Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофазные многоуровневые полупроводниковые выпрямители переменного тока. Учебное пособие
.pdf
I
I
1
2
IId
dd m
1
1(1)
2
sin
2
(1.26)
1
I
m
1(1)
11
II
cm
1(1)
11
24 4 2 2
11
24 4
sin sin
1
sin sin
;
cos cos .
2
2
(1.27)
1.4.3. Расчетные соотношения токовой загрузки элементов
однофазного трехуровневого нерекуперирующего выпрямителя
Для оценки такого важного энергетического показателя силовой
схемы, как КПД, необходимо иметь возможность рассчитать средние
и действующие значения токов в элементах схемы.
В таблице представлены основные аналитические выражения относительных значений токов элементов схемы однофазного трехуровневого нерекуперирующего выпрямителя.
Аналитические соотношения для токов
элементов выпрямителя
Основные
параметры
d
Алгоритм I Алгоритм II
I
1(1)
m
1cos
2
cos cos
I
1(1)
m
1
22
2sin
VD
I
1(1)
m
8
I
2sinsin()
1(1)
m
11
8
21
Окончание таблицы
I
I
I
Основные
параметры
I
(ср)VD
Sm
S
I
1,3 ср
D
S
I
1,2, 3,4
D
S
c
Алгоритм I Алгоритм II
I
1(1)
m
I
1(1)
I
I
I
1
1(1)
m
4
I
1(1)
m
1
1(1)
m
8
2sin
1(1)
m
1
1cos
2
1cos
2
2
sin( )
2
sin
2
2
I
1(1) 1 1
m
I
I
1(1) 1 1
m
I
1(1)
m
1
2
2
sin
m
1cos
2
4
cos cos
I
1(1)
m
I
1(1)
m
1
4
2cos cos
m
1(1)
1
8
1
1
24 4
1
cos cos
2
1
22
2
sin
sin sin
1
22
2
2
sin sin
sin sin
1
1
2
2
1
22
Использование аналитических соотношений, представленных
в таблице, позволяет определить загрузку по току элементов схемы
однофазного трехуровневого нерекуперирующего выпрямителя.
22
1.5. Формирование напряжений
A
на конденсаторах звена постоянного тока
однофазного трехуровневого
нерекуперирующего выпрямителя
1.5.1. Возникновение небаланса напряжений на конденсаторах С1, С2
Из анализа выражений (1.11), (1.12) для Алгоритма I и выражений
(1.23), (1.24) для Алгоритма II видно, что в зависимости от угла
i
i
и
средние значения токов
d
несомненно, будет влиять на значения напряжений
ющихся на конденсаторах
Неравенство напряжений
напряжения
u
, а это, в свою очередь, отразится на качестве вход-
B
могут существенно различаться, что,
d
U
0
, формиру-
0
1С
и 2С.
U
0
U
U
и
приведет к искажению формы
0
ного тока выпрямителя, что послужит снижению входного коэффициента мощности выпрямителя.
Таким образом, для поддержания качества входного тока выпрямителя необходимо обеспечить равенство средних значений напряжений
на конденсаторах
1С
и 2С.
1.5.2. Выравнивание напряжений на конденсаторах С1, С2
Известно, что выравнивание выходных напряжений на конденсаторах выпрямителя является актуальной задачей, которая решается специальными алгоритмами управления выпрямителем. Условием равен-
ства средних значений токов
i
и
d
является
d
0
. Очевидно, что это
i
же условие будет давать равенство средних значений напряжений на
конденсаторах
1С
и 2С.
Векторные диаграммы действующих значений первых гармоник
токов и напряжений для режимов, когда
0
и
представлены
0,
на рис. 1.11, а и б соответственно.
23
I
j
I
j
A
E
1
δ
U
.
а б
Рис. 1.11. Векторные диаграммы токов и напряжений
1(1)
1AB
LI
1(1)
δ
U
E
1
LI
1(1)
1AB
1(1)
Из рис. 1.11 видно, что обеспечить нулевое значение угла можно
посредством совмещения векторов
U
и
1AB
. Это можно реализо-
I
1(1)
вать путем соответствующего сдвига импульсов управления двунаправленными ключами. Таким образом, согласно рис. 1.11, б можно
легко записать соотношения для изменения угла
равенства средних значений напряжений на конденсаторах
, осуществляющие
1С
и 2С.
