Всего на сайте:
183 тыс. 477 статей

Главная | Электроника

Коммутация вентилей в схемах выпрямителей  Просмотрен 99

 

Ранее, при анализе схем выпрямителей, предполагалось, что они питаются от идеальных трансформаторов, фазы которых не име­ют потоков рассеяния электромагнитного поля. При таком допуще­нии возможна мгновенная коммутация (включение и выключение) вентилей преобразователя, периодически подключающих нагрузку к соответствующим фазам вторичной обмотки трансформатора. При этом ток подключенной фазы мгновенно нарастает до установив­шегося значения, а ток отключенной фазы мгновенно спадает до нуля.

Данное допущение общепринято для ВП, работающих в элек­тромеханических системах, и существенно упрощает расчет пара­метров основных элементов при достаточной для практической цели точности расчета.

Однако реальные трансформаторы всегда имеют некоторую индуктивность рассеяния фаз, вызванную наличием электромагни­тных потоков рассеяния. Наличие индуктивности рассеяния фазы не позволяет току включаемой фазы мгновенно нарастать до ус­тановившегося значения, а току выключаемой фазы спадать мгно­венно до нуля. Это приводит к тому, что появляются интервалы времени длительностью электрических градусов, называемые интервалами, коммутации, на которых в каждой вентильной груп­пе работают не менее двух вентилей. Вследствие того, что на интервалах коммутации коммутирующие фазы трансформатора зам­кнуты накоротко через два проводящих вентиля, кривая выпрям­ленной ЭДС искажается, что приводит к снижению значения вып­рямленного напряжения с ростом тока нагрузки преобразователя. Снижение напряжения характеризуется высшей характеристи­кой преобразователя, представляющей собой зависимость средне­го значения выпрямленного напряжения от среднего значения вы­прямленного тока при постоянном угле отпирания .

Прежде чем приступить к анализу коммутации и внесших характеристик следует отметить, что силовую схему любого нулевого -пульсного БП можно представить обобщенной схе­мой замещения, приведенной на pиc.1.17. В цепи нагрузки соде­ржимся ЭДС дви­гателя , полярность ко­торой зависит от режима ра­боты электро­привода. Инду­ктивность и сопротивление представ­ляют собой сумму индуктивностей и сопротивлений всех элементов цепи нагрузки. Значение включает в себя сумму индуктив­ностей рассеяния всех элементов фазы преобразователя, в том числе и индуктивности питающей сети и первичной обмотки тра­нсформатора, приведенные к цепи первичной обмотки.

При работе ВП на якорь двигателя постоянного тока большой (средней) мощности с достаточной точностью можно считать выпрямленный ток идеально сглаженным и равным , а индук­тивность цепи нагрузки . Идеально гладкой можно счи­тать также и ЭДС двигателя . При таких допущениях цепь нагрузки преобразователя на обобщенной схеме замещения может быть заменена источником тока

. (1.50)

Рис.1.17. Схема замещения -пульсного нулевого вентильного преобразователя

 

В процессе работы преобразователя происходит поочеред­ная коммутация тока нагрузки с одной фазы на другую. В экви­валентной нулевой схеме замещения -пульсного преобразо­вателя в области рабочих токов происходит чередование двух периодов работы: рабочего периода, когда ток нагрузки проходит по цепи одной фазы, и периода коммутации при нор­мальной нагрузке преобразователя, когда в процессе переклю­чения тока в проводящем состоянии оказываются обе фазы.

Пусть на рабочем периоде, предшествующем периоду коммутации, был открыт вентиль и ток нагрузки протекал через фазу с ЭДС (см. рис. 1.17).

При подаче отпирающего импульса управления на вентиль последний открывается, и начинается период коммутация тока на­грузки с фазы ЭДС на фазу ЭДС . При этом в контуре, образованном коммутирующими фазами, начинает проте­кать ток короткого замыкания . Через вентиль ток течет в прямом направлении и увеличивает анодный ток этого вентиля, а через вентиль ток течет в обратном на­правлении, уменьшая за интервал коммутации анодный ток венти­ля до нуля и тем самым запирая его. Поэтому ток при­нято называть также коммутирующим током.

