых вентилей, легко определить независимые контуры и их число. Для одного периода выходного на­ пряжения это выполнено на рис. 25,д, е. Показаны на­ правления токов, протекающих в цепях моста в подын­ тервале 1 (рис. 25,5) и в подынтервале 0 (рис. 25,е). Далее цикл повторяется. Изменяются лишь номера вен­ тилей в подынтервалах 1 и 0 и фаз в подынтервале 0. При этом перекрытие внутренних ветвей обусловлено перекрытием линейных, а не фазных э. д. с. Через вен­ тиль фазы, относительно которой в подынтервале комму­ тации рассматриваются оба вектора линейных э. д. с., течет весь ток нагрузки. В двух других, вентилях он распределен так, что ток закрывающегося вентиля спа­ дает до нуля, а открывающегося нарастает до значения тока нагрузки. Коротких замыканий фазных э. д. с. и нагрузки не наблюдается.

Аналогичная ситуация имеет место и в случае, если при определенных условиях возможна коммутация более

56

Рис. 25. К сущности явлений в трехфазной мостовой схеме выпрям­ ления.

а — схема замещения при учете активных потерь и напряжений смещения вентилей; б —диаграмма напряжений; б — диаграмма токов; г — форма обрат­ ного напряжения; д, е, ох— пути токов при работе соответственно двух, одной и трех ветвей.

57

трех вентилей. На рис. 25,ж в качестве примера показа­ ны направления токов в ветвях схемы при работе четы­ рех вентилей. При открытых любых четырех из шести вентилей оба вентиля из пары одного плеча моста одно­ временно участвуют в работе.

Однако это не означает, что ток одного нз них (на­ пример, четвертого на рис. 25,ж) замыкается через дру­ гой (третий на рис. 25,ж). Фазные э. д. с., как и нагруз­ ка, не замкнуты накоротко и не работают независимо друг от друга. Аналогичное положение имеет место в однофазной мостовой схеме при коммутации всех че­ тырех вентилей моста [Л. 18].

Рассмотрев трехфазные и шестифазные схемы вы­ прямления, можно аналогичным образом проследить параметрические состояния 9, 12, 18-фазных схем. Одна­ ко изучение процессов и нахождение расчетных соотно­ шений по каждому режиму в отдельности для каждой схемы связано со значительной трудоемкостью, и пото­ му не рационально. Целесообразно принципиальную картину процессов и их анализ осуществить в общем виде, для k-ro коммутационного состояния /п-фазной схемы. Это позволяет получить соотношения, охватываю­ щие любые режимы схем с любым числом фаз выпрям­ ления, и в самом общем виде перейти к разработке ин­ женерной методики расчета.

9. ВЫ ВОД О С Н О ВН Ы Х УРАВНЕНИЙ И РАСЧЕТНЫ Х СО О ТН О Ш ЕН И Й

На рис. 26 показаны фазные э. д. с. еь еъ . •., ет и форма выходного напряжения 12-фазной схемы с активными потерями и активной нагрузкой. В зависимости от зна­ чения определяющего параметра n=r/R схема может находиться в том или ином коммутационном режиме. Границы существования режимов отмечены на рис. 26 фигурными скобками, а цифры при них указывают но­ мер режима. Каждому режиму соответствуют свои зоны работы внутренних ветвей аналогично тому, как это бы­ ло показано на рис. 21 для шестифазной схемы. Зоны заштрихованы. Цифрами в зонах указаны номера подын­ тервалов коммутации. Внекоммутациоиному подынтер­ валу соответствует обозначение Ö. При т = 1 2 возможно пять коммутационных режимов.

58