Учебное пособие 800603

Рис. 2.19. Кривые выходного напряжения однофазной однополупериодной схемы выпрямления

Тогда коэффициент пульсаций

g1	U1max		Ud			1,57.
	Id		2Ud	2

Для схем двухполупериодных и трѐхфазных выпрямителей коэффициент пульсаций определяется по выражению (2.43) при к=1 и m, равном числу пульсаций за период.

	g	2
		k 2 m 2 1 .

Для однофазной схемы (с выводом нулевой точки и мостовая) m=2

	g1		2			2	0,667 .
		2	2	1		3

Для трѐхфазной схемы с нулевым выводом m=3

	g1		2		2	0,25 .
		32	1		8

Для трѐхфазной мостовой схемы m=6

	g1	2			2	0,057	и т.д.
		62	1		35

Для управляемого выпрямителя коэффициент пульсаций без учѐта коммутационных процессов определяется по (2.41) для максимальных углов управления

	2
g1			cos 1 k 2 m 2tg 2 .			(2.63)
	k 2 m 2
		1

Коэффициент пульсаций на нагрузке S задаѐтся, исходя из предъявляемых требований к источнику питания.

Эффективность сглаживающего фильтра определяется коэффициентом сглаживания или эффективности S

	S		g1	.
			g 2
	Коэффициент пульсаций g 2 на выходе фильтра						или, что то же, у
	зажимов нагрузки определяется из равенства
	g2	U 'mm				,	(2.64)
		U ' d

где U 'mm - амплитуда m-ой гармонической у зажимов нагрузки; U’d-среднее значение напряжения у зажимов нагрузки.

В общем случае Ud U’d.

Рассмотрим основные схемы фильтров.

а) Индуктивность как фильтр

Рис. 2.20. Схема индуктивного фильтра

Индуктивность как фильтр (рис. 2.20) включается в схему последовательно. Принимая на себя большую долю переменной составляющей напряжения, индуктивность ограничивает пульсации тока в контуре, в силу чего напряжение и ток в нагрузке оказывается более сглаженным. На практике фильтр должен работать эффективно на самой низкой частоте m периодической составляющей. При более высоких частотах по отношению к m индуктивное сопротивление возрастает и фильтр будет действовать более эффективно.

Соответственно приведѐнной схеме замещения коэффициент сглаживания определяется из равенства

	S	U m max		U m max 1 2	.	(2.65)
		U 'm max	U 'm max 3 4

По цепи проходит один и тот же ток Id

U m max 1 2 Id Rd 2 m L 2 ;

Um max 3 4			Id	Rd ;
S	Id Rd 2		m	L 2
					.	(2.66)
		Id	Rd 2

Индуктивный фильтр применяется в установках с большими токами нагрузки. Запасаемая энергия в индуктивности пропорциональна выра-

жению L Id 2 .

2

Недостатком индуктивных фильтров является возможность перенапряжения при сбросе нагрузки. Обычно для избежания перенапряжений индуктивность шунтируют диодом во встречном направлении.

б) Ёмкость как фильтр

Преимущественное применение находят при больших значениях нагрузочного сопротивления и в установках высокого напряжения. Ёмкость подключается параллельно нагрузке (рис.2.21). В этом случае постоянная составляющая тока нагрузки протекает через сопротивление нагрузки Rd. Переменная составляющая напряжения выпрямителя

U U m max sin m t .

Переменная составляющая тока, протекающая через ѐмкость, обрат- но-пропорциональна сопротивлению.

I ''m		Rd		Rd	m C Rd .
I 'm		Xc	1 m C

Ток, протекающий через ѐмкость I ' 'm будет значительно больше тока I 'm , протекающего через сопротивление нагрузки Rd.

Коэффициент сглаживания ѐмкостного фильтра

SC	I m		I ''m	m	C Rd 10	6	,	(2.67)
	I 'm		I 'm

где С в микрофарадах.

	C	S	C	10 6	.	(2.68)
		m Rd

Рис. 2.21. Схема емкостного фильтра

в) Г- образный фильтр

Эффект от действия параллельно включенной ѐмкости значительно повышается, если до ѐмкости включить индуктивное сопротивление

(рис.2.21).