ЭДС коммутирующих фаз сдвинуты друг относительно друга на угол . Разность этих ЭДС или коммутирующая ЭДС в соответствии с векторной диаграммой (см. рис. 1.18) и линей­ными диаграммами (рис. 1.19), построенными для =3, равна

, (1.51)

где - амплитудное значение фазных ЭДС в эквивалентной схеме замещения; - текущий угол, отсчитываемый от начала синусоиды до момента подачи отпирающего импульса на вступающий в работу вентиль; - угол управления вентилями.

ЭДС создает вынужденную составляющую тока . Эта сос­тавляющая входит в полный ток ком­мутации . С учетом того, что фазовый сдвиг между током и напряже­нием индуктивности составляет , вынужденная составляющая тока находится следующим об­разом:

 

 

Рис.1.18. Векторная диаграмма

 

Рис. 1.19. Линейные диаграммы напряжений и ЭДС в нулевой схеме с = 3

 

Составляющая свободного режима и в мо­мент =0

.

Полный ток коммутации, равный току вентиля вступающей в работу фазы, определяется из выражения:

. (1.52)

Ток вентиля заканчивающей работу фазы на интервале коммутации равен

. (1.53)

Период коммутации закончится, когда ток вступающей в ра­боту фазы достигнет значения тока нагрузки , а ток, за­канчивающей работу фазы, уменьшится до нуля. В начале периода коммутации текущий угол =0. В конце периода коммутации угол становится равным углу коммутации . С уче­том этого, выражение (1.52) преобразуется к виду:

. (1.54)

Из (1.54) определяется угол

. (1.55)

В период коммутации напряжения коммутирующих фаз стано­вятся одинаковыми в силу общих потенциалов у начала и конца обмоток. У вступающей в работу фазы напряжение снижается на­столько же, насколько оно повышается в фазе, заканчивающей свою работу. Вследствие этого мгновенное значение выпрямлен­ного напряжения на периоде коммутации равно полусумме ЭДС коммутирующих фаз

. (1.56)

Коммутационные процессы между любыми другими фазами пре­образователя протекают аналогично.

Во внекоммутационный период ток в работающей фазе и ра­ботающем вентиле нулевых схем равен току нагрузки .

Модуль мгновенного значения выпрямленного напряжения, падающего на интервале коммутации на индуктивности фаз и ха­рактеризуемого ординатами заштрихованных (см. рис. 1.19) площадок, равен полуразности фазных напряжений

.

Среднее значение или постоянная составляющая падения выпрямленного напряжения, обусловленного коммутацией,

.

С учетом (1.51)

.

Последнее соотношение после подстановки в него значения , найденного из (1.54), преобразуется к виду:

.

Коммутационное падение напряжения определяет вид внешней характеристики преобразователя, являющейся за­висимостью среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока при постоянном угле уп­равления вентилями

, (1.57)

Данное уравнение внешней характеристики справедливо для диа­пазона нормальных нагрузок выпрямителей, когда в процессе коммутации участвуют не более двух фаз.

Уравнение внешней характеристики также может быть запи­сано в относительных единицах

, (1.58)

где - указанная в технических условиях индуктивная соста­вляющая опыта короткого замыкания преобразовательного транс­форматора; - номинальный выпрямленный ток, при котором ток трансформатора равен номинальному значению, указанному в технических условиях на него; - относительный коэффициент наклона внешней характеристики. Коэффициент пред­ставляет собой отношение максимального значения среднего выпрямленного напряжения к действующему значению фазной ЭДС вторичной обмотки , а коэффициент - отноше­ние выпрямленного номинального тока к приведенному ко вто­ричной обмотке первичному номинальному току . Значе­ния коэффициента для различных схем выпрямителей будут приведены в п.1.7 при сравнительном анализе различных схем выпрямления. Внешние характеристики для преобразователя, ра­ботающего в выпрямительном и инверторном режиме, построенные в координатах абсолютных единиц приведены на рис. 1.20, а в координатах относительных единиц приведены на рис. 1.21.

