книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей

структуры выпрямителей, способы управления вентилями и связывающие их общие закономерности. Дана обобщенная методика расчета и сравнительного анализа энергетических характеристик выпрямителей, определены перспектив* ные способы их улучшения. Исследованы некоторые вопросы, связанные с ог­ раничением коммутационных перенапряжений и утилизацией их энергии в вы­ прямителях принудительной коммутацией.

Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области преобразовательной техники, а также для аспирантов и студентов вузов.

Табл. 3. Ил. 39. Библиогр. 77.

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук В. П. Смирнов

Рецензенты:

доктор техн. наук Я. М. Усманходжаев, доктор техн. наук А. С. Даримое,

канд. техн. наук X. А. Мшиегянц

ISBN 5-648-00985-2

ВВЕДЕНИЕ

Проблема улучшения энергетических показателей управляемых выпрямителей, возникшая одновременно с их появ­ лением, приобрела в настоящее время особую остроту и актуаль­ ность в связи с быстро возрастающим их применением в промыш­ ленности и па транспорте. Несмотря на обилие теоретических раз­ работок и технических решении, нередко весьма оригинальных» очень скромные успехи в создании законченных разработок, сво­ бодных от тех или иных серьезных недостатков, свидетельствуют о том, что проблема не имеет простых решений, она представляет собой комплекс тесно связанных между собой научно-технических задач, среди которых одной из важнейших является дальнейшее развитие так называемой стационарной теории выпрямителей [1]_ Эта теория объединяет разделы изучения наиболее общих законо­ мерностей, связывающих свойства выпрямителей со структурой их схем и способами управления вентилями. В решении проблемы улучшения энергетических показателей выпрямителей знание этих закономерностей имеет первостепенное значение, так как по су­ ществу поиск решений всегда начинается с поиска оптимальных схем и наиболее эффективных способов управления вентилями. Их к настоящему времени предложено огромное количество, и если учесть, что сравнивать различные варианты приходится по целому ряду показателей и характеристик, становится ясным, что их прос­ той перебор с индивидуальным анализом каждой схемы и каждого способа управления практически неприемлем.

Необходима разработка общих методов анализа, позволяющих быстро определять требуемые характеристики выпрямителей и прогнозировать их изменение в зависимости от изменения основ­ ных параметров схем и способов управления. Фундамент для раз­ работки таких методов был заложен в стационарной теории вып­ рямителей, сложившейся в общих чертах к концу 40-х годов [2]. Эта теория оказала заметное влияние на дальнейшее развитие преобразовательной техники [1, 3, 4], однако в последние десяти­ летия наметился отход от использования обобщенных методов анализа. Во многих публикациях [5, 6 и др.] каждая схема вып-

рямления анализируется отдельно, чуть ли не как уникальный объект исследования, и нет даже упоминания о законе первичных токов М. А. Чернышева [7], который можно назвать одним из краеугольных камней теории вентильных преобразователей. Зако­ номерным следствием такой регрессии явилось снижение науч­ ного уровня и результативности исследований, многократное пов­ торение пройденного, рост числа публикаций с весьма сомнитель­ ными выводами, недостоверность которых сразу же обнаруживает­ ся, если их сопоставить с основными положениями теории.

Из сказанного, разумеется, не следует делать вывод, что об­ щая теория выпрямителей в последние годы не развивалась. Глу­ бокие обобщения сделаны О. А. Маевским [8—10], замечательным/ достижением является получение практических соотношений, поз воляющих рассчитывать гармоники выпрямленного напряжения по известным гармоникам их первичного тока [И], разработка ме­ тодики определения коэффициента мощности выпрямителей, не требующая предварительного разложения их первичного тока в (ряд Фурье [12] и др. В процессе выполнения многочисленных ис­ следовании постепенно накапливались данные, свидетельствующие о существовании определенных закономерностей в изменении свойств различных схем при соответствующих законах управле­ ния вентилями (примером является выделение О. А. Маевским групп энергетически эквивалентных схем выпрямления [13]), существенно изменилось представление о структуре мостовых схем выпрямления, которые в течение многих лет после опубликования монографии [2] рассматривались как особая разновидность прос­ тых схем. Это ошибочное представление о мостовых схемах опре­ деленным образом сковывало развитие теории, препятствуя более широким обобщениям.

