Московский государственный университет печати

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.


         

Промышленная электроника

Учебник для вузов


Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.
Промышленная электроника
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Введение

1.

Полупроводниковые и микроэлектронные приборы

1.1.

Электропроводность полупроводников

1.2.

Процессы в электронно-дырочном переходе

1.3.

Полупроводниковые диоды

1.4.

Биполярные транзисторы

1.5.

Характеристики и параметры биполярных транзисторов

1.6.

Полевые транзисторы

1.6.1.

Полевые транзисторы с р-n переходом

1.6.2.

Полевые транзисторы МДП-типа

1.7.

Тиристоры

1.8.

Параметры и разновидности тиристоров

1.9.

Интегральные микросхемы

1.10.

Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

1.11.

Контрольные вопросы и задачи

2.

Транзисторные усилители

2.1.

Передаточная характеристика усилительного каскада

2.2.

Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

2.3.

Обратные связи. Стабилизация режима покоя

2.3.1.

Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ

2.4.

Виды связей и дрейф нуля в усилителях постоянного тока

2.5.

Дифференциальный каскад

2.6.

Каскад с общим коллектором

2.7.

Каскад с общим истоком

2.8.

Операционный усилитель

2.9.

Неинвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.10.

Инвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.11.

Операционные схемы

2.12.

Компенсация входных токов и напряжения смещения нуля

2.13.

Частотные свойства и самовозбуждение усилителей

2.14.

Избирательные усилители и генераторы синусоидальных колебаний

2.15.

Усилители с емкостной связью

2.16.

Каскады усиления мощности

2.16.1.

Каскад усиления мощности класса А

2.16.2.

Однотактный каскад класса В

2.16.3.

Двухтактный каскад усиления мощности класса В

2.17.

Контрольные вопросы и задачи

3.

Импульсные устройства

3.1.

Преимущества передачи информации в виде импульсов

3.2.

Ключевой режим транзистора

3.3.

Нелинейный режим работы операционного усилителя. Компараторы

3.4.

Преобразование импульсных сигналов с помощью RС-цепей

3.4.1.

Дифференцирующие (или укорачивающие) цепи

3.4.2.

Интегрирующие цепи

3.5.

Мультивибратор на операционном усилителе

3.6.

Одновибратор на операционном усилителе

3.7.

Генераторы линейно изменяющихся напряжении

3.8.

Магнитно-транзисторные генераторы

3.9.

Контрольные вопросы и задачи

4.

Логические и цифровые устройства

5.

Маломощные выпрямители однофазного тока

5.1.

Структура источника питания

5.2.

Однофазные выпрямители с активной нагрузкой

5.3.

Однофазные выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой

5.4.

Фильтры маломощных выпрямителей

5.5.

Особенности работы и расчета выпрямителя с емкостным фильтром

5.6.

Внешние характеристики маломощных выпрямителей

5.7.

Стабилизаторы напряжения

5.8.

Источники питания с многократным преобразованием энергии

5.9.

Контрольные вопросы и задачи

6.

Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности

6.1.

Применение вентильных преобразователей в энергетике и электротехнике

6.2.

Однофазный управляемый выпрямитель

6.3.

Однофазный ведомый сетью инвертор

6.4.

Трехфазный нулевой выпрямитель

6.5.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

6.6.

Составные многофазные схемы выпрямления

6.7.

Реверсивные выпрямители и непосредственные преобразователи частоты

6.8.

Регулируемые преобразователи переменного напряжения

6.9.

Контрольные вопросы и задачи

7.

Влияние вентильных преобразователей на питающую сеть

7.1.

Коэффициент мощности вентильных преобразователей

7.2.

Вентильные преобразователи с повышенным коэффициентом мощности

7.3.

Источники реактивной мощности

7.4.

Контрольные вопросы и задачи

8.

Системы управления вентильными преобразователями

8.1.

Функции и структура систем управления

8.2.

Фазосмещающие устройства (ФСУ)

8.3.

Многоканальные системы управления

8.4.

Одноканальные системы управления

8.5.

Контрольные вопросы и задачи

9.

Автономные вентильные преобразователи

9.1.

Способы регулирования постоянного напряжения

9.2.

Узлы коммутации однооперационных тиристоров

9.3.

Инверторы напряжения

9.4.

Инверторы тока

9.5.

Резонансные инверторы

9.6.

Контрольные вопросы и задачи

10.

Список литературы

Указатели
12   предметный указатель
148   указатель иллюстраций
Рис. 6.1. Однофазный нулевой управляемый выпрямитель (а) и току и напряжения в цепи постоянного тока при работе в качестве потребителя энергии (б) и источника (в) Рис. 6.2. Временные диаграммы токов и напряжений в однофазном нулевом управляемом выпрямителе при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б, в) нагрузки: б - режим прерывистого тока; в - режим непрерывного тока Рис. 6.3. Форма выходного напряжения однофазного выпрямителя с активной нагрузкой при различных углах управления Рис. 6.4. Регулировочные характеристики однофазного выпрямителя (а) и внешние характеристики выпрямителя средней и большой мощности (б) Рис. 6.5. Токи и напряжения в однофазном выпрямителе при учете коммутационных процессов (а) и схема приложения напряжения к нагрузке на интервале коммутации (б) Рис. 6.6. Однофазный ведомый сетью инвертор Рис. 6.7. Временные диаграммы токов и напряжений в однофазном ведомом сетью инверторе при Ха = 0 (а) и Ха не равно 0 (б) Рис 6.8. Регулировочная характеристика выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме непрерывного тока (а), регулировочная (б), входная и ограничительная (в) характеристики ведомого сетью инвертора Рис. 6.9. Трехфазный нулевой выпрямитель (а) и временные диаграммы токов и напряжений при альфа = 0 (б) Рис. 6.10. Временные диаграммы напряжения ud в трехфазном нулевом управляемом выпрямителе и зависимом инверторе (режим непрерывного тока) Рис. 6.11. Трехфазный мостовой выпрямитель (а) и временные диаграммы токов и напряжений при альфа = 0 (б) Рис. 6.12. Временные диаграммы напряжения ud в трехфазном мостовом управляемом выпрямителе и зависимом инверторе Рис. 6.13. Токи и напряжения в трехфазном мостовом выпрямителе при учете коммутационных процессов Рис. 6.14. Схемы параллельного (а) и последовательного (б) включения мощных полупроводниковых вентилей Рис. 6.15. Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором (а) и временные диаграммы токов и напряжений в выпрямителе (б) Рис. 6.16. Двенадцатипульсные составные выпрямители с последовательным (а) и параллельным (б) включением мостов Рис. 6.17. Временные диаграммы напряжений и токов в двенадцатипульсных выпрямителях Рис. 6.18. Реверсивный преобразователь (а) и диаграммы токов и напряжения в нагрузке и углов управления комплектов при реверсе (б) Рис. 6.19. Временные диаграммы токов, напряжений и углов управления в непосредственном преобразователе частоты с раздельным управлением (fвых = 16,67 Гц) Рис. 6.20. Регулируемый преобразователь переменного напряжения: а - схема; б - временные диаграммы при широтно-импульсном и в-д - при фазовом регулировании Рис. 6.21. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения

Проблемы энергетической электроники (преобразовательной техники) тесно связаны с проблемами электротехники конца XX в. Энергетическая электроника давно уже стала предметом совместных исследований и разработок специалистов в области промышленной электроники, электротехники, электромеханики и электроэнергетики. Достижения преобразовательной техники во многом определяют прогресс в названных областях техники. Однако внедрение силовых вентильных преобразователей в различные отрасли, в том числе в энергетику и, электротехнику, порождает ряд сложных проблем и в области электроэнергетики и электротехники, и в области электронной схемотехники.

Перечислим основные области применения силовых вентильных преобразователей.

Вентильные преобразователи широко применяются для преобразования электрической энергии, вырабатываемой и передаваемой в виде переменного напряжения стандартной частоты <?xml version="1.0"?>
= 50 Гц в электрическую энергию другого вида - в постоянный ток или переменный ток с нестандартной (f <<?xml version="1.0"?>
или f ><?xml version="1.0"?>
) или изменяемой частотой. Почти половина энергии в нашей стране потребляется в преобразованном виде, прежде всего в виде постоянного тока. Электропривод постоянного тока, в том числе тяговый электропривод, мощные электротермические и электротехнологические установки - это наиболее энергоемкие потребители постоянного тока. Для их питания ток промышленной частоты преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей.

Растет группа потребителей электроэнергии, которые нуждаются в переменном токе повышенной или пониженной частоты, а нередко требуют использования регулируемой частоты (установки часточно-регулируемого электропривода переменного тока, индукционные установки, многие электротермические и электротехнологические потребители). Для питания таких потребителей применяют различные тиристорные преобразователи частоты. Преобразователи частоты делятся на непосредственные, в которых происходит однократное преобразование электрической энергии (как правило, на выходе формируется напряжение пониженной частоты f < 50 Гц), и преобразователи со звеном постоянного тока, которые состоят из выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, и автономного инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный ток повышенной, пониженной или изменяющейся частоты.

Таким образом, значительное число потребителей электроэнергии большой мощности подключается к промышленной сети через вентильные преобразователи различных типов. Вентильные преобразователи являются в настоящее время одним из самых распространенных потребителей электрической энергии в сетях, причем их суммарная мощность соизмерима с мощностью сети. Вентильные преобразователи являются нелинейной нагрузкой сети, и их работа сильно влияет на режимы сети и качество электрической энергии.

Обратимся к электроэнергетике. Важной областью применения вентильных преобразователей являются линии электропередачи в электрических сетях и системах. В первую очередь речь идет о линиях передач постоянного тока, которые экономически эффективны для передачи энергии на большие расстояния. Такая линия передач на входе содержит мощный тиристорный выпрямитель, преобразующий энергию тока частоты 50 Гц в постоянный ток. На выходе линии устанавливается мощный тиристорный инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный. Обычно линии передач постоянного тока отдают энергию в системы, которые содержат другие мощные источники переменного тока. Инвертор, работающий на сеть, в которой имеются мощные источники переменного тока, называется ведомым сетью (или зависимым) инвертором. Для повышения качества регулирования параметров электрической энергии и запаса устойчивости энергосистем в последние годы стали использовать так называемые вставки постоянного тока. Так же, как и описанная выше система передачи энергии постоянным током, такие устройства содержат выпрямитель и ведомый сетью инвертор, однако эти агрегаты располагаются рядом и линия постоянного тока между ними имеет очень небольшую длину.

