Импульсные преобразователи напряжения

Мощность не ограничена, КПД 98%

Самый простой преобразователь.

Импульсный преобразователь напряжения одного уровня в другой уровень

При замыкании ключа на выходе будет напряжение равно входному напряжению.

Напряжение на выходе надо уменьшить. В момент времени -напряжению U2 – ключ отключен, напряжение понижается.

Блок схема:

Чем больше ёмкость, тем больше ток заряда. Если ток будет протекать больше величины длит. вр.- трансформатор выйдет из строя, большую ёмкость ставить не выгодно. Для накопления мощности можно поставить L, ставят вместе с конденсатором. В этом случаи дроссель работает в 2-ух режимах (накопитель мощности, ограничивают коммутированием тока).

ПРЕИМУЩЕСТВА:

• Высокое КПД 80%

• Повышается уровень коммутации

Системы делятся на:

• Трансформаторные

• Безтрансформаторные (могут быть по принципу преобразователя)

а)с широко импульсным преобразованием

б)с частотно импульсным преобразованием

в)смешанный (широко-частот.)

широтно-импульсный преобразователь

Т.к схема одинакова для обоих случаев она зад. режимом работы. Если надо получить U_вых меньше U_вх потери небольшие до 2%.Для идеального преобразователя ключ имеет два состояния:

-замкнутое R=0

-разомкнутое

Катушка не имеет нулевого сопротивления, С2 имеет нул. ток утечки равный постоянному току утечки. В этом случае КПД=100% (в идеальном случае, практически имеет обратный ток)

Работает на частоте до 100 кГц – происходит нарастание тока в этой цепи.

В этот момент нужно отключить ключ. Частотно импульсные преобразования более простые и дешёвые. Схема даёт возможность регулирования. Импульсы зависят от глубины обратной связи.

Для того, чтобы заставить работать устройство в широтно-импульсном режиме нужно включить генератор опорной частоты либо переменной частоты.

Преобразователи имеют стандартную связь и генератор импульсов обратной частоты. При автоподстройки частота меняется автоматически, либо задают частоту на генераторе. Диод нужен для защиты ключа К от самоиндукции.

С2 – сглаживает пульсации энергии.

При отключении К происходит запас энергии в L – идёт через обратную связь VD.

Если преобразование не требует высокого уровня стабилизации, то используют преобразов. с ОС. Если преобразователь тиристорный, то используется генератор переменной частоты.

При большой частоте тиристорный преобразователь может не отключаться. В случае частотного преоб. необходим генератор частот. Если 2-ой способ частот. преобр. определить глубиной ОС и она может быть любой.

Чем меньше коэффициент усиления, тем более стабильнее работает устройство. Получаем одно и тоже напряжение при разной частоте .

Сглаживание пульсации

Тиристорные преобразователи экономят электрическую энергию в большом диапазоне. Для получения Uвх выше U_вых за счёт изменения схемы преобразования (используют транзисторы с двумя ступенями преобразования).

- идеальный случай (теоретический)

При коммутации заряжается С2, L отключается ключ, С2 заряжается, но е.д.с самоиндукции складываются с входным и получаем U_вых повышается.

Выйдет из строя коммутирующий элемент будет приложено напряжение выше положенного.

U_вых>U_вх

_{-повышающая схема}

Схема позволяющая изменить напряжение

Силовые схемы преобразования напряжения (в ЭПС)

Подвижной состав работает с двигателями постоянного тока. Для изменения скорости изменяется схема соединения двигателя, меняют сопротивление поля и пусковые резисторы. Для экономии энергии применяют: однооперационный тиристор – имеют хорошие параметры и надёжность. Для работы с однооперационным тиристором для того чтобы его закрыть:

• естественной коммутацией (переход U через ноль).

- принудительная коммутация (подключается конденсатор с обратным напряжением либо подключается источник тока или напряжением обратным тиристору).

Способ жёсткой коммутации

Нужно зарядить конденсатор, а потом будет разряжаться подключенным к катоду «+», а к аноду «-». Ёмкость будет разряжаться через нагрузку Rн.

Источник тока должен иметь запас мощности такой, чтобы вытеснить ток из основного источника питания (ток осн. уменьшается до 0) – тиристор закрывается.

- самый простой способ комутации (есть однотактовый и двухтактовый)

- однотактовый

Включаем питание –тиристор заперт – ток пойдёт на катушку через Ск на Rн. Накопилась энергия Lк, Ск зарядилась. Когда подаётся импульс тока с СУ тиристор открывается (ток пойдёт и в Rн и обратно) Lk будет увеличиваться – наростание тока – тиристор закрыт.

