1.15 Коэффициент полезного действия выпрямителя

(123)

где:

∑ ∆Р - суммарная мощность потерь выпрямителя;

∑ ∆Р= ∆Р_тр+∆Р_др+ ∆Р_в ;

∆Р_тр= ∆Р_c+ ∆Р_м;

∆Р_тр - потери в трансформаторе;

∆Р_c - потери в стали трансформатора;

∆Р_м - потери в меди трансформатора;

∆Р_др =I_d²R_L - потери в меди дросселя;

∆Р_в - потери в вентилях выпрямителя;

∆Р_в = k_тI_d∆U_в.пр.+k_тI_в² R_в.дин. (124)

I_в - действующее значение тока, протекающего через вентиль.

Вопросы для самопроверки:

1. Укажите, как следует рассчитывать коэффициент полезного действия выпрямителя.

2. Как рассчитать потери мощности на элементах схемы выпрямителя, укажите формулы для их расчета?

2 Зависимый инвертор

2.1 Работа выпрямителя в режиме зависимого инвертирования

Зависимые инверторы, как уже отмечалось, представляют собой уп­равляемые преобразователи с естественной коммутацией, используемые в этом режиме непрерывно или при чередовании с выпрямительным режимом, например, в реверсивном электроприводе постоянного тока. Так, при работе машины постоянного тока двигателем питающий ее преобразователь работает вы­прямителем и электроэнергия поступает из сети переменного тока к ма­шине. Когда машина переходит в генераторный режим (торможение, движе­ние электропоезда под уклон и т.д.), преобразователь работает зависи­мым инвертором, передавая энергию, генерируемую машиной, в сеть пере­менного тока.

Перевод выпрямителя в режим зависимого инвертирования

Рассмот­рим перевод управляемого выпрямителя в инверторный режим на примере трехфаз­ного мостового тиристорного преобразователя, нагруженного на машину постоянного тока, схема которого представлена на рисунке 25.

При работе преобразователя в выпрямительном режиме ток в машине протекает навстречу её противо -ЭДС E_d под действием выпрямленного напряжения U_d.

Рисунок 25. Трехфазная мостовая схема зависимого инвертора

Прин­ципиально изменение направления потока энергии может быть достигнуто путем изменения направления тока или ЭДС машины. Однако вследствие односторонней проводимости тиристоров переход к инверторному режиму путем изменения направления тока в данной схеме не может быть осущест­влен. Поэтому для перехода к инверторному режиму необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины E_d и напряжения преобразо­вателя U_d так, чтобы E_d > U_d, а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное на­правление. Электрическая машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого необходимо к валу этой машины подвести механическую энргию от внешнего источника механической энергиип (постороннего двигателя). Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника злектрической энергии.

Изменение полярности ЭДС на зажимах машины постоянного тока мо­жет быть осуществлено путем изменения направления тока в обмотке воз­буждения или переключением полярности якорных выводов. Изменение по­лярности напряжения преобразователя осуществляется установкой таких углов управления α>π/2, при которых вентили естественно коммутируют и проводят так при отрицательном напряжении питающих фаз.

В результа­те для перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования необ­ходимо:

-установить угол регулирования α>π/2;

-изменить полярность ЭДС машины постоянного тока;

к валу малины приложить вращающий момент, обеспечивающий ее ра­боту в генераторном режиме;

-увеличить ЭДС машины так, чтобы E_d > U_d при допустимой вели­чине тока в цепи обмотки якоря.

Электромагнитные процессы. Рассмотрим диаграммы токов и напряже­ний в

схеме зависимого инвертора, представленные на рисунке 26, при общепринятых допущениях.

Пусть проводят ток вентили VS5 и VS6, примем угол регулирования α=5π/6. В момент времени k’ на вентиль VSI по­дается управляющий сигнал. Поскольку линейное напряжение u_ав выше u_св, произойдет естественная коммутация тока с вентиля VS5 на вентиль VSI. Из-за наличия реактивного сопротивления в контуре коммутации коммутация длится в течение угла γ. Величина мгновенного напряже­ния преобразователя u_d в интервале коммутации определяется полу­суммой линейных напряжений (u_ав + u_св)/2. Аналогичным образом через 60° в точке l’ произойдет коммутация с вентиля VS6 на вентиль VS2 и т.д.

При анализе инверторного режима для отсчета угла регулирования более удобно пользоваться не значением угла α, а сопряженным уг­лом β=π-α, который принято называть углом опережения. Угол опережения отсчитывается от точек предельной коммутации k₂,l₂,m₂, представляющих точки пересечения отрицательных полуволн линейных на­пряжений.