Второй областью применения вентильных преобразователей в электроэнергетике являются тиристорные источники реактивной мощности, позволяющие вырабатывать и регулировать реактивную мощность для компенсации ее дефицита в энергосистеме.

Третьей областью применения вентильных преобразователей в электроэнергетике является использование преобразователей для обеспечения работы основного оборудования электростанций, в частности для возбуждения синхронных гидро- или турбогенераторов и компенсаторов (схемы тиристорного возбуждения), для частотного пуска мощных генераторов (например, гидрогенераторов).

И, наконец, в последние годы интенсивно разрабатываются новые способы получения электрической энергии. И здесь находят широкое применение вентильные преобразователи. Так МГД-электростанция нуждается в инверторах для преобразования постоянного тока, вырабатываемого МГД-генератором, в ток промышленной частоты. В работах по управляемому термоядерному синтезу, которые широко ведутся в настоящее время, также используются вентильные преобразователи. Преобразователи нужны и для таких нетрадиционных источников электроэнергии, как солнечные батареи, термохимические генераторы, генераторы, использующие энергию ветра, и т.п.

Здесь перечислены только основные области применения вентильных преобразователей в электроэнергетике и электротехнике, но и по этому перечню можно заключить, что специалист в этих областях постоянно сталкивается с вентильными преобразованиями, причем их работа существенно влияет на функционирование энергетического оборудования.

Выпрямители в мощных энергетических установках имеют ряд характерных особенностей:

  1. Нагрузка имеет активно-индуктивный характер: такой тип нагрузка характерен для многих потребителей средней и большой мощности, при больших токах сопротивление индуктивности короткой сети, связывающей преобразователь с нагрузкой, становится соизмеримым с сопротивлением нагрузки.
  2. Необходимо при анализе принимать во внимание индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.
  3. Выпрямители большой мощности, как правило, выполняются трехфазными, поскольку технические параметры трехфазных выпрямителей выше (см. § 6.4-6.5) и они обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети.
  4. Весьма часто необходимо регулировать или стабилизировать напряжение на выходе выпрямителей или передаваемую в нагрузку мощность, что требует применения управляемых выпрямителей.

Рассмотрение выпрямителей с учетом всех этих особенностей представляет сложности, поэтому сначала обратимся к рассмотрению однофазных выпрямителей, на примере которых выявим характерные черты выпрямителей средней и большой мощности, а затем распространим результаты анализа на трехфазные схемы.

Для изменения напряжения на выходе выпрямителей используют управляемые выпрямителиВыпрямитель управляемый, построенные на управляемых вентилях, наиболее часто на однооперационных тиристорах. Запирание тиристоров в таких выпрямителях происходит за счет изменения полярности напряжения в сети переменного тока. В этом случае процесс переключения вентилей называется естественной коммутацией. На рис. 6.1, а Рис. 6.1. Однофазный нулевой управляемый выпрямитель (а) и току и напряжения в цепи постоянного тока при работе в качестве потребителя энергии (б) и источника (в) приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема). От рассмотренного ранее неуправляемого выпрямителя (см. рис. 5.2, а) данный выпрямитель отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами). Рассмотрим работу схемы при разном характере нагрузки, полагая трансформатор и вентили идеальными.

6.2.1. Работа на активную нагрузку (<?xml version="1.0"?>
= 0). При указанной на рис. 6.1, а полярности напряжения сети может пропускать ток тиристор V1 при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления <?xml version="1.0"?>
. Сигнал управления подается на управляющий электрод тиристора со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол <?xml version="1.0"?>
, называемый углом управления (рис. 6.2, а Рис. 6.2. Временные диаграммы токов и напряжений в однофазном нулевом управляемом выпрямителе при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б, в) нагрузки: б - режим прерывистого тока; в - режим непрерывного тока). Моментом естественного отпирания называем момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (на рис. 6.2 это момент <?xml version="1.0"?>
= 0 для тиристора V1).

До включения тиристора V1 (т.е. при <?xml version="1.0"?>
) напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
= 0. При включении тиристора в момент <?xml version="1.0"?>
напряжение <?xml version="1.0"?>
возрастает скачком до значения <?xml version="1.0"?>
поскольку на открытом тиристоре <?xml version="1.0"?>
Ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и нагрузку: <?xml version="1.0"?>
При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения (рис. 6.2, а). При протекании тока через нагрузку в нагрузке рассеивается активная мощность.

При <?xml version="1.0"?>
ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор V1 запирается. До отпирания тиристора V2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку на интервале <?xml version="1.0"?>
не передается. В момент <?xml version="1.0"?>
подается управляющий импульс на тиристор V2, тиристор открывается, на этом интервале <?xml version="1.0"?>
т.е. к нагрузке приложено напряжение нижней полуобмотки трансформатора. Ток протекает через нижнюю полуобмотку, тиристор V2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент <?xml version="1.0"?>
происходит запирание тиристора V2.

Завершая рассмотрение временных диаграмм рис. 6.2, а, отметим, что ток первичной обмотки трансформатора <?xml version="1.0"?>
на каждой половине периода повторяет форму вторичного тока проводящей полуобмотки. Напряжение на закрытом вентиле <?xml version="1.0"?>
где потенциалы анода и катода <?xml version="1.0"?>
определяются относительно вывода средней точки трансформатора; очевидно, что <?xml version="1.0"?>
равно ЭДС на соответствующей полуобмотке трансформатора, т.е. <?xml version="1.0"?>
. Таким образом, во время бестоковой паузы <?xml version="1.0"?>
На интервале работы одного из вентилей на открытом вентиле <?xml version="1.0"?>
на закрытом тиристоре <?xml version="1.0"?>

Найдем среднее значение ЭДС выпрямителя, равное при холостом ходе среднему значению выходного напряжения:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- среднее значение ЭДС па выходе неуправляемого выпрямителя [сравните с (5.1)]. Уменьшение <?xml version="1.0"?>
при увеличении угла управления иллюстрируется временными диаграммами рис. 6.3 Рис. 6.3. Форма выходного напряжения однофазного выпрямителя с активной нагрузкой при различных углах управления. С увеличением <?xml version="1.0"?>
растет интервал бестоковой паузы, на котором мощность от сети в нагрузку не передается. Зависимость <?xml version="1.0"?>
называется регулировочной характеристикой, для активной нагрузки она представлена на рис. 6.4, а Рис. 6.4. Регулировочные характеристики однофазного выпрямителя (а) и внешние характеристики выпрямителя средней и большой мощности (б).

6.2.2. Режим прерывистого тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Индуктивность <?xml version="1.0"?>
препятствует нарастанию тока <?xml version="1.0"?>
(временные диаграммы рис. 6.2, б). После включения тиристора V1 в момент <?xml version="1.0"?>
мощность передается из сети в нагрузку, направления напряжения и тока в нагрузке совпадают (рис. 6.1, б). Энергия запасается в индуктивности нагрузки. В момент <?xml version="1.0"?>
напряжение <?xml version="1.0"?>
меняет знак, но индуктивность <?xml version="1.0"?>
стремится задержать спад тока <?xml version="1.0"?>
и V1 продолжает проводить ток.

Теперь направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (рис. 6.1, б), - это означает, что нагрузка является источником энергии, т.е. возвращает энергию, накопленную в индуктивности, в питающую сеть. Часть этой энергии при этом теряется в активном сопротивлении <?xml version="1.0"?>
. В момент <?xml version="1.0"?>
запасенная в индуктивности энергия равна нулю, ток <?xml version="1.0"?>
спадает к нулю и V1 запирается. После бестоковой паузы в момент <?xml version="1.0"?>
подается управляющий импульс на вентиль V2, и процессы повторяются. Такой режим, когда между интервалами проводимости вентилей имеются бестоковые паузы, называется режимом прерывистого тока.

Появление отрицательных площадок в кривой <?xml version="1.0"?>
во время возврата энергии из нагрузки в сеть приводит к тому, что среднее значение выходной ЭДС

<?xml version="1.0"?>

оказывается меньше, чем значение, определяемое из (6.1).

Выходная ЭДС зависит не только от угла управления, но и от характера нагрузки (т.е. от <?xml version="1.0"?>
поскольку длительность этапа возврата энергии, запасенной в индуктивности, зависит от соотношения индуктивности и активного сопротивления нагрузки.

При увеличении индуктивности или уменьшении <?xml version="1.0"?>
длительность бестоковой паузы уменьшается, при достижении <?xml version="1.0"?>
выпрямитель переходит в режим непрерывного тока.

6.2.3. Режим непрерывного тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Этот режим является наиболее характерным для мощных выпрямителей, в которых обычно <?xml version="1.0"?>
При указанном соотношении параметров ток нагрузки непрерывен и хорошо сглажен, его мгновенное значение равно среднему <?xml version="1.0"?>
(рис. 6.2, в). На временных интервалах <?xml version="1.0"?>
направления тока и напряжения в нагрузке совпадают, энергия передается от сети к нагрузке, часть ее запасается в индуктивности. На интервалах <?xml version="1.0"?>
энергия, накопленная в индуктивности, возвращается в питающую сеть, но в момент включения очередного вентиля энергия, накопленная в индуктивности, еще не равна нулю. В режиме непрерывного тока длительность протекания тока через вентиль <?xml version="1.0"?>
т.е. в любой момент времени нагрузка подключена к одной из полуобмоток трансформатора. Среднее значение ЭДС выпрямителя в режиме непрерывного тока

<?xml version="1.0"?>

Регулировочная характеристика выпрямителя в режиме непрерывного тока приведена на рис. 6.4, а, она представляет собой косинусоиду. При значениях угла управления <?xml version="1.0"?>
энергия, запасенная в индуктивности, оказывается недостаточной для поддержания непрерывного тока нагрузки и выпрямитель переходит в режим прерывистого тока, при этом уменьшается отрицательный участок кривой <?xml version="1.0"?>
(t) и растет <?xml version="1.0"?>
(регулировочные характеристики показаны на рис. 6.4, а). При работе на чисто индуктивную нагрузку <?xml version="1.0"?>
т.е. длительности этапа накопления энергии в индуктивности <?xml version="1.0"?>
и этапа возврата из нагрузки в сеть равны.

Выбор вентилей и расчет трансформатора в управляемых выпрямителях производят по тем же зависимостям, что и в неуправляемых (см. § 5.2), поскольку наибольшие токи и напряжения на элементах схемы отмечаются в режиме <?xml version="1.0"?>
= 0.