Меняя частоту подачи импульсов, меняет среднее значение на нагрузке.

t 1 – время в течении которого тиристор открыт

Способ регулирования простой (используются небольшой мощности преобразователи)

-параллельное подключение (однотактный)

Когда тиристор открыт ток идёт и на нагрузку и на коммутирующий контур, как только зарядится ёмкость поток уменьшится , появится противо е.д.с., закрывающая тиристор. Когда Ск зарядилась ток в Lk не меняется. Ток Ск и е.д.с. самоиндукции запирают тиристор и идёт на Rн (такой преобразователь можно использовать для питания тяговых двигателей ). Т.к. имеется постоянная времени этого звена систему регулировать невозможно, регулируя уровни выходного напряжения в пределах 100% ( в широких пределах). Ограниченный диапазон регулирования. Как бы мы не увеличивали частоту следования импульсов, всё равно тиристор будет закрываться цепью Lk, Ск. Нельзя получить U на Rн постоянном напряжении на диоде.

Двухтактная коммутация

-самый простой способ

Им можно регулировать напряжение Rн в небольшом диапозоне и использовать близкий к max значениям напряжение. Можно получить любое напряжение. При включении схемы тиристоры заперты. Для включения подаём управляющий импульс, ёмкость Ск зарядилась. Для закрытия тиристоров подаём импульс тока на коммутирующий тиристор.

Если убрать из схемы Rk – будет к.з. Напряжение питания должно быть подключено к схеме. Этот способ мало используется из-за больших потерь в резисторе.

-двухтактная схема

Бывает, что тиристоры не вовремя закрываются. Контур подключается параллельно тиристору. Если подать импульс до нуля напряжение довести невозможно.

Энергией накоплённой в конденсаторе мы запирали тиристор. При расчете коммутационного контура необходимо учитывать величину ёмкости и индуктивность (если энергии будет не хватать произойдет срыв коммутации).

Рассчитывается энергия необходимая на отключение тиристора.

Для того, чтобы дать нагрузки включить VT1 при этом идёт ток в нагрузку и начинается разряд конденсатора через индуктивность, работает тиристор и диод. Энергия запасённая в конденсаторе переходит в электромагнитное поле. Как только ёмкость разрядится магнитный поток уменьшается, появляется противо э.д.с. и конденсатор перезаряжается. Ёмкость подготовлена к тому, чтобы закрыть работающий тиристор VTр.

Придумали схему, которая подкл. при коммутации тиристора. Недостатком такой схемы: накапливается большая энергия.

При подачи импульса мы открываем тиристор. Диод нужен для защиты от перенапряжений. Противо э.д.с. завист от величины индуктивности Lд.

При подключении источника ничего не происходит. Надо открыть VTp, при включении VTp ток идёт от «+» к «-» через Zn и VD.

Lk надо для перезаряда Ск

Прикладывая обратное напряжение – жёсткая коммутация.

-эта схема лучше – меньше уровень перенапряжения. Надо открыть VTk – идёт ток-идёт заряд конденсатора через Zн.Когда Iзар уменьшается закрывается VTk, отпирается VTp.

Чтобы закрыть тиристор , надо иметь источник, который на время коммутации надёжен (это конденсатор). Если схема работает с жёсткой коммутацией ток протекает с гл. комут., ср. комут. На время коммутации мы не сможем зарядить конденсатор, потому что транзисторы долго закрываются, нам тяжело будет накапливать энергию в Ск , потому схема работает на частоте 400 гц.

Преимущество: энергия накапливается в Ск, Lк при открытии VTk, энергия идёт по контуру Ск-Lк-VTk-Zн-VD1 и на источник питания

Тиристорный регулятор рекуперации электроэнергии

- эта схема лучше (меньше уровни перенапряжения)

Регулирование производится с помощью резисторов ( потери активной энергии). Если на зоне один, то мощность отдаётся тяговой подстанции, а там есть поглощающие устройства. Если больше нет нагрузки тиристор работает в инверторном виде. В локомотивах используют реостатное торможение (оно более мягкое, но идут затраты на электроэнергию, идёт выделение тепла). Скорость быстро изменяться не может. Напряжение на ОВ подаётся не из тяговой сети, а из специального генератора (без него тяговые двигатели перегрелись бы), который на одном валу с мотор - вентилятором. Есть постоянная времени для каждого двигателя. Мотор – вентилятор стабильно (постоянно) работает от тяговой сети. ОВ питается от акамулятора и при изменении напряжении на тяговом двигателе не будет изменятся напряжение на ОВ. У нас меняется тормозной ток. Для избегания проблем есть коммутирующий контур (1-2) , позволяющий плавно регулировать Ск, VTk. Дроссель L1 необходим для сглаживании пульсации тока, Lф служит как фильтр в режиме тяги, режиме рекуперации при открытом тиристоре. Ток протекает в контуре Lф и накапливается энергия, после закрытия VT1 энергия возвращается в тяговую сеть. Эта схема нужна для плавной рекуперации тормозного тока. В отличии от т.п локомотив управляется человеком, двигатели локомотива работают на переменную нагрузку. С помощью накопления энергии и рекуперации можно плавно регулировать тормозной момент до полной остановки.

