Мартынов_силаI

Методика выбора конденсатора звена постоянного тока

Расчет параметров и выбор сглаживающего конденсатора производится с учетом следующих параметров:

kп – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, о. е.; Iф N – номинальный фазный сетевой ток, А;

Iф max – максимальный фазный сетевой ток, А; fc – частота напряжения сети, Гц;

fШИМ – несущая частота ШИМ, Гц;

UdN – напряжение в звене постоянного тока номинальное, В. Расчет величины емкости Cd по заданному уровню пульсаций

выпрямленного напряжения строится на следующем допущении. Поскольку частота ШИМ много больше частоты первой гармоники сетевых токов и потребляемые из сети токи близки по форме к синусоиде, то на интервале ШИМ полагаем сетевые токи постоянными.

Изменение напряжения на конденсаторе в течение интервала ШИМ определяется как

где IС cр – средний за интервал ШИМ ток конденсатора;

Ти – период следования импульсов, в режиме симметричной

ШИМ Ти = 0,5TШИМ.

Среднее значение выходного тока ПК АВН на интервале ШИМ в номинальном режиме IПК ср может быть определено следующим

Максимальное возможное среднее значение тока конденсатора при модифицированной симметричной синусоидальной или векторной ШИМ составляет

Из уравнений (151) и (152) определим требуемое значение емкости конденсатора исходя из заданной величины пульсаций:

131

Для выбора типа конденсатора звена постоянного тока и расчета показателей надежности требуется определить температурные ре-

– мощность потерь на активном сопротивлении проводников

где IС – действующее значение тока конденсатора; RС – активное сопротивление цепи конденсатора;

UАС – действующее значение переменной составляющей напряжения конденсатора;

fАС = fШИМ – частота переменной составляющей напряжения конденсатора;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторов. Действующее значение переменной составляющей выходного то-

ка АВН рассчитывается по следующей формуле:

Действующее значение переменной составляющей напряжения конденсатора приближенно определим как

Внутренняя температура конденсатора вычисляется как

TС = Tо.ср + PС Rст [°С], (159) где Tо.ср – температура окружающей среды, °С;

Rст – тепловое сопротивление перехода конденсатор – окружающая среда, °С /Вт.

Приведенная методика учитывает переменную составляющую тока конденсатора, создаваемую только АВН, ток нагрузки при этом полагается постоянным.

132

Расчетные соотношения, необходимые для выбора полупроводниковых приборов для трехфазного мостового активного выпрямителя

Выбор транзисторов активных выпрямителей по току и напряжению производится по тем же методикам, что и для инверторов напряжения с ШИМ напряжения. Рассмотрим здесь методики расчета потерь мощности и теплового расчета полупроводниковых вентилей.

Потери в ПК вычисляются как сумма статических и динамических потерь диодов и транзисторов.

Расчет тепловых режимов работы полупроводниковых приборов силового коммутатора АВН проводится в целях обоснования выбора приборов конкретных типов.

Данные для расчета.

1. Параметры режима работы АВН:

Uф – действующее значение фазного напряжения сети, В; Ud – напряжение в звене постоянного тока, В;

Iф – действующее значение фазного сетевого тока, А;

Iф.ср – среднее значение модуля фазного сетевого тока за период сети, А;

ХL – индуктивное сопротивление сетевого реактора, Ом; RL – активное сопротивление обмотки БР, Ом;

ϕ – фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевых напряжения и тока, рад;

ϕ(1) – фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого тока и напряжения на входе ПК, рад;

Iв.д – действующее значение тока диода, А;

Iв.ср – среднее значение тока диода за период сети, А;

Iв N – номинальное среднее значение тока диода (справочные данные), А;

IVT д – действующее значение тока транзистора, А;

IVT ср – среднее значение тока транзистора за период сети, А; IVT N – номинальное значение тока транзистора (справочные дан-

ные), А;

fк VT – частота коммутации тока транзистора, Гц; fк VD – частота коммутации тока диода, Гц;

μ – глубина модуляции, о.е.