6.2.4. Коммутация тока в однофазных выпрямителях. Рассмотрим особенности работы выпрямителя в режиме непрерывного тока с реальными трансформаторами. В трансформаторах средней и большой мощности индуктивные сопротивления обмоток <?xml version="1.0"?>
обусловленные потоками рассеяния, значительно выше их активных сопротивлений. Вынесем индуктивные сопротивления рассеяния вторичной и первичной обмотками трансформатора в анодные цепи вентилей: <?xml version="1.0"?>
- приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки. Индуктивности <?xml version="1.0"?>
показаны пунктиром на рис. 6.1, а.

Выше (в п. 6.2.3) при <?xml version="1.0"?>
= 0 мы полагали, что ток тиристоров имеет прямоугольную форму. Если <?xml version="1.0"?>
то индуктивность <?xml version="1.0"?>
будет препятствовать быстрому нарастанию и спаду тока вентилей: при подаче управляющего импульса на тиристор V2 ток тиристора V1 будет спадать в течение времени, соответствующего углу коммутации<?xml version="1.0"?>
(рис. 6.5, а Рис. 6.5. Токи и напряжения в однофазном выпрямителе при учете коммутационных процессов (а) и схема приложения напряжения к нагрузке на интервале коммутации (б)). В течение того же интервала будет нарастать ток тиристора V2. На интервале коммутации одновременно проводят ток два вентиля, и трансформатор оказывается подключенным к нагрузке, как это показано на схеме замещения рис. 6.5, б.

Из этой схемы следует: <?xml version="1.0"?>
и одновременно <?xml version="1.0"?>
Если ток нагрузки идеально сглажен, то <?xml version="1.0"?>
Тогда получаем, что на интервале коммутации напряжение на нагрузке равно полусумме ЭДС на проводящих ток обмотках. В однофазном выпрямителе (см. рис. 6.5, a)

<?xml version="1.0"?>

Поскольку на интервале коммутации мгновенное значение выходного напряжения уменьшается на величину <?xml version="1.0"?>
, его среднее значение также уменьшается:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
определяется по (6.2), а

<?xml version="1.0"?>

Учтем, что <?xml version="1.0"?>
Перейдем к новым пределам интегрирования, поскольку при <?xml version="1.0"?>
Тогда

<?xml version="1.0"?>

Следовательно, из-за наличия индуктивностей рассеяния трансформатора среднее значение напряжения на нагрузке уменьшается с ростом тока <?xml version="1.0"?>
, поскольку при этом растет длительность коммутационного интервала <?xml version="1.0"?>
. Таким образом, в однофазном выпрямителе

<?xml version="1.0"?>

На рис. 6.4, б приведены внешние характеристики управляемого однофазного выпрямителя, построенные по (6.3). В отличие от маломощных выпрямителей (см. § 5.5) наклон внешних характеристик выпрямителей большой и средней мощности обусловлен коммутационными процессами в режиме непрерывного тока нагрузки. На рис, 6.4, б показано, что при <?xml version="1.0"?>
при увеличении <?xml version="1.0"?>
(и уменьшении <?xml version="1.0"?>
) выпрямитель переходит в режим прерывистого тока и напряжение <?xml version="1.0"?>
увеличивается в соответствии с ходом регулировочных характеристик (рис. 6.4, а).

Недостатком управляемых выпрямителей по сравнению с неуправляемыми является рост пульсации выходного напряжения при увеличении угла управления, которое обнаруживается при сравнении временных диаграмм рис. 5.3 и 6.2, Разложение в ряд Фурье кривой выходного напряжения <?xml version="1.0"?>
позволяет найти 1-ю гармонику пульсации. В режиме непрерывного тока при пренебрежении коммутационными процессами отношение амплитуды 1-й гармоники пульсации к среднему значению <?xml version="1.0"?>
, определяемому по (6.2), дает коэффициент пульсации

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- коэффициент пульсации при <?xml version="1.0"?>
= 0, рассчитываемый по выражению (5.3). Приведенное выражение для расчета q(<?xml version="1.0"?>
) справедливо и для рассматриваемых ниже схем выпрямителей с m > 2.

Однофазный управляемый выпрямитель может быть выполнен по мостовой схеме (см. рис. 5.4, а), при этом все вентили заменяются на управляемые (тиристоры). Основные процессы в нулевых и мостовых однофазных выпрямителях аналогичны.

Инвертор, ведомый сетью (зависимый инвертор), передает энергию из сети постоянного тока в сеть переменного тока, напряжение и частота в которой заданы другими, более мощными источниками переменного тока. Однофазная нулевая схема зависимого инвертора представлена на рис. 6.6 Рис. 6.6. Однофазный ведомый сетью инвертор. Сравнение ее со схемой управляемого выпрямителя рис. 6.1, а показывает полную идентичность их элементов; различие заключается только в том, что вместо нагрузочного резистора <?xml version="1.0"?>
в инверторе включен источник энергии постоянного тока <?xml version="1.0"?>
, полярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя. Поэтому одна и та же вентильная схема может использоваться и в выпрямительном, и в инверторном режиме, и речь идет не столько о различных преобразователях, сколько о выпрямительно-ииверторном преобразователе, способном функционировать в двух названных режимах, отличающихся направлением потока энергии: в выпрямителе энергия из сети переменного тока поступает в цепь постоянного тока <?xml version="1.0"?>
, в инверторе - из сети постоянного тока <?xml version="1.0"?>
в сеть переменного тока. Напряжение <?xml version="1.0"?>
и ток <?xml version="1.0"?>
в инверторе называются входными.

Вернемся к временным диаграммам рис. 6.2, в. На интервале <?xml version="1.0"?>
полярность <?xml version="1.0"?>
(t) и направление <?xml version="1.0"?>
(t) совпадают (схема рис. 6.1, б), следовательно, мощность передается из цепи переменного тока в нагрузку. На интервале 0-<?xml version="1.0"?>
ток течет в прежнем направлении, а напряжение <?xml version="1.0"?>
меняет знак, следовательно, цепь постоянного тока возвращает энергию в сеть переменного тока (рис. 6.1, в). Очевидно, что в инверторном режиме второй интервал, при котором энергия передается в сеть переменного тока, должен быть длиннее первого, т.е. <?xml version="1.0"?>
или

<?xml version="1.0"?>

Выражение (6.4) - это первое условие осуществления инверторного режима. Второе условие - это работа цепи постоянного тона в режиме источника энергии, для этого полярность напряжения <?xml version="1.0"?>
и направление тока <?xml version="1.0"?>
должны быть противоположны.

Подключение источника <?xml version="1.0"?>
минусом к катодам тиристоров приводит к возрастанию длительности протекания тока через тиристоры инвертора <?xml version="1.0"?>
, и при <?xml version="1.0"?>
осуществляется режим непрерывного тока.

На рис. 6.7, а Рис. 6.7. Временные диаграммы токов и напряжений в однофазном ведомом сетью инверторе при Ха = 0 (а) и Ха не равно 0 (б) представлены временные диаграммы при работе зависимого инвертора без учета процессов коммутации (полагаем <?xml version="1.0"?>
Сравнение диаграмм рис.6.7, а и 6.2, в показывает, что в этих диаграммах различны только значения угла управления: <?xml version="1.0"?>
в выпрямителе и <?xml version="1.0"?>
в инверторе.

В момент <?xml version="1.0"?>
подается управляющий импульс на тиристор V1, при открывании тиристора <?xml version="1.0"?>
, ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и цепь постоянного тока <?xml version="1.0"?>
. При этом напряжение <?xml version="1.0"?>
и ток <?xml version="1.0"?>
имеют одно направление и энергия передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. В момент <?xml version="1.0"?>
изменяется полярность <?xml version="1.0"?>
, начинается передача энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. Протекание тока через V1 при отрицательном напряжении на аноде обеспечивается приложением к катоду отрицательного потенциала источника <?xml version="1.0"?>
. В момент <?xml version="1.0"?>
управляющий импульс подается на V2, и процесс повторяется.

На рис. 6.8, а Рис 6.8. Регулировочная характеристика выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме непрерывного тока (а), регулировочная (б), входная и ограничительная (в) характеристики ведомого сетью инвертора показана полная регулировочная характеристика вентильного преобразователя в режиме непрерывного тока. При <?xml version="1.0"?>
и преобразователь является выпрямителем, при <?xml version="1.0"?>
- осуществляется инверторный режим.

При рассмотрении инверторов используются обозначения: <?xml version="1.0"?>
(показан на рис. 6.7, а) - угол опережения и <?xml version="1.0"?>
- противо-ЭДC инвертора. Подставив в уравнение регулировочной характеристики (6.2) <?xml version="1.0"?>
Зависимость <?xml version="1.0"?>
называется регулировочной характеристикой ведомого сетью инвертора (рис. 6.8, б); она представляет собой симметричное отображение части характеристики рис. 6.8, а.

При отсутствии потерь в дросселе <?xml version="1.0"?>
среднее значение напряжения <?xml version="1.0"?>
должно быть равно напряжению источника <?xml version="1.0"?>
. При увеличении <?xml version="1.0"?>
возрастает ток <?xml version="1.0"?>
. Учтем влияние анодных индуктивностей (см. § 6.2.4) на коммутационные процессы. Временные диаграммы представлены на рис. 6.7, б. Индуктивности трансформатора <?xml version="1.0"?>
препятствуют нарастанию и спаду анодных токов, поэтому на протяжении угла коммутации <?xml version="1.0"?>
V1 и V2 открыты одновременно, при этом <?xml version="1.0"?>
(t) = 0. Как и в управляемом выпрямителе, коммутационное падение напряжения <?xml version="1.0"?>
уменьшает положительную часть <?xml version="1.0"?>
, среднее значение <?xml version="1.0"?>
с ростом <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
уменьшается, a <?xml version="1.0"?>
увеличивается.