Рис. 2.22. Схема Г-образного фильтра

Гармонические тока, обусловленные параллельно включенной ѐмкостью, проходят в таком фильтре через последовательное звено, вызывая в нѐм падение напряжения, и поэтому напряжение на зажимах нагрузки получается более сглаженным. Коэффициент сглаживания Г- образного фильтра получается как произведение коэффициентов сглаживания индуктивного L-фильтра и ѐмкостного С- фильтра

S Г	S L SC .					(2.69)
Отсюда	LC	106		S Г	.	(2.70)
			m2	2

г) Фильтр с резонансными параллельными ветвями

Ещѐ большую степень сглаживания можно получить, если вместо параллельной ѐмкости, как в Г- образном фильтре, после последовательного индуктивного звена включить резонансную ветвь или ряд ветвей, как это показано на рис.2.23.В каждой из ветвей подбором включаемых в неѐ индуктивности и ѐмкости согласно равенству:

Ln	1			1		(2.71)
	n2 2Cn		km 2		2Cn

создаѐтся резонанс напряжений гармонической определѐнной кратности к (к берѐтся равным 1, 2, 3 и т.д.). В состоянии резонанса результирующее сопротивление ветви складывается из активных сопротивлений.

	Рис. 2.23. Схема резонансного параллельного фильтра
	д) Фильтр с резонансными последовательными ветвями
	В этом случае мы приходим к фильтру с последовательно	вклю-
чѐнными резонансными контурами тока (рис.2.24). Каждый такой		кон-
тур	настраивается на резонанс тока на определѐнную частоту. Каждое
из	звеньев фильтра-пробки по отношению к резонансной гармонической
тока проявляет себя как активное сопротивление Z nэ .

Рис. 2.24. Схема резонансного последовательного фильтра

Коэффициент сглаживания определяется из равенства

Sn	Znэ	Rd
			.	(2.72)
	Rd

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ

3.1. Однофазный инвертор, ведомый сетью

Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Инверторы, ведомые сетью, осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока, т.е. решают задачу обратную выпрямителю.

Ведомые инверторы выполняют по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. На рис. 3.1 приведена двухполупериодная схема однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом трансформатора. В качестве источника инвертируемой энергии принята машина постоянного тока М, работающая в режиме генератора. Индуктивность Ld осуществляет сглаживание выходного тока инвертора, а реактивные сопротивления Xa учитывают рассеяния обмоток трансформатора и индуктивности питающей сети.

Рис.3.1. Схема однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом

Рассмотрим основные отличия режима инвертирования от режима выпрямления.

При выпрямлении источником энергии является сеть переменного тока. Поэтому при 0 кривая тока i1, потребляемого от сети, совпадает по фазе с напряжением питания U1. При Xd= и Xa=0 форма тока i1 близка к прямоугольной (рис.3.2). Тиристор 1 открыт при положительной

полярности приложенного напряжения e2 1 , а тиристор 2 – при положи-

тельной полярности напряжения e2 2 (рис.3.2,б). Машина постоянного тока в схеме рис.3.1 работает в режиме двигателя. К двигателю приложено напряжение Ud с полярностью, указанной в скобках.

При работе в режиме инвертирования машина постоянного тока является генератором электрической энергии, а сеть переменного тока– ее потребителем. Наличие тиристоров определяет условие перевода двига-

теля в генераторный режим – протекание тока ia1 и ia 2 и i1 в прежнем направлении. Поэтому необходимо изменить полярность Э.Д.С двигателя на обратную (указана без скобок). Показателем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на 180 эл. градусов тока i1 относительно напряжения U1 (рис.3.2,в). Это означает, что тиристоры схемы в режиме инвертирования должны находится в открытом состоянии при отрицательной полярности приложенного напряжения вторичных обмоток трансформатора (рис.3.2,г). При таком режиме отпирания тиристоров осуществляется поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора через дроссель Ld к источнику постоянного тока (рис.3.1), чем достигается преобразование постоянного тока в переменный i1 и передача энергии в сеть.

Рис.3.2. Кривые напряжения и тока питающей сети,

атакже последовательность работы тиристоров

вуправляемом выпрямителе (а, б)

и в ведомом инверторе (в, г)

Указанному режиму управления тиристорами при инвертировании соответствует рис.3.3,а и углу управления , отсчитываемого в направлении запаздывания относительно точек естественной коммутации вентилей (0, ,2и т.д.).