В теории выпрямителей многое требуется переосмыслить и уточнить, методически переработать с единых позиций, отделить основное и общее от второстепенного и частного. Этим вопросам целиком посвящены две первые главы настоящей работы. В первой главе изложен анализ структурных особенностей различных схем выпрямления и их проявления в основных свойствах выпрямите­ лей. На основе этого анализа разработаны предложения о- внесе­ нии некоторых изменений в сложившуюся классификацию схем 'выпрямления. В этой же главе приведены общие соображения о более рациональном подходе к систе1матизации способов управ­ ления вентилями выпрямителей.

Вторая глава посвящена изложению наиболее важных законо­ мерностей, связывающих свойства и характеристики выпрямителе! с количественными параметрами, характеризующими схемы вып­ рямления и способы управления Ееитилямп. Известные сведения из этой области подвергнуты методической обработке и уточнению и дополнены анализом мгновенной мощности многофазных систем несинусоидального тока, благодаря которому удалось распростра­ нить известные соотношения, связывающие гармоники первичного

тока и выпрямленного напряжения трехфазиых выпрямителей [11], на системы с произвольным числом фаз.

В результате разработана простая и эффективная методика определения энергетических характеристик выпрямителей, позво­ ляющая проводить анализ с весьма широкими обобщениями и с минимальными трудозатратами. Эта методика использована в двух последующих главах для определения энергетических харак­ теристик наиболее распространенных схем выпрямления при раз­ личных законах управления вентилями. Следует отметить, что? этому вопросу посвящено очень большое число публикаций, в томчисле несколько книг и обзоров [13—19]. Однако использование материалов этих публикаций затруднительно, так как сведения

характеристиках во многих случаях не полны, а нередко и ошиочны, характеристики часто представлены в разной форме, что» затрудняет их сопоставление.

Анализ характеристик, изложенный в третьей и четвертой гла­ вах, выполнен в наиболее общем виде. Все многообразие способов* управления вентилями фактически сведено к двум основным раз­ новидностям — к раздельному управлению вентильными группами и к управлению с многократным включением вентилей. В резуль­ тате получено сравнительно небольшое число обобщенных харак­ теристик, из которых как частные случаи получаются характери­ стики для большого числа конкретных схем выпрямления и за­ конов управления, для каждого сочетания которых раньше тре­ бовалось проведение специального анализа. Характерно, что все частные случаи различаются по количественным значениям не­ большого числа параметров, характеризующих схемы выпрямления н законы управления вентилями, причем пределы изменения этих параметров в ряде случаев неограниченны. Так, характеристики выпрямителей с поочередным управлением получены для произволь­ ного числа поочередно управляемых вентильных групп, характе­ ристики при управлении с многократным включением вентилей — для произвольной кратности включения вентилей в течение одного периода и т. д.

Третья глава целиком посвящена анализу характеристик трех­ фазных одномостовых выпрямителей в связи с тем, что проблема улучшения их энергетических показателей наиболее остра и ак­ туальна. С одной стороны, трехфазные одномостовые выпрямители, являются основным типом промышленного преобразователя вдосаточно широком диапазоне мощностей (от единиц до нескольких (Отец кВт), с другой стороны, с повышением энергетических пока-

’телей именно этих выпрямителей возникают наибольшие труд-

..jcTii. В четвертой главе рассмотрены характеристики многомос­ товых выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Проведен­ ный анализ не преследовал цели охватить все многообразие схем выпрямления и способов управления вентилями, основная задача заключалась в выявлении наиболее эффективных способов управ­ ления вентилями выпрямителей, получивших наибольшее распро-

-странение в промышленности. Однако разработанная методика может быть с успехом использована и для анализа других схем выпрямления.

Как результаты проведенного анализа, так и весь имеющийся опыт исследовании и разработок по проблеме улучшения энерге­ тических показателей управляемых выпрямителей приводят к вы­ воду о том, что удовлетворительные результаты могут быть полу­ чены только при применении принудительной коммутации венти­ лей, позволяющей при умеренном усложнении силовой части схе­ мы выпрямителя не только существенно снизить потребляемую реактивную мощность, но и при необходимости изменить ее знак. Однако задача осуществления принудительной коммутации, в об­ щем успешно решенная в автономных инверторах и вентильных пре­ образователях постоянного напряжения, в отношении выпрямителей оказалась неожиданно сложной. Первые схемы выпрямителей с принудительной коммутацией появились еще в довоенные годы [3], большое число таких схем разработано в последние десятилетия, ■однако вполне удовлетворительных решений до сих пор нет.