Среднее значение напряжения <?xml version="1.0"?>
рассчитаем по (6.3), поскольку данное выражение справедливо в режиме непрерывного, тока при любом <?xml version="1.0"?>
. Подставив в (6.3) <?xml version="1.0"?>
получим

<?xml version="1.0"?>

Зависимость <?xml version="1.0"?>
(рис. 6.8, б) называется входной характеристикой инвертора (ток <?xml version="1.0"?>
- входной ток, напряжение <?xml version="1.0"?>
- входное напряжение). Выражение (6.5) позволяет связать напряжение источника <?xml version="1.0"?>
со средним значением <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

При увеличении <?xml version="1.0"?>
при <?xml version="1.0"?>
= const увеличивается <?xml version="1.0"?>
и увеличивается мощность, передаваемая в есть переменного тока. Если при увеличении <?xml version="1.0"?>
необходимо поддерживать <?xml version="1.0"?>
= const, надо увеличить <?xml version="1.0"?>
, т.е. уменьшить <?xml version="1.0"?>
; при этом также возрастает мощность, передаваемая со входа инвертора в сеть переменного тока. Максимальное значение инвертируемой мощности достигается при <?xml version="1.0"?>
Однако этот режим в реальных инверторах на однооперационных тиристорах, как показывается ниже, неосуществим и углы управления ограничены значениями <?xml version="1.0"?>

Рассмотрим кривую анодного напряжения на тиристоре V1 на временных диаграммах рис. 6.7, б. Для осуществления надежного запирания тиристора после того, как через него проходил ток, необходимо, чтобы в течение интервала, длительность которого не менее <?xml version="1.0"?>
, к тиристору было приложено обратное напряжение. Время выключения <?xml version="1.0"?>
является паспортным параметром тиристора (см. § 1.8). По диаграммам рис. 6.7, б видно, что отрицательное анодное напряжение поддерживается на тиристоре на интервале длительностью <?xml version="1.0"?>
Следовательно, надежное запирание тиристоров выполняется при условии <?xml version="1.0"?>
ограничивающем угол <?xml version="1.0"?>
При невыполнении этого условия тиристор при появлении на аноде положительного напряжения вновь включится в работу без управляющего сигнала. Одновременная проводимость двух тиристоров инвертора приведет к короткому замыканию трансформатора и источника постоянного тока, дальнейшая коммутация тиристоров окажется невозможной и возникнет аварийный режим, называемый опрокидыванием инвертора.

Как видно из рассмотренного описания работы инвертора, коммутация вентилей, т.е. выключение одного из них при отпирании другого и переход на него тока <?xml version="1.0"?>
, осуществляется, как и в выпрямителе, за счет переменного напряжения сети. Если это напряжение почему-либо исчезнет, например при коротком замыкании в сети, коммутация окажется невозможной и произойдет опрокидывание инвертора. Эта зависимость работы инвертора от напряжения сети отражена в его названии: инвертор, ведомый сетью, или зависимый инвертор.

В режиме <?xml version="1.0"?>
= 0 угол коммутации <?xml version="1.0"?>
максимальное значение <?xml version="1.0"?>
, при котором возможна коммутация, <?xml version="1.0"?>
При увеличении тока <?xml version="1.0"?>
растет угол коммутации <?xml version="1.0"?>
, увеличивается <?xml version="1.0"?>
и уменьшается <?xml version="1.0"?>
Зависимость <?xml version="1.0"?>
называется ограничительной характеристикой ведомого инвертора, она показана на семействе входных характеристик рис. 6.8, в. Устойчивая работа инвертора без опасности опрокидывания возможна только при выборе таких значений тока <?xml version="1.0"?>
и угла <?xml version="1.0"?>
, которые соответствуют значениям <?xml version="1.0"?>
, лежащим ниже ограничительной характеристики ОХ: <?xml version="1.0"?>

Ведомые сетью инверторы широко используются в преобразовательной технике. Наряду с инверторами, которые работают постоянно (например, на приемном конце линии передачи постоянного тока), существуют преобразователи, которые попеременно работают в выпрямительном и инверторном режиме. Например, перевод преобразователя для электропривода с двигателем постоянного тока в инверторный режим позволяет осуществить ускоренное торможение этого двигателя.

Применение многофазных выпрямителей позволяет:

  1. создать равномерную нагрузку на все три фазы сети;
  2. уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения;
  3. уменьшить расчетную мощность трансформатора;
  4. повысить коэффициент мощности (см. гл. 7).

На рис. 6.9, а Рис. 6.9. Трехфазный нулевой выпрямитель (а) и временные диаграммы токов и напряжений при альфа = 0 (б) приведена трехфазная нулевая схема выпрямленияВыпрямитель трехфазный нулевой. При ее выполнении на тиристорах получается управляемый выпрямитель, при замене тиристоров на диоды - неуправляемый. Нагрузка включается между нулем звезды, образованной вторичными обмотками трансформатора и катодами вентилей. Будем рассматривать наиболее характерный для мощных преобразователей режим работы на активно-индуктивную нагрузку, при этом предположим, что индуктивность <?xml version="1.0"?>
велика <?xml version="1.0"?>

На рис. 6.9, б приведена трехфазная система вторичных напряжений <?xml version="1.0"?>
Кривые вторичных напряжений определяют изменение потенциалов анодов вентилей, подключенных к этим фазам, относительно нулевой точки звезды <?xml version="1.0"?>
. На временных диаграммах представлен режим работы выпрямителя при <?xml version="1.0"?>
= 0 (или работа неуправляемого выпрямителя). Трансформатор и тиристор полагаем идеальными.

Моменты <?xml version="1.0"?>
соответствующие точкам пересечения двух синусоид вторичных напряжений, являются моментами естественного отпирания. Пусть в момент <?xml version="1.0"?>
подан положительный управляющий импульс на тиристор V1, при его отпирании пойдет ток <?xml version="1.0"?>
и на нагрузке установится напряжение <?xml version="1.0"?>
Если выпрямитель выполнен на диодах, диод V1, подключенный к фазе <?xml version="1.0"?>
, откроется в момент <?xml version="1.0"?>
автоматически, так как а этот момент потенциал его анода станет выше, чем потенциалы анодов V2 и V3. Потенциал катода проводящего тиристора V1 (и всех других вентилей) относительно нулевой точки звезды <?xml version="1.0"?>
Следовательно, к катодам всех тиристоров приложено наиболее положительное напряжение <?xml version="1.0"?>
и тиристоры V2 и V3 на интервале <?xml version="1.0"?>
заперты.

В момент <?xml version="1.0"?>
наиболее положительным становится вторичное напряжение <?xml version="1.0"?>
и отпирается диод V2 или, если V2-тиристор, то на него в момент <?xml version="1.0"?>
подается управляющий импульс. При отпирании V2 <?xml version="1.0"?>
этим потенциалом на катоде надежно запираются V1 и V3. В момент <?xml version="1.0"?>
появляется возможность отпереть V3 и на нагрузке устанавливается <?xml version="1.0"?>
Таким образом, в каждый момент проводит тиристор, потенциал анода которого наиболее положителен, в точках естественного отпирания происходит переход тока с одного вентиля на другой. Напряжение <?xml version="1.0"?>
представляет собой кривую, образованную из отрезков синусоид фазных напряжений, имеющих на данном интервале наиболее положительный потенциал. Кривая <?xml version="1.0"?>
пульсирует с периодом в 3 раза меньшим, чем период частоты сети, частота пульсации <?xml version="1.0"?>
Коэффициент пульсации напряжения q может быть найден по формуле (5.3) при подстановке m = 3; получаем q = 0,25. Пульсация выходного напряжения в трехфазных выпрямителях меньше, чем в однофазных, а частота пульсации выше, что позволяет сгладить пульсацию фильтром с меньшей мощностью реактивных элементов.

Определим полезный эффект выпрямления - среднее значение выходной ЭДС <?xml version="1.0"?>
за период пульсации. В показанной на рис. 6.9 системе координат период пульсации заключен в пределах <?xml version="1.0"?>
Амплитуда <?xml version="1.0"?>
тогда

<?xml version="1.0"?>

При большой индуктивности в цепи нагрузки ток нагрузки хорошо сглажен <?xml version="1.0"?>
а токи вентилей и вторичных обмоток <?xml version="1.0"?>
имеют вид прямоугольных импульсов с амплитудой <?xml version="1.0"?>
и длительностью <?xml version="1.0"?>
Для выбора тиристора по току находим среднее значение тока за период:

<?xml version="1.0"?>

Для выбора тиристора по напряжению найдем обратное напряжение. На неработающем тиристоре (например, на V2 при открытом V1) потенциал анода <?xml version="1.0"?>
потенциал катода <?xml version="1.0"?>
напряжение на вентиле <?xml version="1.0"?>
Таким образом, к неработающему вентилю приложено линейное напряжение и его максимальное значение равно [с учетом (6.6)]

<?xml version="1.0"?>

Ток вторичной обмотки трансформатора <?xml version="1.0"?>
имеет постоянную составляющую, определяемую (6.7). Постоянная составляющая не трансформируется в первичную обмотку, поэтому ток первичной обмотки <?xml version="1.0"?>
(рис. 6.9, б) определяется

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- коэффициент трансформации.

Наличие постоянной составляющей во вторичных токах трансформатора приводит к подмагничиванию его магнитопровода, из-за чего увеличивается намагничивающий ток. Это препятствует применению трехфазных нулевых выпрямителей в мощных установках, однако они находят широкое применение как составная часть более сложных выпрямителей (см. § 6.5, 6.6).

Как уже отмечалось, рассмотренный режим работы, иллюстрируемый диаграммами на рис. 6.9, б, в случае выпрямителя на тиристорах соответствует нулевому значению угла управления <?xml version="1.0"?>
= 0.

При подаче управляющих импульсов на тиристоры схемы рис. 6.9, а с задержкой относительно моментов естественного отпирания на угол <?xml version="1.0"?>
появляется возможность регулировать среднее значение выходного напряжения <?xml version="1.0"?>
. Как и раньше, при работе V1 <?xml version="1.0"?>
при включении V2 <?xml version="1.0"?>
при работе V3 <?xml version="1.0"?>
В режиме непрерывного тока нагрузки <?xml version="1.0"?>
= 120° и напряжение на нагрузке в каждый момент времени соответствует ЭДС одной из фаз трансформатора <?xml version="1.0"?>
(временные диаграммы <?xml version="1.0"?>
при различных углах управления приведены на рис. 6.10 Рис. 6.10. Временные диаграммы напряжения ud в трехфазном нулевом управляемом выпрямителе и зависимом инверторе (режим непрерывного тока))Выпрямитель управляемый.

Среднее значение выходного напряжения при <?xml version="1.0"?>
в режиме непрерывного тока

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- выпрямленное напряжение при <?xml version="1.0"?>
= 0.

Последнее выражение идентично (6.2): в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя имеет косинусоидальный характер независимо от числа фаз выпрямителя.

Рассмотрение диаграмм рис. 6.9 позволяет заключить:

1) отрицательные участки в кривой <?xml version="1.0"?>
появляются при <?xml version="1.0"?>
, поэтому при <?xml version="1.0"?>
< 30° режим прерывистого тока невозможен при любой (в том числе активной) нагрузке;

2) при <?xml version="1.0"?>
> 90°, как и в однофазном выпрямителе, возможен инверторный режим, если в цепь постоянного тока будет введен источник энергии, полярность которого противоположна полярности напряжения <?xml version="1.0"?>
рассмотренного выше выпрямителя.

