Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

Pиc. 4.3. Схема и временные диаграммы однофазного мостового инвертора напряжения

Входной ток инвертора i^/ (рис. 4.3,б) при становится знакопеременным, что говорит о периодическом энергообмене между цепью нагрузки и источником питания: запасание энергии в индуктивности нагрузки при работе тиристоров и возвращение энергии в источник на интервале работы обратных диодов. Если источник питания Е представляет собой выпрямитель, то для создания в нем обратной проводимости, позволяющей принять энергию из инвертора, его шунтируют конденсатором С большой емкости, как показано на рис. 4.3, а.

Найдем выражение для тока нагрузки. Контур тока включает в себя Е, R_н и L_н, Считая, что ток нагрузки состоит из принужденной и свободной составляющих, имеем

(4..3)

где - постоянная времени цепи нагрузки; — ток нагрузки при или при L_H=0.

Так как напряжение на нагрузке периодически повторя­ется, то

(4.4)

что позволяет определить постоянную А.

После подстановки (4.3) в (4.4) и преобразований получаем

(4.5)

Максимальное значение тока нагрузки находим из (4.5) при t = Т/2:

(4.6)

Для регулирования выходного напряжения инверторов напряжения либо изменяют ЭДС питающего напряжения Е, либо используют так называемые внутренние средства, а именно изменяют форму выходного напряжения. С этой целью в схеме рис. 4.3, а сдвигают управляющие импульсы на V3 и V4 относительно управляющих импульсов на VI и V2 на угол управления а (на временных диаграммах рис. 4.4 представлены интервалы проводимости всех тиристоров и форма тока и напряжения на нагрузке).

На интервале t₀<t<t₁ открыты VI и V4, на нагрузке . В момент t₁ , VI запирается и подается управляющий импульс на V2, в результате чего ток i„ замыкается в контуре V4-V20-R_н L_H, а напряжение на нагрузке, закороченной тиристорами V4 и V20, и_н=0. В момент t₂ поступает отпирающий импульс на V3, V4 прекращает работать и нагрузка подключается к источнику питания: . Из-за индуктивности нагрузки первое время на интервале t₂—t₃ ток L протекает в прежнем направлении по контуру R_HL_H-V30-E-V20. затем после спада тока к нулю при t=t₃ ток изменяет свое направление и течет в контуре E-V3-RнLн.,-V2.

Таким образом, в кривой u_H(t) появляется регулируемая пауза. Порядок подачи сигналов управления на вентили инвертора получил название алгоритма управления. Алгоритм управления и характер нагрузки в инверторе напряжения определяют характер и продолжительность работы вентилей — алгоритм переключения.

Рис. 4.4. Временные диаграммы тока, напряжения и интервала проводящего состояния вентилей в схеме рис.4.3 при регулировании выходного напряжения

Рис. 4.5. Трехфазный мостовой инвертор напряжения (а) и временные диаграммы напряжений в инверторе (б)

На рис. 4.5,а приведена схема трехфазного инвертора напряжения. Рассмотрим простейший режим, когда каждые два тиристора одной фазы открываются попеременно. Если положить потенинал отрицательного полюса источника питания Е равным кулю, то потенциалы точек А, В, С будут принимать значения либо Е, либо 0. На рис. 4.5,б показаны кривые изменения потенциалов , как обычно в трехфазных системах, они сдвинуты относительно друг друга на 120°. К нагрузке приложено линейное напряжение , форма которого также приведена на рис. 4.5, б. Выходное напряжение (линейное) трехфазного инвертора представляет собой в рассматриваемом режиме знакопеременные прямоугольные импульсы длительностью 120°.

4.3. Инверторы тока

Инверторами тока называются автономные инверторы, которые связаны с источником питания через сглаживающий дроссель, так что вентили инвертора переключают ток. В качестве вентилей в инверторах тока используют однооперационные тиристоры. Для коммутации тиристоров параллельно нагрузке обычно подключается коммутирующий конденсатор. По способу подключения конденсатора к нагрузке такие инверторы называются также параллельными.

На рис. 4.6, а приведена схема однофазного мостового параллельного инвертора тока. Из-за большой индуктивности сглаживающего дросселя L_d входной ток инвертора i_d (ток источника Е) будем считать идеально сглаженным. При включении VI и V4 с помощью импульсов от системы управления, не показанной на рисунке, образуется контур протекания тока E_d-L_d-V1-R_H--V4-E_d.