В трехфазных мостовых схемах коммутация происхо­дит между вентилями, при­надлежащими к одной и той же группе, а именно между вентилями группы с ОК и между вентилями группы с ОА. В связи с тем, что коммутации тока в преде­лах каждой из групп про­исходят независимо друг от друга, влияние сопро­тивлений рассеяния фаз трансформатора ска­зывается здесь так же, как и в схемах с нуле­вым выводом, а электро­магнитные процессы ком­мутации в каждой из вен­тильных групп мостовой схемы аналогична процес­сам в нулевой схеме с тем же числом вентилей, что и в любой из групп моста. Поэтому для определения мгновенных значений токов вен­тилей на периоде коммутации и определения угла коммутации в трехфазной мостовой схеме можно пользоваться выражениями (1.52 , 1.53 , 1.55). Данные выражения справедливы для трехфазной мо­стовой схемы при подстановке в них значения =3.

Рис.1.20. Внешние характе­ристики в абсолютных еди­ницах

 

На межкоммутационных интервалах ток в двух работающих фазах трансформатора и двух работающих вентилях ра­вен току нагрузки .

Внешняя характери­стика трехфазного мос­тового выпрямителя мо­жет быть рассчитана по выражению (1.57), где полагают =6 , или по выражению (1.58).

В однофазной мостовой схеме на интерва­ле коммутации проводят ток одновременно все четыре вентиля, вследст­вие чего процесс комму­тации не может рассмат­риваться отдельно в каждой из вентильных групп.

В однофазной мостовой схеме ток двух вступающих в работу вентилей расположенных на одной диагонали моста, например и , равен [4]

, (1.59)

 

Рис 1.21. Внешние характерис­тики в относительных единицах

 

а для заканчивающих работу вентилей и , располо­женных по другой диагонали моста,

, (1.60)

Угол коммутации определяется по формуле:

. (1.61)

На межкоммутационных интервалах ток в двух работающих вентилях и вторичной обмотке трансформатора равен току нагрузки .

Процесс коммутации искажает токи вентилей преобразова­теля и токи фаз трансформатора. Произвести оценку этого иска­жения можно на примере однофазной мостовой схемы.

Ток любого из вентилей однофазной мостовой схемы имеет три характерных участка: на первом участке происходит нараста­ние тока на интервале коммутации от нуля до тока нагруз­ки ; на втором участке, начинающемся после окончания ком­мутации, ток вентиля постоянен и равен току нагрузки ; на третьем участке происходит уменьшение тока от значения до нуля. Длительность второго участка в однофазных схемах соста­вляет . Токи вентилей на интервалах коммутации мож­но с достаточной точностью считать изменяющимися линейно, то есть на первом участке ток равен , а на третьем . С учетом того, что интервал повторяемости токов равен 2 и начало отсчета текущего угла в начале импульса тока вентиля, средний ток вентиля равен

.

Из последнего выражения следует, что при линейном изме­нении токов в процессе коммутации среднее значение токов вен­тилей такое же, как и при мгновенной коммутации. Аналогично может быть показано, что не будет изменяться среднее значение токов вентилей и в других схемах выпрямителей.

Следует отметить, что при учете точного изменения мгно­венных токов на участках коммутации, действующие и средние значения токов вентилей и фаз трансформатора очень мало отли­чаются от аналогичных значений при мгновенной коммутации.

Таким образом, при расчете параметров основных элемен­тов силовых схем коммутацию можно не учитывать.

Выпрямленное напряжение на интервалах коммутации в однофазных нулевых и мостовых схемах равно нулю.

Внешняя характеристика однофазного мостового преобразова­теля может быть рассчитана по формуле:

, (1.62)

либо по формуле (.1.58).

Процесс коммутации вентилей управляемых выпрямителей бо­лее подробно рассмотрен в [3, 4, 6].

Расчет коммутационных процессов и внешних характеристик схем управляемых выпрямителей можно рассмотреть на следующих примерах.

1.6.1. Рассчитать и построить кривые мгновенных значе­ний выпрямленного напряжения и токов вентилей в однофаз­ной мостовой схеме (см. рис.1.6), Рассчитать и построить внешнюю характеристику. ЭДС питающей сети = 220 В, частота питающей сети = 50 Гц. Коэффициент трансформации силового трансформатора = 2, индуктивность рассеяния фазы трансформатора = 0,001 Гн. Угол управления вентилями . Противо-ЭДС в цепи нагрузки отсутствует. Активное сопротивление цепи нагрузки =1 Ом. Индуктивность в цепи нагрузки велика, что позволяет счи­тать выпрямленный ток идеально сглаженным.