Трехфазная мостовая схема выпрямленияВыпямитель трехфазный мостовой является наиболее распространенной в области средних и больших мощностей. На рис. 6.11, а Рис. 6.11. Трехфазный мостовой выпрямитель (а) и временные диаграммы токов и напряжений при альфа = 0 (б) представлена схема мостового управляемого выпрямителя на тиристорах. При замене тиристоров на диоды получим схему трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя. Вентили схемы образуют две группы: V1, V3, V5 - катодную (у них объединены катоды), и V2, V4, V6 - анодную. Приняв потенциал общей точки звезды вторичной обмотки трансформатора за нуль, можно считать, что напряжение на нагрузке есть сумма выходных напряжений двух трехфазных нулевых схем выпрямления (§ 6.4), собранных на вентилях катодной и анодной групп. Напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
- потенциал катодов вентилей катодной группы, а <?xml version="1.0"?>
- потенциал анодов вентилей анодной группы.

6.5.1. Работа выпрямителя при <?xml version="1.0"?>
= 0 (или работа неуправляемого выпрямителя). На рис. 6.11, б представлены временные диаграммы токов и напряжений в этом режиме. Как и в трехфазном нулевом выпрямителе, в каждый момент времени ток проводит один тиристор катодной группы, у которого напряжение на аноде наиболее положительно, и один анодной группы, у которого напряжение на катоде наиболее отрицательно. Моментами естественного отпирания тиристоров катодной группы являются точки пересечения синусоид <?xml version="1.0"?>
при положительных напряжениях, для тиристоров анодной группы - точки пересечения тех же синусоид при отрицательных напряжениях. От моментов естественного отпирания отсчитывают углы управления <?xml version="1.0"?>
. В момент <?xml version="1.0"?>
, например, проводят ток V1 и V2, а ток замыкается по контуру обмотка <?xml version="1.0"?>
- V1 - нагрузка - V2 - обмотка <?xml version="1.0"?>
.

Через два проводящих тиристора нагрузка подключается на линейное напряжение, например, при работе V1 и V2 - на напряжение <?xml version="1.0"?>
. После прекращения работы V1 и отпирания V3 к нагрузке приложено линейное напряжение <?xml version="1.0"?>
и т.д. Таким образом, выходное напряжение имеет амплитуду, равную амплитуде линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора: <?xml version="1.0"?>
- действующее значение фазного напряжения. На рис. 6.11, б построена кривая выходного напряжения <?xml version="1.0"?>
представляющие собой верхнюю и нижнюю огибающие синусоид <?xml version="1.0"?>
, выделены. Период повторения напряжения <?xml version="1.0"?>
при выбранном на рисунке начале координат заключен между <?xml version="1.0"?>
а среднее значение выходной ЭДС выпрямителя

<?xml version="1.0"?>

По сравнению с (6.6) <?xml version="1.0"?>
возросло вдвое, что и следовало ожидать, учитывая что на нагрузке в мостовой схеме суммируются напряжения двух нулевых выпрямителей.

Частоты пульсации <?xml version="1.0"?>
а коэффициент пульсации найдем по (5.3), подставив число пульсации за период сети m = 6, получим q = 0,06. Снижение пульсации выходного напряжения и повышение частоты пульсации означают улучшение качества выходного напряжения мостового трехфазного выпрямителя по сравнению с нулевым.

На той же временной диаграмме показан ток <?xml version="1.0"?>
(t). В типичном для мощных преобразователей режиме <?xml version="1.0"?>
ток нагрузки постоянен: <?xml version="1.0"?>
на диаграмме указаны номера тиристоров, через которые проходит ток нагрузки. Амплитуда анодного тока <?xml version="1.0"?>
а длительность его протекания <?xml version="1.0"?>
Как и в нулевой схеме, <?xml version="1.0"?>
[сравните с (.6.7)].

Для выбора тиристоров помимо <?xml version="1.0"?>
необходимо знать <?xml version="1.0"?>
. Напряжение на неработающем тиристоре катодной (анодной) группы определяется <?xml version="1.0"?>
где потенциал анода (катода) относительно общей точки звезды определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора, связанной с данным тиристором, а потенциал катода (анода) всех тиристоров данной группы равен потенциалу <?xml version="1.0"?>
т.е. наиболее положительному (наиболее отрицательному) из <?xml version="1.0"?>
. Таким образом, <?xml version="1.0"?>
неработающего тиристора определяется линейным напряжением. На рис. 6.11, б заштриховано напряжение <?xml version="1.0"?>
. Амплитуда обратного напряжения на тиристоре равна амплитуде линейного напряжения, тогда с учетом (6.9)

<?xml version="1.0"?>

Сравнивая (6.10) с (6.8), видим, что при том же <?xml version="1.0"?>
в мостовом выпрямителе <?xml version="1.0"?>
вдвое меньше, но и тиристоров в 2 раза больше, чем в нулевом.

Ток вторичной обмотки фазы А складывается из тока тиристоров V1 и V4 и имеет форму, показанную на рис. 6.11, б. Ток не имеет постоянной составляющей, поэтому подмагничивания трансформатора не происходит: форма тока первичной обмотки такая же, как и во вторичной: <?xml version="1.0"?>
- коэффициент трансформации.

Для расчета трансформатора найдем действующее значение тока <?xml version="1.0"?>
, учитывая, что этот ток имеет форму разно-полярных прямоугольных импульсов с амплитудой <?xml version="1.0"?>
и длительностью на полупериоде 120°:

<?xml version="1.0"?>

В данной схеме форма токов <?xml version="1.0"?>
и напряжений <?xml version="1.0"?>
первичной и вторичной обмоток одинаковы, поэтому равны и расчетные мощности этих обмоток. Расчетная мощность трансформатора с учетом (6.9)

<?xml version="1.0"?>

К достоинствам мостовой схемы по сравнению с нулевой схемой можно отнести малую величину и большую частоту пульсации, малую расчетную мощность и отсутствие подмагничивания трансформатора, а также вдвое меньшее по сравнению с нулевой схемой отношение <?xml version="1.0"?>
что позволяет получать достаточно высокие напряжения <?xml version="1.0"?>
при использовании тиристоров того же класса.

6.5.2. Работа при <?xml version="1.0"?>
При подаче импульсов управления на тиристоры выпрямителяВыпрямитель управляемый (рис. 6.11, а) с задержкой относительно моментов естественного отпирания на угол управления <?xml version="1.0"?>
в режиме непрерывного тока кривая выходного напряжения состоит из отрезков линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Временные диаграммы <?xml version="1.0"?>
при различных углах управления приведены на рис. 6.12 Рис. 6.12. Временные диаграммы напряжения ud в трехфазном мостовом управляемом выпрямителе и зависимом инверторе. Среднее значение выходной ЭДС выпрямителя находим, интегрируя эти кривые:

<?xml version="1.0"?>

По-прежнему в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя <?xml version="1.0"?>
описывается выражением (6.2) и имеет косинусоидальный характер.

При углах управления <?xml version="1.0"?>
< 60° отрицательный участок в кривой <?xml version="1.0"?>
(t) отсутствует и выпрямитель при любой нагрузке работает в режиме непрерывного тока. При <?xml version="1.0"?>
> 90° возможна работа преобразователя в инверторном режиме, для этого в цепи постоянного тока включается источник энергии, полярность которого противоположна выходной ЭДС выпрямителя <?xml version="1.0"?>
.

6.5.3. Коммутационные процессы и внешние характеристики трехфазного мостового выпрямителя. В реальных трансформаторах большой мощности необходимо учитывать индуктивности рассеяния обмоток. Как и в однофазном выпрямителе (§ 6.2.4), вынесем индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток во вторичную цепь: <?xml version="1.0"?>
Индуктивность обмотки трансформатора препятствует скачкообразным изменениям токов <?xml version="1.0"?>
поэтому эти токи имеют не прямоугольную, как упрощенно предполагалось ранее, а трапецеидальную форму (временные диаграммы напряжений и токов в мостовом выпрямителе при учете <?xml version="1.0"?>
приведены на рис. 6.13 Рис. 6.13. Токи и напряжения в трехфазном мостовом выпрямителе при учете коммутационных процессов).

В результате влияния анодных индуктивностей ток с вентиля на вентиль переходит не мгновенно и на интервале, определяемом углом коммутации <?xml version="1.0"?>
, ток проводят одновременно два тиристора одной группы (анодной или катодной). В момент <?xml version="1.0"?>
, показанный на рис. 6.13, ток в V3 нарастает, а в V1 падает, при их одновременной работе потенциал <?xml version="1.0"?>

На интервале коммутации <?xml version="1.0"?>
выходное напряжение преобразователя уменьшается на величину <?xml version="1.0"?>
, это напряжение <?xml version="1.0"?>
приложено к анодной индуктивности. На интервалах между коммутациями ток проводит только один тиристор и форма выходного напряжения остается неизменной.

Среднее значение выходного напряжения за счет коммутационных процессов снижается:

<?xml version="1.0"?>

Значение <?xml version="1.0"?>
может быть найдено как среднее значение <?xml version="1.0"?>
на интервале повторяемости, который равен <?xml version="1.0"?>
так как в мостовом трехфазном выпрямителе за период сети происходит шесть коммутаций: три в анодной группе, три - в катодной группе вентилей. Следовательно,

<?xml version="1.0"?>

Учитываем, что <?xml version="1.0"?>
Заменим пределы интегрирования, поскольку при <?xml version="1.0"?>
Получим

<?xml version="1.0"?>

Внешняя характеристика <?xml version="1.0"?>
трехфазного выпрямителя имеет такой же вид, как внешняя характеристика однофазного выпрямителя (см. рис. 6.4, б), количественные отличия заключаются только в значении напряжения холостого хода <?xml version="1.0"?>
и в наклоне кривых, который зависит от пульсности выходного напряжения m.

На рис. 6.13 показана форма тока <?xml version="1.0"?>
, потребляемого выпрямителем из сети. В этой кривой есть две важные особенности. Во-первых, ток, потребляемый выпрямителем из сети, несинусоидален, и это характерно и для других типов выпрямителей (см. рис. 5.4, б, 6.2, а-в, 6.9, б), которые поэтому могут быть охарактеризованы как нелинейная нагрузка для питающей сети. Вторая особенность - это фазовый сдвиг первичного тока относительно напряжения сети, который характерен для всех управляемых выпрямителей (см. также рис. 6.2, a-в). Обе эти особенности играют важную роль в преобразовательной технике и в энергетике, ими обусловлено влияние вентильных преобразователей на питающую сеть, рассмотрению которого посвящена гл. 7.

