- •Часть I
- •М29 а.А. Мартынов Силовая электроника. Часть I. Выпрямители и регуляторы переменного напряжения. Учебное пособие/ сПбГуап. СПб., 2011. 177 с.; ил.
- •1. Выпрямители
- •1.1. Cтруктурная схема и классификация выпрямителей
- •1.2 Основные параметры, характеризующие работу выпрямителя
- •1.3 Неуправляемый однофазный однотактный выпрямитель
- •1.4 Управляемый однофазный однотактный выпрямитель
- •1.5 Неуправляемый двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора
- •1.6 Неуправляемая однофазная мостовая схема выпрямления
- •1.7 Трехфазный однотактный управляемый выпрямитель
- •1.8 Трехфазная мостовая схема выпрямления
- •1.9 Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным реактором
- •1.10 Кольцевая схема выпрямления
- •1.11 Коммутация тока в выпрямительных преобразователях
- •1.12 Коэффициент мощности выпрямителя
- •1.13 Регулировочная характеристике управляемого выпрямителя
- •1.14 Внешняя характеристика выпрямителя
- •1.15 Коэффициент полезного действия выпрямителя
- •2 Зависимый инвертор
- •2.1 Работа выпрямителя в режиме зависимого инвертирования
- •2.2 Коэффициент мощности зависимого инвертора
- •2.3 Коэффициент полезного действия зависимого инвертора
- •3 Сглаживающие фильтры
- •Основные понятия о сглаживающих фильтрах
- •3.2 Емкостной фильтр
- •3.3 Индуктивный фильтр
- •3.4 Индуктивно - емкостной фильтр
- •Задание для промежуточного контроля знаний по разделу «Выпрямители».
- •4.2 Выбор тиристоров
- •4.3 Расчет среднего значения напряжения на выходе выпрямителя в режиме холостого хода, Udхх:
- •4.4 Расчет в первом приближении напряжения холостого хода выпрямителя Udхх.
- •4.5 Расчет установленной мощности трансформатора
- •4.6 Расчет потерь мощности и коэффициента полезного действия выпрямителя
- •4.7 Расчет сглаживающего фильтра
- •4.8 Оценка влияния коммутации на питающую сеть (для трехфазной мостовой схемы выпрямления)
- •5 Активные выпрямители
- •5.1 Однофазный активный выпрямитель напряжения
- •5.2 Трехфазный активный выпрямитель напряжения
- •5.3 Основные расчетные соотношения активных выпрямителей
- •Расчетные соотношения, необходимые для выбора полупроводниковых приборов для трехфазного мостового активного выпрямителя
- •Регуляторы переменного напряжения
- •6.1 Устройство, принцип работы, основные расчетные соотношения и характеристики регуляторов напряжения, выполненных на тиристорах
- •6.2 Регулировочная характеристика трн
- •6.3 Внешняя характеристика трн
- •6.4 Коэффициент мощности трн
- •6.5 Регулировочная характеристика трн при активно-индуктивном характере нагрузки
- •6.6 Трехфазные регуляторы переменного тока
- •6.7 Ступенчатый метод регулирования переменного напряжения
- •6.8 Фазоступенчатый метод регулирования переменного напряжения.
- •6.9 Система импульсно - фазового управления
- •6.10 Пример расчета схемы управления
- •6.11 Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя при различных формах кривой опорного напряжения
- •6.12 Передаточная функция управляемого выпрямителя (без учета слаживающего фильтра в цепи постоянного тока)
- •7 Защита полупроводниковых преобразователей от сверхтоков и перенапряжений
- •8 Справочные данные по элементной базе выпрямителей
- •8.1 Справочные данные по диодам
- •8.2 Справочные данные по тиристорам
- •8.3 Справочные данные по дросселям
- •8.4 Справочные данные по конденсаторам
1.2 Основные параметры, характеризующие работу выпрямителя
Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются [2]:
-средние значения выпрямленного напряжения и тока, Ud, Id, соответственно;
-коэффициент полезного действия η;
- коэффициент мощности χ;
-внешняя характеристика - зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки Ud=f(Id) при постоянном и заданном значении угла регулирования α;
-регулировочная характеристика - зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования Ud=f(α);
-коэффициент пульсаций - отношение амплитуды высшей гармоники
(Uk.m) (обычно основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (Ud) (тока)
kпk=Ukm/Ud, (1)
где k - номер гармоники.
Для первой (основной) гармоники k=1. Коэффициент пульсаций для первой гармоники kп1 определяется по формуле:
kп1=U1m/Ud. (2)
Отметим, что важными параметрами, характеризующими работу трансформатора, являются кажущиеся расчетные мощности обмоток S1, S2 и установленная мощность трансформатора SТ и их связь с выходной мощностью Pd. Значения S1=m1U1I1 и S2=m2U2I2 характеризуют одновременно допустимую мощность нагрузки обмоток при работе в линейных цепях. Отношение кажущихся расчетных мощностей обмоток S1, S2 и расчетной мощности трансформатора ST к выходной мощности выпрямителя Pd=UdmaxIdN, определенной при нулевом угле регулирования выпрямителя α=0, называются коэффициентами расчетной мощности обмоток, kрм1, kрм2, и трансформатора, kрм, соответственно.