Рис.3.3. Кривые напряжения и тока с учетом угла опережения

Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании очередного тиристора, в ведомом инверторе, осуществляется под действием обратного напряжения, создаваемого напряжением сети со стороны вторичных обмоток трансформатора (отсюда название ―ведомый сетью‖).

Очевидно, к ранее проводившему тиристору, при отпирании очередного тиристора, будет приложено обратное напряжение (равное напряжению двух обмоток) только в том случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему обмотке действует напряжение положительной полярности. Поэтому реальное значение , исходя из условий запирания тиристора, должно быть меньше на некоторый угол (рис.3.3,б), т.е. . Если же очередной тиристор отпирать при , то условие запирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, этот тиристор останется в открытом состоянии, создав короткое замыкание цепи с последовательно включенной вторичной обмоткой трансформатора и источником постоянного тока. Такое явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора.

Угол называют углом опережения отпирания вентилей. С углом управления он связан соотношением

	(3.1)
или
.	(3.2)

Для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений e2 1 ,e2 2 , проводя их отпирание с минимальным углом . Следует отметить, что режим инвертирования можно достичь без изменения полярности электродвигателя постоянного тока, если использовать

второй комплект выпрямителя с обратным направлением включения тиристоров.

а рис.3.4,а приведены кривые вторичных напряжений трансформатора инвертора, а на рис.3.4,б,в ─ сигналы управления тиристорами. Полагаем, что при Ld ток id идеально сглажен. На интервале 0- (рис.3.4,а) проводит вентиль 2.

Рис. 3.4. Временные диаграммы

Его анодный ток ia 2 (рис.3.4,д), равный id , протекает под действием ЭДС Ed источника постоянного тока черз вторичную обмотку трансформатора навстречу напряжению e2 2 , полярность которого указана на рис.3.1 в скобках. Полуволна напряжения e2 2 отрицательной полярности определяет на этом интервале напряжения Ud инвертора (рис.3.4,а).

По окончании интервала , с оежением на угол , относительно точки , подачей управляющго импульса отпирается тиристор 1. При наличии индуктивных сопротивлений X a1 и X a 2 в анодных цепях тиристоров наступает процесс коммутации тока с вентиля 2 на вентиль 1, длительнось которого определяется углом коммутации .

Как и в выпрямителе, этот процесс протекает под действием тока ik в контуре с обоими проводящими тиристорами и характеризуется величиной Ud=0 (рис.3.4,a). По окончании коммутации ia 2 0 , а ia1 id . На интервале от (-угол, в течение которого к тиристору 2 прикладывается обратное напряжение, необходимое для восстановления запирающих сввойств) до 2генератор обеспечивает протекание тока через другую вторичную обмотку трансформатора и тиристор 1. Участок напряжения e2 1 определяет кривую Ud инвертора на этом интервале.

В связи с тем, что используются участки синусоид e2 1 и e2 2 , соответствующие преимущественно отрицательным полуволнам, среднее значение напряжения инвертора Ud имеет полярность противоположную режиму выпрямления (рис.3.4,а). Кривая напряжения на тиристоре (рис.3.4,е) определяется суммой напряжений вторичных обмоток трансформатора. Максимальное прямое напряжение равно 22E2 , а обратное

22E2 sin . Длительность действия обратного напряжения на тиристоре определяется углом или соотвествующим ему временем tп.в. 360 fc , не

должна превышать величины min 360 fc tв , необходимой для восстановления управляющих свойств тиристора ( t в - время выключения тиристора, tп.в. время, предоставляемое тиристору для выключения, т.е. для восстановления его управляющих свойств).

Кривые напряжения сети U1 и отдаваемого в сеть тока i1 приведены на рис.3.4,ж. Амплитуда тока равна Id/Kт, где Кт=W1/W2 – коэффициент трансформации трансформатора. На этапах коммутации ток i1 определяется разностью токов вступающего в работу и заверщающего работу тиристоров.

Для выявления основных закономерностей в ведомом инверторе рассмотрим процесс коммутации в схеме, связанный, например, с переходом тока id с тиристора 2 на тиристор 1.

Ток короткозамкнутого контура ik (рис.3.1.), от которого зависит характер изменения анодных токов тиристоров и длительность коммутационого интервала, определяется по аналогии с управляемым выпрямителем, суммой свободной и принужденной составляющих (рис.3.4,з). Под-

становкой в них	находим
	ik"		2E2		cos t	;	(3.3)
		X a