Мощные выпрямительно-инверторные агрегаты применяются, в частности, для питания обмоток возбуждения синхронных гидро- и турбогенераторов (схемы тиристорного возбуждения). Обмотка возбуждения представляет собой индуктивную нагрузку с малыми потерями, необходимая для возбуждения мощность составляет 0,3-3% от мощности синхронной машины. Установленный на валу синхронной машины синхронный возбудитель связан с обмоткой возбуждения через выпрямитель, ток <?xml version="1.0"?>
которого регулируется при изменении углов управления тиристоров в зависимости от величины и характера нагрузки генератора. При индуктивном характере сети и при возрастании нагрузки ток возбуждения увеличивается. В зависимости от тока возбуждения может изменяться реактивная мощность генератора. Режим, при котором реактивная мощность соответствует нулю, называется режимом полного или нормального возбуждения. При увеличении тока возбуждения (режим перевозбуждения) синхронная машина генерирует реактивную мощность для сети с активно-индуктивной реакцией. В режиме холостого хода такой генератор для сети эквивалентен емкости и называется синхронным компенсатором.

Для быстрого прекращения тока возбуждения преобразовательный агрегат переводится в инверторный режим <?xml version="1.0"?>
при этом накопленная в обмотке возбуждения энергия возвращается в питающую сеть. Таким образом, управление тиристорным преобразователем схемы возбуждения позволяет реализовать основные режимы работы синхронного генератора.

При построении трехфазного мостового выпрямителя на шести вентилях в нагрузке можно получить наибольший ток <?xml version="1.0"?>
выпрямленное напряжение <?xml version="1.0"?>
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 <?xml version="1.0"?>
(на практике - единицы килоампер и выше), применяют параллельное соединение вентилей, а в преобразователях на большие напряжения <?xml version="1.0"?>
(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. 6.14, а Рис. 6.14. Схемы параллельного (а) и последовательного (б) включения мощных полупроводниковых вентилей.

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. 6.14, б.

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 <?xml version="1.0"?>
нагрузки, но и добиться ряда преимуществ.

Рассмотрим основные варианты составных преобразователей. Ограничим рассмотрение работой преобразователей при <?xml version="1.0"?>
= 0 (или работой неуправляемых выпрямителей). Анализ управляемых выпрямителей повторяет результаты, полученные в § 6.2-6.5.

На рис. 6.15, а Рис. 6.15. Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором (а) и временные диаграммы токов и напряжений в выпрямителе (б) показан двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реакторомВыпрямитель двойной трехфазный с уравнительным реактором, который состоит из двух трехфазных нулевых выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

Подключение вторичных обмоток трансформатора по схеме двойной звезды обеспечивает фазовый сдвиг напряжений <?xml version="1.0"?>
первого нулевого выпрямителя (V1, V2, V3) относительно напряжения <?xml version="1.0"?>
второго нулевого выпрямителя (V4, V5, V6) на 60°. При работе первого нулевого выпрямителя формируется выходное напряжение <?xml version="1.0"?>
и ток <?xml version="1.0"?>
, форма которых показана на верхней диаграмме на рис. 6.15, б. На второй сверху диаграмме показана форма напряжения <?xml version="1.0"?>
и тока <?xml version="1.0"?>
второго нулевого выпрямителя. При построении токов полагали, что <?xml version="1.0"?>
Токи обоих выпрямителей равны: <?xml version="1.0"?>
через нагрузку протекает суммарный ток <?xml version="1.0"?>

Форма напряжений <?xml version="1.0"?>
и их среднее значение <?xml version="1.0"?>
также одинаковы, однако эти напряжения сдвинуты относительно друг друга на 60° и их мгновенные значения различны. Разницу мгновенных значений <?xml version="1.0"?>
принимает на себя реактор <?xml version="1.0"?>
, напряжение на котором <?xml version="1.0"?>
показано на рис. 6.15, б. Мгновенное значение напряжения на нагрузке

<?xml version="1.0"?>

Форма <?xml version="1.0"?>
приведена на рис. 6.15, б. Частота пульсации этого напряжения равна <?xml version="1.0"?>
Коэффициент пульсации q, получаемый при постановке в (5.3) m = 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 <?xml version="1.0"?>
(рис. 6.15, б) симметричен относительно оси <?xml version="1.0"?>
, 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) выпрямителиВыпрямитель денадцатипульсный можно создать при параллельном или последовательном соединении двух мостовых трехфазных выпрямителей (рис. 6.16, а, б Рис. 6.16. Двенадцатипульсные составные выпрямители с последовательным (а) и параллельным (б) включением мостов). В выпрямителе по рис. 6.16, а вентильные комплекты подключены к нагрузке последовательно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений двух мостов: <?xml version="1.0"?>
Выходной ток первого моста протекает через нагрузку, а затем замыкается через второй выпрямительный мост, поэтому мгновенные значения токов <?xml version="1.0"?>
также и средние значения токов связаны соотношением <?xml version="1.0"?>

В выпрямителях рис. 6.16 применяют схемы подключения комплектов через трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена в треугольник, а другая в звезду. Равенство средних значений выходных напряжений <?xml version="1.0"?>
обеспечивается выбором числа витков вторичных обмоток, соединенных в звезду и треугольник по соотношению <?xml version="1.0"?>

Система вторичных напряжений а, b, с сдвинута относительно системы вторичных напряжений (а', b', с') на угол 30°. Поэтому и выходные напряжения вентильных комплектов <?xml version="1.0"?>
сдвинуты на 30°, временные диаграммы этих напряжений приведены на рис. 6.17 Рис. 6.17. Временные диаграммы напряжений и токов в двенадцатипульсных выпрямителях. При суммировании этих напряжений на нагрузке в схеме рис. 6.16, а получаем напряжение <?xml version="1.0"?>
, показанное на рис. 6.17 и имеющее пульсации с частотой <?xml version="1.0"?>
Коэффициент пульсации в соответствии с (5.3) при m = 12 равен q = 0,014, следовательно, качество выходного напряжения лучше, чем у мостовой схемы, рассмотренной в § 6.5. Обратное напряжение на вентилях равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, при учете (6.10) <?xml version="1.0"?>
Схема рис. 6.16, а широко применяется в выпрямителях с высокими значениями выходного напряжения.

При больших значениях выходного тока применяется схема рис. 6.16, б, в которой вентильные мосты подключены к нагрузке параллельно. Через нагрузку протекает сумма токов двух мостов: <?xml version="1.0"?>
Та же зависимость связывает и средние значения токов: <?xml version="1.0"?>

За счет фазового сдвига на 30° мгновенные значения напряжений <?xml version="1.0"?>
не равны (см. рис. 6.17), разница между ними <?xml version="1.0"?>
приложена к реактору <?xml version="1.0"?>
. Мгновенное значение напряжения на нагрузке показано на рис. 6.17:

<?xml version="1.0"?>

Среднее значение напряжения на нагрузке <?xml version="1.0"?>
- действующее значение фазового напряжения на вторичных обмотках трансформатора. Как и в трехфазном мостовом выпрямителе, в схеме рис. 6.16, б <?xml version="1.0"?>
Качество выходного напряжения в схемах с параллельным и последовательным соединением мостов (рис. 6.16) идентично.

На рис. 6.17 показаны также токи вторичных обмоток обоих комплектов (они имеют одинаковую форму в каждой из схем рис. 6.16). При соединении вторичных обмоток в звезду ток <?xml version="1.0"?>
соответствует рис. 6.11, б. Ток в обмотках, соединенных в треугольник, имеет прямоугольную форму, показанную на рис. 6.17 (ток <?xml version="1.0"?>
). В первичную обмотку трансформируется сумма токов обеих вторичных обмоток. Временная диаграмма тока <?xml version="1.0"?>
приведена на рис. 6.17; она представляет собой ступенчатую фигуру, больше приближающуюся к синусоиде, чем первичные токи ранее рассмотренных преобразователей. Поэтому 12-пульсные преобразователи по отношению к сети являются нагрузкой, свойства которой близки к линейной. Преимущества такой формы первичного тока показаны в гл. 7.

Таким образом, в составных 12-пульсных преобразователях рис. 6.16 достигается не только увеличение мощности, отдаваемой в нагрузку по сравнению с мощностью одного комплекта, но и улучшается гармонический состав выходного напряжения и тока, потребляемого из сети. Эти преимущества обусловили весьма широкое применение составных 12-импульсных преобразователей в области больших мощностей.

В табл. 6.1 обобщены сведения о вентильных преобразователях различных типов.

New Page 1

Таблица 6.1. Основные показатели   выпрямителей (RL - нагрузка, tab243.gif (329 bytes))

№ рисунков

Тип выпрямителя Пульсность m Число* вентилей q0 tab197-1.gif (381 bytes) tab197-2.gif (440 bytes) tab197-5.gif (395 bytes)
6.1, а Однофазный нулевой 2 2 0,67 0,50 3,14 1,34
5.4, а Однофазный мостовой 2 4 0,67 0,50 1,57 1,11
6.9, а Трехфазный нулевой 3 3 0,25 0,33 2,09 1,34
6.11, а Трехфазный мостовой 6 6 0,06 0,33 1,05 1,05
6.15, а Двойной трехфазный с уравнительным реактором 6 6 0,06 0,17 2,09 1,26
6.16, а 12-пульсный 12 12 0,014 0,33 0,52 1,05
6.16, б " 12 12 0,014 0,17 1,05 1,05

* Указано минимальное число вентилей (без последовательного и параллельного соединения).

Реверсивными называются преобразователи, позволяющие изменять полярность постоянного напряжения и тока в нагрузке. Реверсивные преобразователи используются, главным образом, в электроприводе для изменения на правления вращения двигателей постоянного тока.

Структурная схема реверсивного выпрямителяВыпрямитель реверсивный приведена на рис. 6.18, а Рис. 6.18. Реверсивный преобразователь (а) и диаграммы токов и напряжения в нагрузке и углов управления комплектов при реверсе (б). Преобразователь состоит из двух вентильных комплектов ВК1 и ВК2, подключенных к нагрузке встречно-параллельно. Каждый из комплектов может быть построен на основе любой рассмотренной схемы управляемых выпрямителей (см. § 6.1-6.6). При работе ВК1 ток в нагрузке протекает в положительном направлении. При работе ВК2 полярность тока изменяется на противоположную.