Режим реостатного торможения.

-параллельная схема

Схема параллельно подключается предпочтительней чем последовательно. Если VT1 закрыт значит R=R_ном ,если VT1 открыт значит R=0. Всё это для ЭПС постоянного тока.

Пример рекуперации на переменном токе:

1. Изменяем напряжение на первичной обмотке

2. Изменяем напряжение на вторичной стороне (шунтируем ОВ осуществляется в обеих случаях).

- Регулируем по вторичной стороне (1500 В). Самый простой способ - это иметь несколько отводов от трансформаторов:

На регулятор (Р), через ключ:

-Самый обычный фазоимпульсный способ регулирования

Можно регулировать с помощью моста. Проблема в том, что у нас несколько двигателей, каждый из которых потребляет I=1000 A. ВЛ-8 имеет 2 секции в 8 двигательном исполнении, но используется только один. При использовании способа регулирования по вторичной стороне, необходимо обеспечивать параллельную работу тиристоров, которые коммутируют.

Недостатки:коммутация больших токов имеет индуктивную составляющую (тиристоры не закрываются)

- Регулируем по первичной стороне (мало используют):

Неудобство в том, что мы должны коммутировать большие напряжения (до 55 кВ).

В(Р) - мы должны использовать несколько тиристоров с высоким классом напряжения.

П рактически такая схема неработоспособна, будет создавать помехи, поэтому существует способ – секторное регулирование переменного тока (среднее зачение напряжения, меняя площадь импульсов).

Суть этого метода, что меняем не один регулятор, а несколько по числу пар поездов.

При работе регуляторы отбирают от сети большой ток и желательно включение в разное время суток.

Энергия накопленная в Сф перекачивается в двигатель (пульсация тока сглаж.)

Параметры и габариты должны быть, как можно меньше при большой частоте импульсов, которые отбираются из тяговой сети. Будет меньше иметь значение для высокой частоты. Чем выше частота пульсации, тем меньше значение конд. ёмкости и меньше индуктивности.

Универсальная схема тиристорного регулирования

L 1,L2 – уравнительные реакторы

Автономные инверторы

Назначение: преобразование постоянного тока в переменный нужной

нам частоты и уровня напряжения.

Самые простые инверторы делаются, как правило, на полностью управляемых ключах. В качестве ключей могут использоваться транзисторы, либо 2-х операционные тиристоры.

Для того, чтобы тиристор закрыть надо приложить обратное напряжение, уменьшиться ток , удаление заряда С (р-п переходы). При подачи напряжения тиристор закроется. Ток, который пройдёт через тиристор будет помогать нам в открыт. состоянии. Самая простая схема включения.

Недостаток: Большие потери, КПД не более 50%, закрыть тиристор сложно.

- защита от перенапряжений

Обратное напряжение при переключении будет большим (надо обратный диод) может выйти из строя наш тиристор.

- полумостовая схема инвертора

- мостовая схема инвертора.

Если сделать три таких устройства, то можно будет подключить 3–х фазный двигатель. Меняя частоту можно регулировать частоту вращения двигателя.

Автономные инверторы напряжения

Диодный мост нужен, чтобы коммутирующий контур смог работать.

Автономные инверторы напряжений двух типов:

• Инверторы на полностью управляемых тиристорах

• Однооперационные

- однофазный инвертор.

Состоит из моста диодов и строится на тиристорах. Диоды нужны, чтобы индуктивность нагрузки не вызвала уменьшение токак до нуля.

- трьох фазный инвертор напряжения

Для коммутации тиристоров нужно уменьшить ток до 0.Форма напряжения: прямоугольная, синусоидальная, трапециидальная. Прямоугольная в случае инвертора напряжения, а трапециидальная в случае инвертора тока.

Самый постой способ – в качестве задающего елемента использовать генератор пилообразного напряжения.

Недостаток: есть ограничение по частоте. Большая частота не получается, потому что тиристоры не будут работать.