Рисунок 26. Временные диаграммы, поясняющие работу зависимого инвертора

Для осуществления естественной коммутации, при которой ток переходит от вентиля с меньшим потенциалом анода к вентилю с более высоким потенциалом анода, необходимо, чтобы открытие очередного вен­тиля происходило с некоторым опережением относительно точек предель­ной коммутации. Это опережение должно учитывать как угол коммутации γ, так и угол выключения вентиля δ, предоставляемый для вос­становления запирающих свойств, т.е. β≥ γ + δ. После вступле­ния в работу очередного вентиля потенциал анода предшествующего вен­тиля начинает увеличиваться, принимая положительные значения. Изло­женное иллюстрируется построенной на рисунке 26 (утолщенный контур) кривой мгновенного напряжения u_v1 на вентиле VSI. Построение дан­ной кривой осуществляется так же, как для выпрямительного режима (смотри раздел 1.8), форма ее характерна тем, что на большей части пе­риода напряжение на запертом вентиле положительное, и только в течение угла δ оно отрицательное. При положительном u_v1 за точкой m₂ вентиль VSI может вновь открыться, если к этому времени в нем не будет восстановлена управляемость (блокирующая способность). При таком повторном открытии вентиль будет пропускать ток в течение поло­жительного полупериода линейных напряжений, в результате чего инвер­тор опрокидывается - образуется аварийное короткое замыкание сети и машины при согласном направлении их ЭДС. Для надежной коммутации оче­редной вентиль должен открываться с опережением относительно точек предельной коммутации на угол

β=γ+ k_зt_q, (125)

где k_з- коэффициент запаса устойчивости коммутации, принимаемый практически k_з =1,5-3,0;

t_q - время выключения вентиля, указывае­мое в паспортных данных и равное, например, для тиристоров типа ТЛ, t_q=(20,…,50)мкс.

С учетом условий перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования, изложенных выше, в выражении внешней характеристики выпрямителя (116) при переводе выпрямителя в режим инвертирования должны измениться знаки перед напряжением U_d (напряжением источника постоянного тока) и перед напряжением «подпора» вентильного блока, U_d0cosα, поскольку угол α>90⁰, и cosα имеет отрицательный знак. Нетрудно видеть, что в инверторном режиме все члены формулы (107) имеют отрицательный знак.

Введем угол опережения β =180⁰- α. Умножив правую и левую части этого уравнения на (-1), получим выражение внешней характеристики зависимого инвертора (126).

. (126)

Здесь ∆U_х , ∆U_Rф , ∆U_Lф, ∆U_в - те же падения напряжения, что и в формуле (116).

После подстановки значений ∆U_х , ∆U_Rф , ∆U_Lф, ∆U_в в формулу (126), получим:

(127)

где

U_d=E_d - напряжение источника постоянного тока ;

I_d- ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока.

(128)

Нетрудно видеть, что для увеличения тока I_d, а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо:

- увеличивать напряжение источника постоянного тока (U_d=E_d) (при постоянном угле β);

- или уменьшать угол β (при постоянном напряжение источник постоянного тока).

Внешняя характеристика зависимого инвертора U_d=f(I_d) при постоянных значениях угла β приведены на рисунке 27.

Важным параметром, определяющим устойчивость работы зависимого инвертора является угол δ_з. На интервале, определяемым углом δ_з к выключаемому тиристору приложению отрицательное напряжение (смотри рисунок 26).

Для устойчивой работы инвертора необходимо, чтобы угол δ_з превышал угол восстановления запирающих свойств тиристора, который при частоте 50Гц находится в пределах

где

τ_восст.- время, необходимое для восстановления управляющих свойств тиристора.

Как видно из рисунка 26 δ_з= β-γ. (129)

С увеличением тока I_d при неизменном угле опережения β угол коммутации γ возрастает и, следовательно, угол δ_з уменьшается и может достигнуть при определённом токе минимально допустимого значения.

Это и определяет допустимый ток инвертора I_d. Угол δ_з уменьшается также при постоянном I_d, уменьшении β и соответствующем увеличении противо- ЭДС инвертора. Следовательно, чем больше противо - ЭДС, тем меньше допустимый инвертируемый ток.

Зависимость противо - ЭДС инвертора U_d от допустимого инвертируемого тока I_d при δ_з=const называют ограничительной характеристикой, выражение которой

(130)

Ограничительная харктеристика приведена на рисунке 26.

Рисунок 27. Внешние характеристики в режиме выпрямления (0<α<90⁰) и в режиме инвертирования (90⁰< α<180⁰)

Вопросы для самопроверки:

1 Дайте определение понятию «зависимый инвертор».

2 Перечислите условия перевода управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования.

3 Укажите способы регулирования мощности, отдаваемой зависимым инвертором в сеть переменного тока.

4 Дайте определению понятию «ограничительная характеристика».