В зависимости от способа управления вентильными комплектами реверсивные преобразователи бывают двух видов:

1. Реверсивные преобразователи с раздельным управлением, при котором управляющие импульсы приходят только на один из комплектов, проводящих ток. Импульсы управления на второй комплект в это время не подаются, и его вентили заперты. Реактор <?xml version="1.0"?>
в схеме может отсутствовать.

2. Реверсивные преобразователи с согласованным управлением, при котором импульсы управления поступают одновременно на вентили обоих вентильных комплектов с определенным согласованным углом управления: <?xml version="1.0"?>
- углы управления ВК1 и BK2 соответственно. В схеме рис. 6.18 имеется реактор <?xml version="1.0"?>
.

Рассмотрим работу реверсивного преобразователя при раздельном управлении, предположив, что нагрузкой вместо R является двигатель постоянного тока М с независимым возбуждением (рис. 6.18, а). При отпирании ВК1 <?xml version="1.0"?>
полярность напряжения и направление тока соответствуют указанным на рис. 6.18, а. Для реверсирования тока в момент <?xml version="1.0"?>
(рис. 6.17, б) снимаем импульсы управления с BK1. При этом ток <?xml version="1.0"?>
спадает до нуля со скоростью, определяемой индуктивностью сглаживающего дросселя <?xml version="1.0"?>
. Спустя время паузы, достаточное для прекращения тока <?xml version="1.0"?>
при <?xml version="1.0"?>
подаем отпирающие импульсы на BK2 с углом управления <?xml version="1.0"?>
. В силу инерции двигателя с нагрузкой частота вращения n и напряжение на якоре Е за время паузы практически не изменяются. Так как при <?xml version="1.0"?>
BK2 работает в инверторном режиме, двигатель переходит в генераторный режим, т.е. выступает в роли источника энергии. Ток <?xml version="1.0"?>
BK2 создает в машине тормозной момент, что приводит к быстрому снижению скорости n и ЭДС в цепи якоря Е. Торможение двигателя с возвратом в питающую сеть энергии, запасенной во вращающихся массах, называется рекуперативным. Скорость убывания угла управления из при торможении часто выбирают такой, чтобы инвертирование в условиях снижающегося Е проходило при номинальном токе <?xml version="1.0"?>
.

При <?xml version="1.0"?>
угол управления <?xml version="1.0"?>
скорость n = 0, E = 0, т.е. двигатель останавливается. Продолжая уменьшать <?xml version="1.0"?>
разгоняем двигатель до номинальной скорости в противоположном направлении (момент <?xml version="1.0"?>
). При этом ВК2 работает в выпрямительном режиме и полярность выходного напряжения изменяется на обратную.

Для торможения двигателя теперь надо снять импульсы управления с BK2 и, выждав паузу, включить ВК1 в инверторном режиме при <?xml version="1.0"?>
На интервалах 0-<?xml version="1.0"?>
(рис. 6.18, б) ВК1 работает в выпрямительном режиме, на интервале <?xml version="1.0"?>
BK2 - в инверторном режиме, а на интервале <?xml version="1.0"?>
BK2 работает выпрямителем и т.д.

При раздельном управлении между интервалами работы ВК1 и BK2 необходима бестоковая пауза, в течение которой восстанавливаются запирающие свойства тиристоров. При отсутствии паузы возможно образование короткозамкнутого контура из-за одновременного включения ВК1 и BK2. Необходимыми элементами систем управления реверсивными преобразователями с раздельным управлением являются датчики тока нагрузки, которые позволяют точно зафиксировать момент спада тока к нулю и исключить возможность короткого замыкания вентилей преобразователя. При согласованном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на ВК1 и ВК2, причем для углов управления комплектов выполняется равенство <?xml version="1.0"?>
Один из комплектов работает в выпрямительном режиме, другой в это же время - в инверторном режиме. Выходные ЭДС комплектов равны, но противоположны по знаку - при учете показанных на рис. 6.18, а стрелок, указывающих принятую за положительную полярность <?xml version="1.0"?>

<?xml version="1.0"?>

Поскольку ЭДС ВК1 и ВК2 направлены навстречу и равны, постоянный ток в контуре, включающем оба комплекта, отсутствует при любом значении напряжений. Однако мгновенные значения <?xml version="1.0"?>
отличаются друг от друга за счет разницы углов управления <?xml version="1.0"?>
Разность мгновенных значений напряжений прикладывается к уравнительному реактору <?xml version="1.0"?>
, выполняющему примерно ту же функцию, что и в схемах рис. 6.15, а, 6.16, б.

Допустим, что из-за увеличения момента на валу двигателя он начинает тормозиться, скорость n и ЭДС Е уменьшаются. Тогда <?xml version="1.0"?>
и в цепи якоря увеличивается ток ВК1. Этот ток будет создавать дополнительный вращающий момент, и двигатель ускорится. В результате двигатель будет работать в установившемся режиме, когда его вращающийся момент равен моменту сопротивления на валу. При этом BK1 работает в выпрямительном режиме, ВК2 закрыт, поскольку <?xml version="1.0"?>

При уменьшении угла управления <?xml version="1.0"?>
возрастет ЭДС ВК1 <?xml version="1.0"?>
, следовательно, растут ток, вращающий момент двигателя, его скорость и ЭДС Е. При резком увеличении угла <?xml version="1.0"?>
противо-ЭДС якоря Е окажется больше, чем <?xml version="1.0"?>
, и будет препятствовать прохождению тока через тиристоры ВК1, ток <?xml version="1.0"?>
спадет к нулю. Затем в работу вступит ВК2, у которого при соответствующем уменьшении <?xml version="1.0"?>
выходная ЭДС <?xml version="1.0"?>
уменьшилась. При этом комплект ВK2 работает инвертором и ток <?xml version="1.0"?>
, протекая через машину в указанном на рис, 6.18, а направлении, создает тормозной момент, скорость снижается и уменьшается значение Е. При согласованном управлении нагрузка оказывается как бы зажатой между двух источников напряжения <?xml version="1.0"?>
, ведущих нагрузку.

Если значение Е увеличивается сверх заданного значения, <?xml version="1.0"?>
(например, при уменьшении момента сопротивления на валу), машина будет отдавать энергию через один из вентильных комплектов (в зависимости от направления вращения), работающий как инвертор, если же Е снижается, то двигатель получает энергию от другого вентильного комплекта, работающего как выпрямитель. Таким образом в реверсивном преобразователе с согласованным управлением напряжение на нагрузке следует за средним значением внутренней ЭДС вентильных комплектов.

Рассматриваемая схема рис. 6.18,а может работать в циклическом режиме, при котором внутренняя ЭДС преобразователя будет изменяться по синусоидальному закону. В таком случае получаем непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Рассмотрим работу НПЧ с раздельным управлением вентильными комплектами. Внутренняя ЭДС обоих комплектов в соответствии с (6.2)

<?xml version="1.0"?>

Для того чтобы выходная ЭДС преобразователя изменялась по синусоидальному закону <?xml version="1.0"?>
необходимо изменять углы управления вентильных комплектов по закону.

<?xml version="1.0"?>

где коэффициент v задает значение выходного напряжения.

На рис. 6.19 Рис. 6.19. Временные диаграммы токов, напряжений и углов управления в непосредственном преобразователе частоты с раздельным управлением (fвых = 16,67 Гц) показаны кривые выходной ЭДС, выходного тока <?xml version="1.0"?>
НПЧ и изменения углов управления BK1 и ВК2.

Из-за индуктивного характера нагрузки ток нагрузки отстает от напряжения <?xml version="1.0"?>
на угол <?xml version="1.0"?>
. Поэтому ВК1 работает в выпрямительном режиме ВР от момента вступления его в работу до момента <?xml version="1.0"?>
, после чего угол управления <?xml version="1.0"?>
и внутренняя ЭДС BK1 изменяет знак. ВК1 начинает работать в инверторном режиме ИР, а энергия, запасенная в реактивных элементах цепи нагрузки, возвращается в питающую сеть. При <?xml version="1.0"?>
ток нагрузки спадает к нулю, вступает в работу ВК2 в выпрямительном режиме и ток начинает нарастать, но уже в противоположном направлении. Энергия запасается в реактивных элементах нагрузки. В момент <?xml version="1.0"?>
направление внутренней ЭДС ВК2 изменяется <?xml version="1.0"?>
но ток продолжает течь в прежнем направлении и ВК2 работает в инверторном режиме.

На рис. 6.19 видно, что мгновенные значения внутренних ЭДС ВК1 и ВК2 имеют пульсации, которые увеличиваются при снижении отношения <?xml version="1.0"?>
При питании НПЧ от сети промышленной частоты диапазон выходных частот простирается от 0 до 20-25 Гц. Выше этих частот качество выходного напряжения ухудшается, а при <?xml version="1.0"?>
Гц работа НПЧ становится невозможной: при таких частотах вентили должны выключаться несколько раз за период выходной частоты, а при естественной коммутации однооперационных тиристоров это неосуществимо. НПЧ с трехфазным выходом создается на основе трех НПЧ с однофазным выходом (рис. 6.18, а), взаимный сдвиг выходных напряжений обеспечивается системой управления.

НПЧ находят применение в электроприводах на основе асинхронных и синхронных машин, а также для питания ряда мощных электротермических и электротехнологических установок.

Мощность реверсивных преобразователей и НПЧ в настоящее время достигает нескольких десятков мегаватт и выше.

Изменение мощности, подводимой к потребителям переменного тока промышленной частоты, осуществляют с помощью регулируемых преобразователей переменного напряжения (рис. 6.20, а Рис. 6.20. Регулируемый преобразователь переменного напряжения: а - схема; б - временные диаграммы при широтно-импульсном и в-д - при фазовом регулировании). Преобразователь состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

В зависимости от способа управления преобразователем (закона формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров) возможны два способа регулирования: широтно-импульсный и фазовый.

При широтно-импульсном регулировании на пониженной частоте оба тиристора находятся во включенном и выключенном состоянии в течение интервалов, больших, чем период частоты питающего напряжения, т.е. преобразователь работает в режиме "включено-выключено" (рис. 6.20, б). При подаче управляющих импульсов на тиристоры они пропускают обе полуволны напряжения в нагрузку и выполняют роль ключа, проводящего ток в двух направлениях. При снятии управляющих импульсов с тиристоров они не включаются: ключ разомкнут, напряжение и ток в нагрузке равны нулю. При редком включении и отключении нагрузки преобразователь выполняет функцию бесконтактного пускателя для подключения различных потребителей;

двигателей, электротермических установок и т.д. При периодическом включении и отключении ключа появляется возможность регулирования мощности в нагрузке за счет изменения длительности включенного состояния тиристоров <?xml version="1.0"?>
относительно периода повторения циклов Т: <?xml version="1.0"?>
Средняя за период Г мощность в нагрузке

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- мощность в нагрузке при отсутствии регулирования.