Инверторы тока

Устройство, которое питается от этого инвертора могут остановиться в любой момент, за счёт подачи постоянного тока будет мягкообразное уменьшение тока.

Трьох фазный инвертор тока:

Системы управления преобразователей на подвижном составе

Требования предъявляемые к системе управления преобразователей на подвижном составе:

• Надёжность

• Виброустойчивость

• Нечувствительность к помехам

Инверторы ведомые сетью

Необходимо следить за частотой и временем. Эти устройства более капризны. Отслеживать уровень напряжения тяговой сети, а также синхронную роботу в тяговой сети.

Используют тиристоры, которые имеют естественную коммутацию. Можно подать импульс, а можно подать многоимпульсную систему - она лучше, так как коммутируются малые токи.

Динистор открывается при определённом уровне напряжения. Если величина R малая, то он открыт, а если величина R большая – закрыт.

Однофазная нулевая схема

В качестве инвертора не используется.

Похож на 1 фазный выпрямитель.

Ud – U, которое вырабатывается тяговыми двигателями.

U1- U, в тяговой сети.

U1- U, которое вторич.

Напряжение во вторичной обмотке трансформатора должно быть встречно с тем напряжением, которое мы хотим инвертировать.

Чтобы произвести инвертирование нужно открыть тиристор в определённое время полупериода.

Подаём импульс с опред. и открываем тиристор, как только мы его открыли сразу пропускаем ток. У нас есть дроссель, который создаёт э.д.с. Когда сердечник намагничен он искажает форму тока.

S1- площадь накопленной энергии в дросселе

S2- площадь рассеивания энергии в тяговой сети

Условие инвертирования: если S1=S2

Если изменяем угол ( угол управления), т.е. уменьшаем (раньше откроем тиристор). Если откроем в точке экстремума, то мы его некогда не закроем – это к.з. Тиристор открывается не мгновенно и не сразу закрывается.

Если тиристор открываем до экстремума, то тиристор не закроется.

Ud может меняться (от скорости двигателя).

Двухпериодная схема инвертирования

Тиристоры должны успеть закрыться, пока не откроеися второй.

- угол необходимый для запирающих свойств тиристора

( мы его не можем изменять)

-угол коммутации (переключения тиристора)

Подаём по очереди импульсы, загружаются два плеча. «Поймать» максимальное значение невозможно, но «поймать» ноль можно.

Транзисторные ключи

Для выравнивания напряжения подключаем R. Сопротивление диода нелинейное и при токе в несколько ампер потери всё равно будут большими, поэтому применяют следующий способ:

Если один из токов будет больше, то магнитный поток (который наводится этим витком) будет создавать меньшое сопротивление смежного сердечника и тогда ток смежного участка увеличится. Так выравниваются токи. Сей час есть диоды на 5кА.

Для того, чтобы открыть один тиристор не требуется большого усилия, но открыть 100 тиристоров трудно. Обачно при этом не делается для каждого тиристора управляючий електрод, а делают общий.

Многоимпульсный способ управления тиристорами

Но этот способ не открывает тиристор одновременно.

Тиристор одновременно управляется при помощи света.

Оптические модули света:

• Химическая энергия превращается в световую (лазер)

• Свет модулируется поляризатором. Свет пропускают через поляризатор. Есть кристаллы расчленяющие на два луча : обыкновенный и необыкновенный.

Для инвертирования нужны фототиристоры, но тиристоры всё равно не откроются при одинаковой подачи управляющего импульса. Фирма «Siemens» производит тиристоры открывающиеся примерно одинаково.

Устройство формирует управляющий импульс тиристора.

Э.д.с. самоиндукции вызывает повреждение транзистора для обратного повреждения. Для защиты от переходного режима транзистора используют конденсатор.

Если сопротивление у диодов разное, то и падение напряжения на этих диодах разное, поэтому добавляют одинаковые сопротивления (20 кОм). В этом случае по цепи протекает одинаковый ток. Для защиты от перенапряжений преобразовательных устройств ставят тиристорные разрядники (ограничиваем волну перенапряжений).

Тиристор мгновенно не включается у него есть время срабатывания.

Системы управления полупроводниковыми преобразователями

Тиристор тяжело открыть прямым напряжением, т.к. оно очень велико.

Нужно подавать импульсы в строго определённое время.Существует горизонтальный принцип управления регулирования угла Фазовращатель

Напряжение U_AB подаётся на устройство управления импульсов.

Если R в крайнем правом положении - напряжение сдвигается на 180 градусов (угол управления маленький).