Наиболее трудно поддается решению задача ограничения воз­ никающих при принудительной коммутации перенапряжений. Обычно для этой цели используют демпфирующие конденсаторы, подключаемые ко входным зажимам выпрямителя (со стороны переменного тока) через диодный мост. Вся сложность задачи заключается в том, что для того, чтобы такой узел нормально функционировал, от демпфирующих конденсаторов необходимо отводить и каким-то образом утилизировать значительную мощ­ ность, соизмеримую с мощностью основного выпрямителя. Из­ вестны и другие способы ограничения коммутационных перенап­ ряжений [20—22], но все они обладают теми или иными серьез­ ными недостатками.

Изучению одной из наиболее сложных проблем принудитель­ ной коммутации в выпрямителях — ограничению коммутационных перенапряжений и утилизации их энергии — посвящены последние параграфы третьей главы. В них дается анализ наиболее перспек­ тивных способов решения этой задачи, рассмотрены пути снижения энергии коммутационных перенапряжений.

Г л а в а 1. СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ, ИХ СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯМИ

1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ СХЕМ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Первая наиболее обстоятельная классификация схем выпрямителей была предложена В. М. Шляпошниковым [2], затем практически без изменений воспроизведена в монографиях [4, 1]. В ее основе лежит деление всех схем на однотактные и двухтактные, которые, в свою очередь, подразделяются на простые и сложные, причем последние представляют собой последователь­ ное или параллельное соединение простых схем. Среди простых однотактных (нулевых) схем выделены две разновидности — схемы катодного и анодного типов, а среди двухтактных — схемы разомкнутые и замкнутые (по виду схем соединения вентильных обмоток питающего выпрямитель трансформатора).

В последующие годы широкое распространение в промышлен­ ности мостовых схем выпрямления стимулировало более глубокое изучение схем этого класса. Мостовые схемы оказались по своим свойствам значительно ближе к сложным (составным, многоэле­ ментным), чем к простым (одноэлементным). Так, известно, что коэффициент мощности простых однотактных схем не может быть повышен за счет применения какого-либо специального способа управления вентилями [9]. В мостовых схемах, как и в сложных, коэффициент мощности можно повысить при применении пооче­ редного или несимметричного управления, управления с двукрат­ ным включением вентилей и др. Наконец, известен способ непо­ средственного преобразования двух последовательно соединенных простых однотактных схем катодного и анодного типов в мостовую (интересно, что этот способ описан именно в работе [2]).

Представление о мостовых схемах как о разновидности слож­ ных схем последовательного типа не только стало в настоящее время общепризнанным, но и легло в основу расчета их характе­ ристик. Очевидно, что такое представление о структуре мостовых схем не соответствует месту, которое отводится им в классифика­ ции [2]. Имеются у этой классификации и другие недостатки. Вопервых, она является не полной — после ее разработки появились новые схемы выпрямления (кольцевые схемы [23] и так называе­ мые простые мостовые схемы [24]). Во-вторых, представляется

неудачным деление двухтактных (мостовых) схем на схемы замк­ нутого и разомкнутого типов. Этот признак является несуществен­ ным, поскольку по основным свойствам и характеристикам эти два типа схем практически эквивалентны друг другу (так, мостовая схема разомкнутого типа с соединением вентильных обмоток транс­ форматора в зигзаг имеет такие же характеристики, что и с сое­ динением обмоток треугольником). Видимо, по этой причине в классификации, приведенной в [25], вместо деления мостовых схем на замкнутые и разомкнутые их предлагается делить на сим­ метричные и несимметричные (под несимметричными в данном случае подразумеваются мостовые схемы, у которых одна из вен­ тильных групп выполнена на управляемых вентилях, а другая — на неуправляемых). Следует сказать, что и такой подход к сис­ тематизации мостовых схем неудачен, поскольку основанием для г;у, кгурной классификации должны служить схемные признаки, а не тип используемых вентилей (строго говоря, признаком, лежа­ щем в основе разделения мостовых схем на симметричные и не­ симметричные, является даже не тип используемых вентилей, а способ управления ими, поскольку в симметричной мостовой схеме при соответствующем выборе способа управления вентилями мо­ гут быть получены любые режимы работы и любые характери­ стики, свойственные несимметричной мостовой схеме).