Подобное регулирование мощности осуществляется, например, в электрических печах, имеющих большую тепловую постоянную времени.

При фазовом регулировании изменяют фазу импульсов управления относительно момента естественного отпирания вентилей, при этом также регулируется длительность подключения нагрузки к питающей сети (рис. 6.20, в-д), но эта длительность не превышает половину периода частоты сети. Этот способ позволяет получить более плавную и быстродействующую регулировку мощности и используется в сварочных аппаратах, для регулирования освещения, управления асинхронными двигателями, регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора в высоковольтных выпрямителях, выполненных на диодах.

Рассмотрим работу преобразователя переменного напряжения с фазовым управлением при активной нагрузке <?xml version="1.0"?>
При положительной полуволне напряжения сети PC вентиль V2 оказывается под обратным напряжением и пропускать ток не может. Тиристор V1 находится под прямым напряжением и отпирается в момент <?xml version="1.0"?>
(рис. 6.20, в), при этом нагрузка подключается к сети и <?xml version="1.0"?>
Напряжение <?xml version="1.0"?>
возрастает скачком, ток повторяет форму напряжения. В момент <?xml version="1.0"?>
полярность напряжения сети меняется, ток спадает к нулю и тиристор V1 запирается. До отпирания V2 в момент <?xml version="1.0"?>
напряжение и ток в нагрузке отсутствуют. При подаче в момент <?xml version="1.0"?>
управляющего импульса на V2, он отпирается, напряжение на нагрузке <?xml version="1.0"?>
вновь становится равным напряжению сети йц== =е^. В момент <?xml version="1.0"?>
происходит запирание V2. При работе V1, V2 мощность передается из сети в нагрузку. При запертых тиристорах мощность от сети не потребляется.

Мощность, в активной нагрузке можно рассчитать через действующее значение напряжения на нагрузке <?xml version="1.0"?>
:

<?xml version="1.0"?>

При увеличении угла управления интервал передачи мощности от сети к нагрузке <?xml version="1.0"?>
уменьшается, мощность в нагрузке падает. Регулировочная характеристика преобразователя переменного напряжения <?xml version="1.0"?>
приведена для активной нагрузки на рис. 6.21 Рис. 6.21. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения.

Если нагрузка активно-индуктивная <?xml version="1.0"?>
то индуктивность нагрузки препятствует резким изменениям тока и затягивает длительность протекания тока через тиристор <?xml version="1.0"?>
На рис. 6.20, г приведены временные диаграммы напряжений и токов в преобразователе при <?xml version="1.0"?>

В момент <?xml version="1.0"?>
управляющий импульс подается на V1, он открывается, на нагрузке устанавливается напряжение <?xml version="1.0"?>
и начинает нарастать ток нагрузки <?xml version="1.0"?>
На интервале <?xml version="1.0"?>
мощность передается из сети в нагрузку и частично запасается в индуктивности. В момент <?xml version="1.0"?>
напряжение сети изменяет свой знак, но индуктивность <?xml version="1.0"?>
задерживает уменьшение тока и V1 остается открытым. Начиная с момента <?xml version="1.0"?>
направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (см. рис. 6.1, а), т.е. индуктивность цепи нагрузки отдает накопленную энергию. В момент <?xml version="1.0"?>
энергия в индуктивности исчерпана, ток <?xml version="1.0"?>
= 0. До включения V2 следует бестоковая пауза (режим прерывистого тока). В момент <?xml version="1.0"?>
управляющий импульс подается на вентиль V2, на интервале <?xml version="1.0"?>
энергия снова передается из питающей сети в нагрузку.

При увеличении угла управления а интервал, на котором энергия передается в нагрузку, будет уменьшаться и действующее значение напряжения на нагрузке будет снижаться.

При уменьшении угла управления интервал, на котором в нагрузку передается энергия из сети, возрастает, при <?xml version="1.0"?>
напряжение на нагрузке в течение всего периода <?xml version="1.0"?>
и бестоковая пауза в нагрузке исчезает. Ток нагрузки имеет синусоидальную форму и сдвинут относительно напряжения на угол <?xml version="1.0"?>
, тиристоры открыты поочередно в течение <?xml version="1.0"?>
и нагрузка накоротко подключена к сети. Таким образом, в режиме непрерывного тока управляющее действие преобразователя теряется.

При дальнейшем уменьшении <?xml version="1.0"?>
изменить величину и форму тока невозможно, так как в любой момент времени нагрузка связана с сетью. Ток через V1 начинает протекать в момент <?xml version="1.0"?>
а через V2 - в момент <?xml version="1.0"?>
Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы в эти моменты на указанных вентилях были управляющие импульсы, которые, следовательно, должны иметь достаточную длительность. В противном случае вентиль не откроется и работа преобразователя нарушится, В процессе работы характер нагрузки изменяется, меняется и угол <?xml version="1.0"?>
, поэтому для предотвращения срыва работы преобразователя при подаче импульсов управления в моменты <?xml version="1.0"?>
система управления формирует длинные импульсы (см. рис. 6.20, д). Тиристоры в этом режиме включаются не в моменты подачи импульса, а в моменты перехода тока через нуль. Поэтому область углов <?xml version="1.0"?>
не может быть использована для регулирования напряжения в нагрузке. Регулировочные характеристики преобразователя переменного напряжения при работе на активно-индуктивную нагрузку приведены на рис. 6.21. При работе на индуктивную нагрузку <?xml version="1.0"?>
и область регулирования напряжения на нагрузке охватывает углы управления <?xml version="1.0"?>
В этом случае импульсы управления должны иметь длительности не менее <?xml version="1.0"?>
.

Действующее значение напряжения на нагрузке при работе на активно-индуктивную нагрузку

<?xml version="1.0"?>

Это напряжение зависит не только от напряжения сети и угла управления, но и от характера нагрузки: чем больше угол <?xml version="1.0"?>
, тем больше затягивается интервал прохождения тока через тиристор <?xml version="1.0"?>
, тем большее время напряжение на нагрузке повторяет напряжение сети и тем больше <?xml version="1.0"?>
. Зависимость выходного напряжения от характера нагрузки характерна для работы преобразователей в режиме прерывистого тока (см. § 6.2.2).

Для расчета параметров тиристоров, необходимых для их выбора, следует знать параметры нагрузки: наибольшие ток и напряжение. Средний ток через тиристор рассчитываем по режиму наибольшего тока через нагрузку в режиме <?xml version="1.0"?>
и считаем, что <?xml version="1.0"?>
имеет синусоидальную форму, тогда

<?xml version="1.0"?>

Максимальное напряжение на тиристоре равно амплитуде ЭДС сети:

<?xml version="1.0"?>

6.1. По каким соотношениям рассчитывают действующие и средние значения несинусоидальных напряжений и токов?

6.2. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие <?xml version="1.0"?>
в однофазном управляемом выпрямителе при <?xml version="1.0"?>
= 45° и активной нагрузке, при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока.

6.3. Нарисовать временные диаграммы <?xml version="1.0"?>
в однофазном управляемом выпрямителе (активно-индуктивная нагрузка) при <?xml version="1.0"?>
= 120° и зависимом инверторе при <?xml version="1.0"?>
= 120°. Объяснить различие в этих диаграммах.

6.4. Вывести уравнение регулировочной характеристики однофазного преобразователя при активной нагрузке и при активно-индуктивной нагрузке (режим непрерывного тока), объяснить различие в величинах <?xml version="1.0"?>
при одинаковом угле управления.

6.5. Объяснить процессы коммутации в однофазном управляемом выпрямителе и ведомом инверторе, вывести уравнение внешней характеристики выпрямителя и входной характеристики инвертора. Почему первая из них при увеличении <?xml version="1.0"?>
имеет падающий характер, а вторая - возрастающий (объяснить с помощью временных диаграмм <?xml version="1.0"?>
)?

6.6. Как можно регулировать мощность, передаваемую через инвертор? Почему ограничивается максимальное значение угла <?xml version="1.0"?>
(минимальное значение угла <?xml version="1.0"?>
)?

6.7. Построить кривую анодного напряжения вентиля в однофазном выпрямителе при <?xml version="1.0"?>
= 60° в режиме непрерывного тока и в режиме прерывистого тока нагрузки (R и RL-нагрузка), объяснить скачки в кривой.

6.8. Какой ток <?xml version="1.0"?>
и напряжение <?xml version="1.0"?>
в нагрузке можно получить в трехфазном нулевом выпрямителе, собранном на трех вентилях 10-го класса, рассчитанных на средний ток 1000 А каждый?

6.9. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие напряжения <?xml version="1.0"?>
в трехфазном нулевом и мостовом выпрямителях с RL-нагрузкой.

6.10. Объяснить влияние индуктивности рассеяния на процессы в трехфазных выпрямителях. Вывести формулу внешней характеристики трехфазного нулевого выпрямителя.

6.11. Объяснить форму кривой первичного тока трехфазного нулевого и мостового выпрямителей. Какое влияние на форму первичного тока оказывает угол управления и коммутационные процессы?

6.12. Построить временные диаграммы <?xml version="1.0"?>
трехфазного нулевого выпрямителя при <?xml version="1.0"?>
= 60° (режим непрерывного тока нагрузки).

6.13. Объяснить принцип действия выпрямителя по схеме рис. 6.15, а и кривые выходного напряжения, напряжения на уравнительном реакторе и первичного тока.

6.14. Объяснить, как получены цифровые данные в трех нижних строках табл. 6.1.

6.15. Нарисовать временные диаграммы, написать и вычислить интегралы, связывающие в преобразователе переменного напряжения действующие значения <?xml version="1.0"?>
среднее значение анодного тока <?xml version="1.0"?>
и действующее значение тока в нагрузке <?xml version="1.0"?>
при <?xml version="1.0"?>
и активной нагрузке, Как изменятся эти выражения при активно-индуктивной нагрузке?

6.16. Объяснить регулировочную характеристику преобразователя переменного напряжения при активной, активно-индуктивной и чисто индуктивной нагрузках. Почему в преобразователях данного типа импульсы управления должны быть широкими?

© Центр дистанционного образования МГУП