Преобразовательная техника

2.3. Энергетические показатели выпрямителей

Важнейшими энергетическими показателями выпрямителей -яв ляются коэффициент полезного действияh и коэффициент мощности c. КПД учитывает потери в схеме выпрямителя и определяется как

101

где Pd – активная мощность, выделяющаяся в нагрузке(при малых пульсациях выпрямленного тока Pd » Ud Id ); DPт – потери в силовом трансформаторе, складывающиеся из потерь в стали магнитопровода и потерь в обмотках; DPв – потери в вентилях выпрямителя; DPдоп – до-

полнительные потери во вспомогательных устройствах( системе управления, системе охлаждения).

Коэффициент мощности c определяет влияние выпрямителя на

питающую сеть и определяется как χ = P , где P – активная мощность,

S

потребляемая выпрямителем из питающей сети; S – полная мощность. Поскольку напряжение питающей сети считаем синусоидальным,

а ток, потребляемый из сети в большинстве случаев несинусоидален, то

где I1(1) – действующее значение первой гармоники потребляемого из сети тока; j1 – угол сдвига по фазе между напряжением питающей сети и первой гармоникой потребляемого тока; I1 – действующее значение потребляемого из сети тока; Ik – действующее значение гармоники потребляемого тока с порядковым номером k .

k ® ¥

где n – коэффициент искажения. Как уже было показано выше, мощность высших гармоник потребляемого тока не имеет постоянной - со ставляющей и колеблется между силовым трансформатором и питающей сетью, обусловливая увеличение расчетной мощности трансформатора и ухудшая ряд других показателей.

Составляющая полной мощности, определяемая коэффициентом n , называется мощностью искажения T .

102

где Q – реактивная мощность, потребляемая из сети и определяемая через cos j, называемый коэффициентом сдвига:

текает такой же по форме токi1 , то первая гармоника егоi2(1) будет также сдвинута относительно напряжения питающей сетиU на тот же

эффициент мощности существенно зависит от угла управления a и угла коммутации g .

e2, ia

a1g e2 g

ia

Рис. 2.44. Диаграмма для цепи вторичной обмотки выпрямительного трансформатора

Следует отметить, что в многофазных выпрямителях при несимметрии нагрузки в фазах появляется еще одна составляющая полной

103

В этом случае полный коэффициент мощности

Векторная диаграмма составляющих полной мощности управляемого выпрямителя представлена на рис. 2.45. В симметричных же многофазных системах мощность несимметрии отсутствует.

Рис. 2.45. Диаграмма мощностей управляемого выпрямителя

2.3.1. Методы улучшения энергетических показателей управляемых выпрямителей

Как видно из выражения (2.105), увеличение коэффициента мощности может идти по двум направлениям: улучшение коэффициента искажения n и уменьшение угла j .

Для увеличения n следует увеличивать пульсность выпрямителя, приближая таким образом кривую тока i к синусоиде.

Для уменьшения угла j существует множество способов. Одним из самых простых и широко распространенных является использование нулевого вентиля (рис. 2.46). В отличие от обычного выпрямителя в этой схеме в кривой выпрямленного напряженияU d не будет отрицательных участков, так как силовые вентили будут закрываться сразу после смены полярности на вторичных обмотках трансформатора, ток нагрузки на интервалах 0Ka, pK(p + a) примет на себя вентиль B0 .

В связи с этим длительность протекания анодных токовia1 и ia2 будет меньше и первая гармоника токаi2(1) будет сдвинута по фазе на

угол j = a + g относительно ЭДС e2 .

2 2

Соответственно и первая гармоника первичного тока будет иметь такой же фазовый сдвиг относительно напряжения питающей сети U1:

104

мощности выпрямителя в целом.

Рис. 2.46. Управляемый выпрямитель с нулевым вентилем

Довольно часто применяются для этой же цели так называемые полууправляемые выпрямители – однофазные или трехфазные мостовые выпрямители, у которых половина вентилей – управляемые, а половина – неуправляемые. Рассмотрим работу полууправлямого выпрямителя на примере схемы, изображенной на рис. 2.47, а. Здесь управляемые вентили включены в одну из группмоста (катодную), а неуправляемые – в анодную (можно наоборот). Как видно из диаграммы (рис. 2.47, а), на интервалах 0Ka, pK(p + a), 2pK(2p + a) ток нагрузки протекает по вентилям моста, минуя вторичную обмотку трансформатора и обеспечивая, таким образом, эффект нулевого вентиля. Недостатком этой схемы является то, что при большой величине X d ее невозможно выключить по цепи управления вентилей, так как запасенной

в магнитном поле X d энергии достаточно для того, чтобы поддержать тиристор в открытом состоянии в течение половины периода, до тех пор, пока ЭДС снова не станет положительной для этого тиристора. Схема рис. 2.47, б, как видно из диаграммы, также обеспечивает эффект нулевого вентиля, но в отличие от предыдущей позволяет выключение по цепи управления тиристоров, так как здесь в контур нулевого тока не входят управляемые вентили. Полууправляемой может быть и схема трехфазного выпрямителя. На рис. 2.47, в изображено выпрямленное напряжение при различных углах управленияa . Основным недостат-

105

ком схем с нулевым вентилем или с эффектом нулевого вентиля является увеличение искажения формы потребляемого токаi1 , которое пропорционально углу управления a .