Направление тока в диагонали моста i показано на рисунке. При включении V2 и V3 ток изменяет свое направление. Входной ток инвертора i_d благодаря периодическому переключению, осуществляемому тиристорами, превращается в диагонали моста в переменный ток прямоугольной формы (рис.4.6, б).

Рис. 4.6. Схема (а) и временные диаграммы (6) однофазного параллельного мостового инвертора тока

При активной нагрузке R_H напряжение на конденсаторе u_c=u_H в силу постоянства тока i=I_d изменяется по экспоненте с постоянной времени и к концу интервала, когда открыты тиристоры VI и V4, имеет полярность, указанную на рис. 4.6, а. В момент t₂ сигнал управления подается на управляющие электроды V2 и V3. При их отпирании коммутирующий конденсатор С оказывается подключенным параллельно к обоим ранее проводившим ток тиристорам VI и V4. Полярность напряжения на конденсаторе такова, что напряжение на вентилях при этом оказывается обратным, ток через VI и V4 прекращается и тиристоры восстанавливают свои запирающие свойства. При t>t₃ напряжение между анодом и катодом вентилей u_а из-за перезаряда конденсатора снова становится положительным.

5. Составные многофазные схемы выпрямления

При построении трехфазного мостового выпрямителя на шести вентилях в нагрузке можно получить наибольший ток Id=3I_a, выпрямленное напряжение U_d=0,96U_O6p. При использовании наиболее мощных вентилей, выпускаемых промышленностью, можно получить в нагрузке мощность порядка мегаватта. Однако в электротехнике и энергетике требуются выпрямители и зависимые инверторы, мощность которых на несколько порядков выше названной величины, достаточно вспомнить вентильные преобразователи для линий передач постоянного тока. В преобразователях, рассчитанных на большие токи Id (на практике— единицы килоампер и выше), применяют параллельное соединение вентилей, а в преобразователях на большие напряжения U_d (единицы киловольт и выше) — последовательное соединение вентилей.

При параллельном соединении вентилей к ним прикладывается одинаковое прямое напряжение. Сопротивления вентилей при прохождении прямого тока имеют значительный разброс, поэтому прямой ток в параллельных ветвях может распределяться неравномерно, что приведет к перегрузке по току и выходу из строя тиристора, имеющего наименьшее сопротивление. Для выравнивания токов в статических и динамических режимах используют индуктивные делители тока, показанные на рис. 5.1, а.

При последовательном соединении тиристоров через все тиристоры протекает один и тот же обратный ток. Сопротивления вентилей в обратном направлении также имеют разброс, поэтому обратное напряжение распределится на них неравномерно. Вентиль, имеющий наибольшее сопротивление, примет на себя большую часть напряжения и может быть пробит. Для выравнивания напряжений в статических и динамических режимах используют делители напряжений. Один из вариантов показан на рис. 5.1, б.

Рис. 5.1. Схемы параллельного (а) и последовательного (б) включения мощных полупроводниковых вентилей

Делители тока и напряжения снижают КПД преобразователя за счет потерь в активных элементах. Они не обеспечивают полного выравнивания напряжений и токов, поэтому параметры тиристоров в преобразователе выбираются с большим запасом, что приводит к увеличению числа используемых тиристоров и повышению стоимости преобразователя.

В области больших мощностей широко применяют параллельное и последовательное подключение к нагрузке нескольких однотипных вентильных комплектов, что позволяет не только получить требуемые напряжение и ток (Uн,Iн) нагрузки, но и добиться ряда преимуществ.

Рассмотрим основные варианты составных преобразователей. Ограничим рассмотрение работой преобразователей при α=0 (или работой неуправляемых выпрямителей).