2. Параметры полупроводниковых приборов:

N – общее количество ключей (напомним, что ключ – это транзистор с обратным диодом) силового ПК;

Nп – количество ключей, работающих в одной параллели;

133

Nохл – количество ключей, установленных на одном охладителе;

ЕVT – суммарная энергия отпирания и запирания транзистора при номинальных значения тока IVT N и напряжения UVT N, Дж;

Uкэ.нас – прямое падение напряжения на открытом транзисторе (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), В;

RVT откр – активное сопротивление открытого транзистора (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), Ом;

ЕVD – энергия восстановления диода, Дж;

– прямое падение напряжения на диоде (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), В;

RVD откр – активное сопротивление открытого диода (определяется из кусочно-линейной аппроксимации ВАХ), Ом.

3. Параметры теплопроводящей цепи: Tтн – температура теплоносителя, °С; Tохл – температура охладителя, °С; TVT – температура транзистора, °С; TVD – температура диода, °С;

Rт.тр-к – тепловое сопротивление транзистор–корпус, °С/Вт; Rт.д-к – тепловое сопротивление диод–корпус, °С/Вт;

Rт.к-о – тепловое сопротивление корпус–охладитель, °С/Вт; Rт.тр-о – тепловое сопротивление транзистор–охладитель, °С/Вт; Rт.д-о – тепловое сопротивление диод–охладитель, °С/Вт;

Rт.о-тн – тепловое сопротивление охладитель – теплоноситель, °С/Вт.

Тепловой расчет ведется при допущении о синусоидальности сетевых токов, что является правомочным при использовании ШИМалгоритмов управления силовыми ключами.

Потери в полупроводниковом коммутаторе вычисляются как сумма статических и динамических потерь диодов и транзисторов.

Расчет статических потерь транзисторов и диодов ведется на основе замещения открытого прибора источником напряжения

с последовательным сопротивлением ( Uкэ.нас и RVT откр) для транзистора и ( Uв.пр и RVD откр) для диода.

Тогда статические потери транзистора

аналогично, статические потери диода

134

Действующее и среднее по модулю значения фазного сетевого тока (без учета потерь активной мощности в АВН)

Среднее и действующее значения тока транзистора определяются как

IVTñð = I2ô.ñðNï æçèç12+ πµ8 cosϕ(1) ö÷ø÷÷;

Среднее и действующее значения тока диода

IVD ñð = I2ô.ñðNï æççè12-πµ8 cosϕ(1) ö÷÷÷ø;

Фазовый сдвиг между первыми гармониками сетевого тока и напряжения на входе полупроводникового коммутатора

при синусоидальной ШИМ без амплитудной перемодуляции μ = 0; …;1,0.МодифицированнаясинусоидальнаяШИМивекторнаяШИМ

позволяют получить коэффициент модуляции µ=0; ...; 23.

Динамические (коммутационные) потери транзистора определяются частотой коммутации и энергиями отпирания и запирания. Эти энергии, в свою очередь, зависят от коммутируемого тока и напряжения. Достаточная точность может быть получена при линейной аппроксимации данной зависимости. В этом случае

135

мощность коммутационных потерь транзистора может быть рассчитана как

Динамические (коммутационные) потери диода зависят от частоты коммутации тока диода и энергии его восстановления. Величина этой энергии является функцией тока и прикладываемого напряжения. При использовании линейной аппроксимации данной зависимости коммутационные потери диода составляют

Суммарные мощности потерь транзистора и диода соответственно

PVD = Pст VD + Pк VD;

Температуры полупроводниковых переходов транзисторов и диодов вычисляются по формулам

136

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию «активный выпрямитель». 2. Объясните различия между активным выпрямителем тока

и напряжения.

3. Как следует регулировать величину выходного напряжения активного выпрямителя?

4. Почему форма кривой тока, потребляемого выпрямителем, близка к синусоидальной форме?

5. Каким образом можно регулировать фазовый сдвиг тока, потребляемого выпрямителем, и напряжения питающей сети?