Наконец, еще одним недостатком существующей классифика­ ции схем выпрямления является отсутствие в ней давно известных п хорошо изученных выпрямителей с нулевыми вентилями. Между тем, эти схемы не только имеют самостоятельное практическое значение, но и позволяют уточнить представление о структуре мос­ товых схем (см. § Î.5).

Основные свойства выпрямителей как устройств преобразова­ ния энергии определяются структурой их схем и способом управ­ ления вентилями. С другой стороны, классификации выпрямите­ лей по типу схем и по способам управления вентилями должны основываться не только лишь на одном внешнем сходстве или несходстве тех или иных признаков, но и на закономерном прояв­ лении этих признаков в основных свойствах выпрямителей. С уче­ том этого важного положения делается попытка внести некоторые коррективы в существующую структурную классификацию выпря­ мителей. Изложены в этой главе также и общие соображения о подходе к систематизации способов управления вентилями.

1.2.ПРОСТЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Кхорошо известным простым схемам выпрямления катодного

Последние две схемы не имеют самостоятельного значения, но яв­

ляются, как показано ниже, структурными элементами некоторых сложных схем, получивших практическое применение.

Изображенные на рис: 1.1 схемы можно объединить под общим названием «радиальные (в [1] такие схемы названы «лучевыми»). Распространенный термин «однотактные схемы» представляется не вполне удачным, так как он отражает не структурные особеиио-

£

Рис. 1.1. Разновидности простых радиаль­ ных схем выпрямления

сти этих схем, а их рабочие свойства. Другое распространенное название — «нулевые схемы» — не подходит к схеме, изображен­ ной на рис. 1.1,г.

Класс простых схем выпрямления сравнительно недавно попол­ нился новой разновидностью — кольцевой схемой [23]. Ее при­ надлежность именно к этому классу можно доказать различными способами. На рис. 1.2, я изображена шестифазная схема типа схемы с двумя источниками э. д. с. Если в этой схеме, принадлеж­ ность которой к классу простых схем очевидна, выполнить уравни­ тельные соединения, показанные на рис. 1.2, я пунктирными ли­ ниями, то в результате получим кольцевую схему, изображенную на рис. 1.2, 6. Очевидно, что уравнительные соединения не изме­ няют режима работы исходной шестифазной схемы, следовательно, полученная таким образом кольцевая схема также должна быть отнесена к классу простых схем выпрямления. Это подтверждает и анализ основных свойств и характеристик кольцевой схемы, из­ ложенный в [23]. Следует отметить, что кольцевая схема может быть получена также в результате эквивалентного преобразования

шестифазной нулевой схемы с вентильными обмотками транс­ форматора, соединенными в двойной зигзаг.

Характерным для кольцевых схем является то, что в них отдельные источники э. д. с. (или секции вторичных обмоток транс­ форматора) входят одновременно в ветви двух и более фаз. Этот

Рис. 1.2. Преобразование шестифазной радиальной схегш в кольцевую

признак проявляется и в шестифазной нулевой схеме «двойной зигзаг». Другая особенность кольцевых схем заключается в том, что они могут иметь только четное число фаз выпрямления (четы­ ре, шесть, восемь и т. д.).

При большом числе фаз выпрямления вентили могут соеди­ няться в несколько колец [26]. Так, в двенадцатифазной схеме вентили можно соединить в одно кольцо из двенадцати вентилей, в два кольца по шесть вентилей или в три кольца по четыре вен­ тиля. Увеличение числа колец позволяет упростить схему соедине­ ния вентильных обмоток трансформатора. В остальном много­ кольцевые схемы не отличаются от однокольцевых.

В кольцевых, как и в любых других простых схемах выпрям­ ления, продолжительность работы вентилей уменьшается с увели­ чением числа фаз выпрямления. Поэтому использование вентилей в таких схемах невелико и их целесообразно применять только в установках небольшой мощности, где в полной мере может про­ явиться их главное достоинство — возможность существенного уве= личения числа фаз выпрямления (т. е. снижение пульсаций вып­

тилей в простых схемах выпрямления. С другой стороны, пока нет необходимости дополнять класс простых схем новыми разновидно­ стями. Какими бы они не были, основные свойства и характери­