Рис. 2.47. Схемы несимметричных управляемых выпрямителей

Существует целый ряд других способов уменьшения угла j , но

106

кардинальным способом решения этой проблемы является использование в схемах выпрямителя полностью управляемых вентилей. Тогда, обеспечивая включение вентиля в точкеa1 и выключение его в точке

( p - a2 ), можем получить первую гармонику i2(1) без сдвига по фазе с ЭДС e2 , если a1 = a2 , а следовательно, и j1 = 0 (рис. 2.48). Такие выпрямители называются компенсационными.

e2

a1 a2

q

Рис. 2.48. Управляемый выпрямитель с полностью управляемыми вентилями

Интересно, что при a1 < a2 , можно получить ёмкостный характер тока, когда i2(1) будет опережать по фазе ЭДС e2 . В этом случае управ-

ляемый выпрямитель можно использовать наряду с его прямыми функциями еще и в качестве компенсатора реактивной энергии сети, подобно синхронными компенсаторам, устанавливаемых в мощных сетях для улучшения энергетических показателей. Описанный способ позволяет получить минимальное значение коэффициента сдвига cos j1 = 1.

Для получения максимального значения коэффициента искажения

n = I1(1)

I1

необходимо приблизить форму первичного токаi1 , потребляемого из

питающей сети, к синусоиде, что крайне сложно при условии

X d >> Rd .

Для решения этой проблемы необходимо увеличивать пульсность -вы прямителя p . Тогда первичный ток будет представлять собой ступенчатую кривую, тем ближе аппроксимируемую синусоидой, чем больше количество ступеней, что, в свою очередь, определяется пульсностью

107

выпрямителя p . Поэтому мощные выпрямители стараются выполнять с возможно большей пульсностью. Однако это связано с усложнением самой силовой схемы, в частности силового трансформатора, ухудшением массогабаритных показателей и рядом других недостатков. Но и эту проблему можно решить, если наряду с использованием полностью управляемых ключей в силовой схеме выпрямителя, реализовать при

регулировании выпрямленного напряжения методы - широтно импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 2.49). Тогда величину выпрямленного напряжения можно регулировать изменением замкнутого и- ра зомкнутого состояния силовых ключей, а модулируя ширину импульсов

U1

p

q

i1

q

Рис. 2.49. Формирование входного тока в активном выпрямителе

в течение полупериода питающего напряжения по синусоидальному закону, можно получить кривую изменения переменного тока, максимально приближенную к синусоиде. Таким образом, коэффициент сдвига

cos j1 » 1,

и коэффициент искажения

n »1.

Такие управляемые выпрямители, выполненные на полностью управляемых силовых ключах и работающие в релейных или -в им пульсно-модуляционных режимах ШИМ, называются активными выпрямителями и в последнее время очень интенсивно развиваются. Этому способствует появление новых экономичных полупроводниковых силовых ключей, рассмотренных в предыдущей главе.

Отличительными характерными свойствами активных преобразователей является полная управляемость переменных параметров на их силовых входах (U1; I1; P; Q; T ; S ), позволяющая обеспечивать одновременно с реализацией заданного качества выходных параметров также активное формирование режима электропотребления из питающей сети. Поэтому в настоящее время активные преобразователи имеют бле-

108

стящие перспективы использования в силовой преобразовательной технике.

Контрольные вопросы

1.Поясните принципы работы простейших схем выпрямления.

2.По каким параметрам выбираются силовые вентили выпрями-

телей?

3.Что такое типовая(расчётная) мощность силового выпрямительного трансформатора?

4.Почему типовая (расчётная) мощность выпрямительного трансформатора превышает мощность нагрузки?

5.Как влияет величина индуктивности в цепи нагрузки на -вы прямленное напряжение в однофазном однополупериодном выпрямителе?

6.Особенности работы выпрямителя на противоЭДС.

7.Особенности работы выпрямителя на ёмкостную нагрузку.

8.Причины возникновения коммутационных процессов в - вы прямителях.

9.Влияние коммутационных процессов на работу выпрямите-

лей?

10.Перечислите случаи, когда коммутационные процессы в выпрямителе отсутствуют.

11.Объясните причину возникновения постоянного подмагничивания в выпрямительных трансформаторах.

12.Способы построения управляемых выпрямителей.

13. Объясните вид регулировочных характеристик простейших схем управляемых выпрямителей.

14.Особенности коммутационных процессов в управляемых выпрямителях.

15.Что такое «активная мощность» выпрямителя?

16.Что такое «реактивная мощность» выпрямителя? Пояснить её

природу.

17.Что такое «мощность искажения» выпрямителя? Поясните её

природу.

18.Что такое «мощность несимметрии» выпрямителя? Поясните её природу.

19.Физический смысл «коэффициента мощности» выпрямителя.

20.Способы улучшения коэффициента мощности выпрямителей.

21.Что такое «компенсированный выпрямитель»?

22.Что такое «активный выпрямитель»?

109

ГЛАВА 3. СИЛОВЫЕ СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ И УМНОЖИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Одним из главных критериев оценки качества выпрямленного напряжения и тока является коэффициент пульсаций kп :

величины.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся схемы сглаживающих фильтров.

3.1. ИНДУКТИВНЫЙ СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР

Принцип действия этого фильтра заключается в способности индуктивности препятствовать любому изменению, протекающему в её обмотке тока. Представим выпрямитель в виде последовательного соединения источника постоянного тока с напряжениемEd и источника переменной составляющей с напряжением Uп (рис. 3.1).

Lдр , Rдр

K

Uп

Rd

E0

Рис. 3.1. Схема, поясняющая работу инверторного сглаживающего фильтра

Тогда при отсутствии дросселя(ключ К замкнут) на нагрузке будет постоянная составляющая напряжения– Ed , переменная состав-

110