Порядок расчета следующий:

1) Определяется действующее значение напряжения вторич­ной обмотки

В.

2) Определяется индуктивное сопротивление рассеяния фа­зы трансформатора

Ом.

3) В соответствии с (1.11) определяется максимальная вы­прямленная ЭДС

В.

4) В соответствии с (1.50), с учетом (1.62), определяет­ся ток нагрузки:

.

После несложных преобразований последнего выражения окончате­льно определяется ток нагрузки

А.

5) По (1.59) находится ток двух входящих в работу венти­лей, например и

.

 

6) В соответствии с (1.60) определяется ток двух венти­лей, выходящих из работы

.

 

7) По формуле (1.61) определяется угол коммутации

.

8) В соответствии с (1.62) записывается уравнение внеш­ней характеристики

,

по которому строится характеристика (рис. 1.22).

9) По результатам расчета строится кривые мгновенных зна­чений токов и напряжения. На интервалах коммутации выпрямленное напряжение в однофазных схемах равно нулю. Кривые приво­дятся на рис 1.23.

 

Рис. 1.22. Внешняя характе­ристика однофазной мосто­вой схемы

 

1.6.2. Рассчитать и построить кривые мгновен­ных значений выпрямленного напряжения и тока вентилей и в трехфазной мосто­вой схеме (см. рис. 1.1). Рас­считать и построить внеш­нюю характеристику этой схемы выпрямления. ЭДС пи­тающей сети =220 В. Коэффициент трансформации силового трансформатора =2, индуктивность рассеяния фазы трансфор­матора =0,001 Гн и соответственно индуктив­ное сопротивление рассе­яния при частоте сети 50 Гц равно 0,314 Ом. Угол отпирания вентилей . Ак­тивное сопротивление цепи нагрузки =1 Ом. Индуктивность в цепи нагрузки достаточно велика, вследствие чего ток нагру­зки можно считать идеально гладким.

Рис. 1.23. Токи и напряжения в однофазной мостовой схеме

 

Порядок расчета следующий:

1) Определяется действующее значение фазной ЭДС

В.

2) По выражению (1.35) определяется максимальное значе­ние выпрямленной ЭДС (при угле =0)

В.

3) В соответствии с (1.50) с учетом выражения (1.57), где =6, определяется ток нагрузки:

.

После несложных преобразований последнего выражения окончате­льно рассчитывается ток нагрузки

А.

4) По выражению (1.52) при = 3 и, определяется ток входящего в работу вентиля на интервале коммутации, например вентиля в группе с ОК,

.

5) По выражению (1.53) рассчитывается ток вентиля, выхо­дящего из работы, например вентиля в группе с ОК ,

.

6) В соответствии с выражением (1.55) при =3 и , определяется угол коммутации:

.

7) В соответствии с (1.57), где = 6 и , записывается уравнение внешней характеристики

,

по которому строится внешняя характеристика (рис.1.25).

8) По результатам расчета строятся кривые мгновенных зна­чение токов вентилей , (см. рис. 1.1) и кривая мгновенного значения выпрямленного напряжения в группе с OK . Аналогично строится кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения в группе с ОА . В соответствии с (1.56) выпрямленные нап­ряжения вентильных груш на интервалах коммутации равны полусумме вторичных фазных ЭДС , коммутирующих фаз. Кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения на выходе моста находится путем суммирования с учетом знаков мгновенных выпрямленных напряжений и вентильных групп. Кривые мгновенных значений токов и напряжений приводятся на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Токи и напряжения в мостовой схеме с =3

 

Следует отметить, что явление коммутации не ухудшает коэффициент полезного действия пре­образователя. Это связа­но с тем, что энергия, обусловленная коммута­ционным падением напря­жения, не преобразуется в тепло, так как падение напряжения про­исходит не на активном сопротивлении силовой части, а на индуктив­ных сопротивлениях эле­ктромагнитного рассеяния фаз трансформатора.

 

Рис.1.25. Внешняя характе­ристика трехфазной мосто­вой схемы

 

Предыдущая статья:Выбор полупроводниковых приборов для преобразовательных устройств Следующая статья:Назначение основных элементов и классификация вентильных преобразователей переменного тока в постоянный
page speed (0.0163 sec, direct)