На рис. 5.2, а показан двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором, который состоит из двух

Рис. 5.2. Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором (а) и временные, диаграммы токов и напряжений в выпрямителе (б)

трехфазных нулевых выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

Подключение вторичных обмоток трансформатора по схеме двойной звезды обеспечивает фазовый сдвиг напряжений е₂₍₁₎ первого нулевого выпрямителя (VI, V2, V3) относительно напряжения е₍₂₎₂ второго нулевого выпрямителя (V4, V5, V6) на 60°. При работе первого нулевого выпрямителя формируется выходное напряжение u_d1 и ток i_d1, форма которых показана на верхней диаграмме на рис. 5.2,6. На второй сверху диаграмме показана форма напряжения u_d2 и тока i_d2 второго нулевого выпрямителя При построении токов полагали, что ω_п L _н >>R _н Токи обо их выпрямителей равны: idi = id2, через нагрузку протекает суммарный ток I_d=I_d)+Id₂==6I_а

Форма напряжений u_d1 и и_d2 и их среднее значение E_d, также одинаковы, однако эти напряжения сдвинуты относительно друг друга на 60 ° и их мгновенные значения различны. Разницу мгновенных значений u_рр = u_d1 - и_d2 принимает на себя реактор L_y, напряжение на котором и_рр показано на рис. 5.2,6. Мгновенное значение напряжения на нагрузке

u_н =(u_{d1 +} и_d2 )/ 2

а его средняя величина Uн =Е_d1=E_d2=1,17Е₂

Форма u_н приведена на рис. 5.2,6. Частота пульсации этого напряжения равна ω_п=6ω _Сети- Коэффициент пульсации q, получаемый при постановке в (5.3) т=6, равен 0,06, т. е. качество выходного напряжения такое же, как и в мостовом трехфазном выпрямителе.

В первичной обмотке трансформатора происходит сложение токов, индуцированных из вторичных обмоток, в результате ток i₁ (рис. 5.2, б) симметричен относительно оси θ, постоянного подмагничивания трансформатора в схеме нет.

Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором во многом напоминает мостовой трехфазный выпрямитель, только в нем нулевые вентильные комплекты подключаются к нагрузке не последовательно, а параллельно. Поэтому такой выпрямитель находит широкое применение при работе на нагрузку, потребляющую большие токи при сравнительно невысоких напряжениях. Наиболее энергоемкие нагрузки этого типа встречаются в электротехнологии.

Составные 12-пульсные (m=12) выпрямители можно создать при параллельном или последовательном соединении двух мостовых трехфазных выпрямителей (рис. 5.3, а, б). В выпрямителе по рис. 5.3, а,б вентильные комплекты подключены к нагрузке последовательно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений двух мостов: U_н = U_d1+U_d2. Выходной ток первого моста протекает через нагрузку, а затем замыкается через второй выпрямительный

мост, поэтому мгновенные значения токов i_H=i_d1= i_d2, также и средние значения токов связаны соотношением I_H = I_d1=I_d2 = 3I _a.

В выпрямителях рис. 5.3 применяют схемы подключения комплектов через трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена в треугольник, а другая в звезду. Равенство средних значений выходных

Рис. 5.3. Двенадцатипульсные составные выпрямители с последовательным (а) и параллельным (б) включением мостов

напряжений U_d1 = U_d2 обеспечивается выбором числа витков вторичных обмоток, соединенных в звезду и треугольник по соотношению W_2∆|W_{2 ^}= √3.

Система вторичных напряжений а, b, с сдвинута относительно системы вторичных напряжений (а', b',c`) на угол 30°. Поэтому и выходные напряжения вентильных комплектов и_d1 и u_d2 сдвинуты на 30 °, временные диаграммы этих напряжений приведены на рис. 5.4. При суммировании этих напряжений на нагрузке в схеме рис.5.3, а получаем напряжение u_н, показанное на рис. 5.3 и имеющее пульсации с частотой ω_п=12ω сети. Коэффициент пульсации в соответствии с (5.3) при m=12 равен q=0.014, следовательно, качество выходного напряжения лучше, чем у мостовой схемы. Обратное напряжение на вентилях равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, при учете, что U_обр=Е_2лm=1,05 Е_d. U_обр= l,05U_d1,₂==0,525U_н. Схема рис. 5.3,а широко применяется в выпрямителях с высокими значениями выходного напряжения.

При больших значениях выходного тока применяется схема рис. 5.3,6, в которой вентильные мосты подключены к нагрузке параллельно. Через нагрузку протекает сумма токов двух мостов: i _н=i_d1+i_d2- Та же зависимость связывает и средние значения токов: I_H=I_d1 +I_d2=6I_a.

За счет фазового сдвига на 30° мгновенные значения напряжений и_d1 и u_d2 не равны (см. рис. 5.4), разница между ними u_yP=u_d1— u_d2 приложена к реактору L_у. Мгновенное значение напряжения на нагрузке показано на рис. 5.4: и_н =(u_d1 + u_d2)/2.