К ним относятся:
LIE
arcsin ;
E
где
– действующее значение напряжения
1
1(1)
1
значение первой гармоники входного тока выпрямителя;
ствующее значение первой гармоники напряжения
LI
arctg ;
1(1)
U
AB
(1)
arccos ,
e
;
I – действующее
1
1(1)
u
U
(1)
AB
E
U – дей-
.
B
(1.28)
1
(1)AB
Очевидно, что для баланса напряжений на конденсаторах выпрямителя в выражениях (1.28) можно использовать и амплитудные значения токов и напряжений.
Управление двунаправленными ключами выпрямителя для формирования закона изменения угла
по любому из соотношений (1.28),
по сути, является параметрическим, и для этого важно знать значения
переменных, входящих в то или иное соотношение.
Очевидно, что имеющийся разброс параметров элементов схемы
и элементов системы управления будет приводить к ошибке в поддержании одинаковыми напряжения на конденсаторах. В этой связи в систему управления
необходимо ввести канал, осуществляющий управ-
ление по ошибке напряжений на конденсаторах.
24
Пример выравнивания напряжений на конденсаторах выпрямителя
A
показан на рис. 1.12.
u
d
u
0
u
0
t
1
Рис. 1.12. Выравнивание напряжений
на конденсаторах
1С
и 2С
До момента времени
ний
u
u
и
0
. В момент
0
t
мы наблюдаем разницу значений напряже-
1
t
включается алгоритм выравнивания напря-
1
жений на конденсаторах, который приводит к выравниванию напряжений
u
u
и
0
.
0
1.6. Внешняя характеристика
Получим соотношение для внешней характеристики выпрямителя,
работающего по первому алгоритму управления. Для этого будем полагать, что входной ток выпрямителя чисто синусоидальный, при этом
первая гармоника входного тока выпрямителя имеет нулевой фазовый
u
сдвиг относительно первой гармоники напряжения
, т. е.
B
Выразим действующее значение первой гармоники входного тока
I
через выпрямленный ток
. Из (1.12) получим
d
II
21 cos
25
1(1)
d
2
.
(1.29)
0
I
1(1)
.
Из выражения (1.1) запишем действующее значение первой гармо-
A
ники напряжения
Из рис. 1.11, б, соответствующего режиму
ние для напряжения
u
B
AB
U :
в виде
2
UU
(1)
(1)AB
d
1cos .
2
(1.30)
0
, запишем выраже-
UELI
(1) 1 1(1)
AB
2
2
(1.31)
.
Тогда из (1.29) – (1.31) запишем выражение для внешней характеристики выпрямителя, работающего по первому алгоритму:
2
E
1
U
d
21 cos
LI
21 cos
Приняв в качестве базовых величин:
чение напряжения входного источника;
d
2
UE
б 1
RL
б
2
2
(1.32)
.
– действующее зна-
;
I
б
E
1
LI R
1(1) б
запишем выражение (1.32) в относительных величинах:
1
21 cos
*
U
d
21 cos
*
I
d
2
2
2
(1.33)
.
U
б
,
26
На рис. 1.13 показано семейство внешних характеристик при раз-
I
личных значениях γ , соответствующих выражению (1.33). Из этого
рисунка видно, что с увеличением средневыпрямленного тока
*
напряжение
снижается.
U
d
*
d
*
U
d
1.5
1.337
0.54
1
0.5
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Рис. 1.13. Внешняя характеристика выпрямителя
0.4
0.6
*
I
d
По аналогии с выводом соотношения (1.33) запишем выражение для
внешней характеристики выпрямителя, работающего по Алгоритму II:
1
2cos( ) cos
*
U
d
22cos cos
*
I
d
22
1
22
2
1
.
(1.34)
27
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
А
А
А
А
А
1. Что характеризует трехуровневость выпрямителя?
2. Почему рассматриваемые в данном разделе выпрямители не мо-
гут обеспечить рекуперацию электрической энергии в питающую сеть?