. (3)
Выражения (3) показывают во сколько раз должна быть увеличена мощность обмоток трансформатора и трансформатора в целом, вследствие несинусоидальности их токов в выпрямительной схеме, по сравнению с линейной цепью для передачи в нагрузку мощности при условии равенства потерь энергии в обмотках.
Для выбора вентилей выпрямителя необходимо установить загрузку вентилей по току (Iв.ср.) и напряжению (Uв.обр.max).
Работа сглаживающего фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания s, который определяется отношением коэффициента пульсаций на входе фильтра (kп1) к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра (kп2):
s=kп1/kп2. (4)
Коэффициент мощности выпрямителя (χ) определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники Pc(1) к полной мощности Sс, потребляемой
выпрямителем из питающей сети
χ= Pc(1) / Sс. (5)
В мощных выпрямителях с целью повышения коэффициента мощности за счет увеличения коэффициента искажения применяют многофазные схемы с числом фаз напряжения, подаваемого на вход выпрямителя, более 3.
Для получения шести фаз вторичные трехфазные обмотки сетевых трансформаторов выполняются со сдвигом напряжений на 30 электрических градусов. Это достигается за счет того, что одна трехфазная вторичная обмотка соединяется в звезду, другая – в треугольник. Выпрямитель, собранный по этой схеме, имеет на выходе двенадцатипульсное выходное напряжение и более высокий коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого выпрямителем из питающей сети, чем трехфазный выпрямитель, собранный по мостовой схеме.
На практике применяются также диодные и тиристорные выпрямители более высокой пульсности – 24-пульсные, 48-пульсные. Для этих выпрямителей необходимо использование трансформаторов более сложной конструкции, обеспечивающих взаимный сдвиг по фазе вторичных напряжений на 15 и 7,5 электрических градусов.
Применение многопульсных диодных и тиристорных выпрямителей позволяет улучшить форму токов и напряжений электросети, но связано с применением трансформаторов сложной конструкции, и неизбежным удорожанием выпрямителя в целом.
Напомним, что неуправляемые выпрямители не позволяют рекуперировать электроэнергию цепи постоянного тока в питающую сеть, поскольку они не могут быть переведены в режим инвертирования.
Тиристорные выпрямители обладают возможностью рекуперации электрической энергии в питающую сеть при переводе выпрямителя в режим инвертирования.
Активные выпрямители, как уже было отмечено выше, позволяют выполнять регулирование величины выходного напряжения с высоким, близким к единице значением коэффициента мощности. В качестве управляемых вентилей в этих выпрямителях широкое применение находят транзисторные модули IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярные транзисторы с изолированным затвором).
Высокая частота переключения транзисторов облегчает фильтрацию токов и напряжений на входе и выходе преобразователей, позволяет обеспечить их электромагнитную совместимость с питающей сетью и нагрузками. Достоинства активных транзисторных выпрямителей заключается в основном в том, что они позволяют приблизить форму потребляемых от питающей сети токов к синусоиде, обеспечить работу преобразователей с заданным коэффициентом мощности, в том числе работу с «опережающим» током [7].
Допущения, принимаемые при исследовании выпрямителей
Общие свойства и расчетные соотношения для различных схем выпрямителей обычно рассматриваются при следующих допущениях.
Трансформатор, вентили и сглаживающий фильтр принимаются идеальными.
Идеальный трансформатор – это трансформатор, магнитопровод которого ненасыщен, а намагничивающий ток и сопротивление короткого замыкания равны нулю. Другими словам - идеальный трансформатор – это трансформатор, в котором отсутствуют потери в меди и в стали сердечника, а также отсутствуют поля рассеяния обмоток и, следовательно, индуктивности, создаваемые этими полями, т.е. R1тр=R2тр=0 и х1тр=х2тр=0, ,
где R1тр, R2тр и х1тр и х2тр - активные сопротивления и индуктивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно.
Идеальный вентиль - это вентиль, имеющий бесконечно большое сопротивление в обратном, т.е. непроводящем направлении и сопротивление, равное нулю в прямом, т.е. проводящем направлении. Коммутация их тока происходит мгновенно;
Идеальный сглаживающий фильтр имеет бесконечно большую индуктивность, поэтому выпрямленный ток полностью сглажен. Активное сопротивление обмотки идеального дросселя принимается равным нулю.
Вопросы для самоконтроля:
1 Перечислите основные параметры, характеризующие работу выпрямителя.
2Перечислите параметры, по которым следует выбирать диод и однооперационный вентиль.
3 На каких вентилях выполняются активные выпрямители?
4 В чем суть понятия «идеальный» вентиль, «идеальный» трансформатор, «идеальный» сглаживающий фильтр?