6. Каким образом реализуется перевод активного выпрямителя напряжения из режима выпрямления в режим инвертирования?

7. Каким образом реализуется перевод активного выпрямителя тока из режима выпрямления в режим инвертирования?

137

6. РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Регуляторы переменного напряжения предназначены для регулирования величины напряжения переменного тока. Силовая схема одной фазы такого преобразователя содержит ПК, который может быть выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров (рис. 37, а) или транзисторов. В таких преобразователях применяют фазовый, фазоступенчатый, широтно-импульсный на пониженной частоте и другие методы регулирования переменного напряжения [6].

Рассмотрим фазовый метод регулирования переменного напряжения.

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния ключа ПК в течение каждого полупериода частоты сети.

Отметим, что фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления α, с опережающим углом управления α или с тем и другим (двустороннее фазовое регулирование). Фазовое регулирование преобразователей переменного напряжения аналогично принципу фазового регулирования управляемых выпрямителей. Отличие заключается в схемах соединения тиристоров их силовых схем, вследствие чего участки синусоид переменного напряжения, составляющие кривую выходного напряжения в управляемых выпрямителях, являются однополярными, а в регуляторах переменного напряжения − двуполярными и симметричными относительно оси абсцисс. Системы импульсно-фазового управления регуляторов переменного напряжения и управляемых выпрямителей абсолютно идентичны.

6.1. Устройство, принцип работы, основные расчетные соотношения и характеристики регуляторов напряжения, выполненных на тиристорах

Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) имеет по два встречнопараллельно включенных тиристора в цепи с питающим напряжением и нагрузкой. Однако вместо двух встречно-параллельно включенных тиристоров возможно применение симметричных тиристоров, симмисторов, обладающих способностью проводить ток как при положительном, так и отрицательном значении напряжения питающей сети переменного тока.

138

α– угол управления;

ψ– длительность открытого состояния тиристора;

δ– длительность проводящего состояния тиристора после смены

знака напряжения питающей сети

139

В ТРН нашло применение фазовое регулирование переменного напряжения с отстающим углом управления (регулирования) α.

На рис. 37, а–г и 38, а–г приведены схемы и временные диаграммы однофазного ТРН при активной и активно-индуктивной нагрузке соответственно.

При активном характере нагрузки запирание тиристоров, проводивших до этого ток, осуществляется за счет изменения полярности переменного напряжения питающей сети по окончании каждого полупериода, т. е. после достижения точек на временной оси ωt = π, 2π, 3π, … (естественная коммутация). При активной нагрузке угол δ = 0, а угол ψ = π – α. Вид кривой тока iнг(ωt) совпадает с кривой uнг(ωt) (см. рис. 37).

При активно-индуктивном характере нагрузки индуктивность Lнг замедляет нарастание тока iнг при отпирании тиристоров и препятствует его уменьшению при снижении напряжения u (см. рис. 38, г). Ток iнг продолжает протекать через нагрузку и соответствующий тиристор и после перехода напряжения питания через нуль, достигая нулевого значения спустя интервал δ в пределах очередной полуволны напряжения u. Интервал проводимости тиристоров увеличивается на угол δ, т. е. ψ = π – α + δ. За счет увеличения интервала проводимости тиристоров в кривой uнг, так же как и в управляемых выпрямителях, появляются дополнительные участки напряжения u (см. рис. 38, б), отсутствующие при чисто активном характере нагрузки. Интервал паузы в кривой выходного напряжения сокращается до значения (α–δ). Указанное приводит к изменению и формы кривой напряжения на тиристоре (см. рис. 38, в).

6.2. Регулировочная характеристика ТРН

Регулировочная характеристика ТРН представляет собой зависимость действующего напряжения нагрузки Uнг от угла α, т. е. Uнг = f(α) при постоянном напряжении питающей сети (U = UN = = const) и постоянном токе нагрузки (Iнг = const).

При чисто активном характере нагрузки зависимость Uнг = f(α) находят из соотношения

π

Uíã = 1π òα (2U)2 sin2 ωtdωt.

140