3. Какую функцию в однофазном трехуровневом выпрямителе вы-
S
S
,
полняют двунаправленные ключи
?
a
b
4. Будет ли работать схема (рис. 1.4) без индуктивности L?
5. Может ли проводить ток диод VD1 (рис. 1.4) при замкнутом со-
стоянии ключа Sa?
u
6. Чему равно напряжение
при замкнутом состоянии клю-
N
чей Sa, Sb?
7. Как можно изменить амплитуду первой гармоники напряже-
u
ния
ли
?
B
8. Какое значение имеют ступеньки напряжения
00
100BUU
?
u
(рис. 1.5), ес-
B
9. Какой из алгоритмов управления двунаправленными ключами
(Алгоритм I, Алгоритм II) позволяет сформировать входной ток выпрямителя с лучшим коэффициентом гармоник?
10. По какой причине происходит разбаланс (неравенство) средних
значений напряжений на конденсаторах выпрямителя?
11. Какая векторная диаграмма (рис. 1.11) соответствует условию
баланса напряжений на конденсаторах
1С
и 2С?
12. Какие параметры управления двунаправленными ключами вли-
u
яют на гармонический состав напряжения
?
В
13. Можно ли при использовании управления (Алгоритм I) исклю-
u
чить из напряжения
14. Что произойдет с напряжениями
жим cos 1 , т. е. фаза первой гармоники тока
третью и пятую гармоники одновременно?
В
u
u
и
1C
если обеспечить ре-
2,C
i
совпадает с фазой
1
e
?
1
28
L
K4K
2. ОДНОФАЗНЫЕ РЕКУПЕРИРУЮЩИЕ
СТРУКТУРЫ МНОГОУРОВНЕВЫХ
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
2.1. Однофазный трехуровневый
рекуперирующий выпрямитель
Свойства однофазного трехуровневого выпрямителя, представленного
на рис. 1.4, могут быть улучшены, если диоды VD1 – VD4 заменить
управляемыми двунаправленными ключами К1 – К4, рис. 2.1. Введение
в схему управляемых ключей К1 – К4 расширяет количество возможных
комбинаций включенного и выключенного состояния ключей, что позволит сформировать такие алгоритмы управления ключами, которые способны расширить функциональные свойства
– обмен энергией от источника питания к нагрузке и обратно, т. е.
рекуперацию энергии в сеть;
– возможность управления процессом заряда или разряда конден-
С
С
,
саторов
;
1
2
– повышение входного коэффициента мощности выпрямителя
и качество формируемого тока
i
.
1
выпрямителя и реализовать:
K
1
e
1
i
1
1
2
K
3
K
A
u
AB
д1
B
K
д2
2
C
1
1
C
2
0
Рис. 2.1. Схема однофазного трехуровневого
выпрямителя с двунаправленными ключами
29
Увеличение входного коэффициента мощности и качества тока
A
i
1
достигается, прежде всего, возможностью выпрямителя регулировать
напряжение на зажимах A и B. Схема замещения выпрямителя представлена на рис. 2.2.
L
1
e
1
i
1
u
B
Рис. 2.2. Схема замещения
выпрямителя
Перечисленным свойствам удовлетворяет принципиальная схема
однофазного трехуровневого выпрямителя, представленная на рис. 2.3.
2
1aS
D
1
N
L
1
i
e
1
1
S
2
D
N
1aD
2
2
D
a
a
A
3aS
3
D
a
D
4
4aS
a
1bS
D
1
D
3
N
D
N
b
2bS
2
D
b
N
B
D
3
3bS
b
4
D
4
b
4bS
1C
U
1
d
2C
0
Рис. 2.3. Принципиальная схема однофазного трехуровневого
выпрямителя
i
В зависимости от направления протекания тока
3, 2
ключа
будут выполнять элементы
К
д1
SD
aN
рис. 2.4, а, б соответственно, тогда как функцию
3, 2
лять элементы
DS
Nb
или
3, 4
SD
bN
, рис. 2.5, а, б.
К
д2
функцию
1
1, 2
или
DS
Na
будут осуществ-
,
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]