Преобразовательная техника

Таблица 1.1

Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники

Рис. 1.5. Силовые IGBT-модули:

а – двухключевой (полумостовой); б – трехфазный мостовой

11

Таблица 1.2

Характеристики силовых модулей, выпускаемых отечественной промышленностью

2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

2.1.Назначение, классификация, структура

ипараметры выпрямителей

Выпрямителем называется полупроводниковое устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного или выпрямленного тока (рис. 2.1).

Выпрямители нашли широкое применение в электроприводе постоянного тока, в том числе тяговом электроприводе, при заряде накопителей энергии (аккумуляторов, конденсаторов), в электротехнологических установках, в источниках питания различной электроаппаратуры. Они применяются также в качестве составных частей более сложных преобразователей электроэнергии.

12

ния (выпрямленный ток); СФ – сглаживающий фильтр, предназначенный для сглаживания пуль-

саций выпрямленного напряжения и тока, т. е. для приближения их формы к постоянной.

Рис. 2.2. Структурная схема выпрямителя

В некоторых случаях данная структурная схема может дополняться другими элементами, например, системой управления, системой защиты и сигнализации, системой охлаждения и т. п. Иногда некоторые из указанных основных элементов могут отсутствовать (например, трансформатор или сглаживающий фильтр).

Выпрямители классифицируются по следующим основным признакам: 1. По возможности регулирования выходного (выпрямленного) напря-

жения:

1.1.Неуправляемые – выполняются на диодах и не позволяют регулировать выходное напряжение.

1.2.Управляемые – выполняются на тиристорах и позволяют регулировать выходное напряжение.

13

2.По числу фаз питающего (входного) напряжения:

2.1.Однофазные.

2.2.Трехфазные.

3.По схеме соединения вентилей в вентильной группе:

3.1.Однофазные выпрямители могут выполняться:

3.1.1.По однополупериодной схеме.

3.1.2.По схеме с выводом средней точки вторичной обмотки транс-

форматора (иначе говоря, по схеме с нулевым выводом); 3.1.3. По мостовой схеме.

3.2. Выпрямители трехфазного тока могут выполняться:

3.2.1.По схеме с нулевым выводом.

3.2.2.По мостовой схеме.

4. По мощности:

4.1.Малой мощности (до единиц киловатт).

4.2.Средней мощности (до десятков киловатт).

4.3.Большой мощности (свыше десятков киловатт).

Основными исходными данными при расчете выпрямителя являются:

ние первичной обмотки трансформатора).

Произведение Pd Ud Id представляет собой мощность нагрузки.

В ходе расчета определению подлежат следующие основные параметры:

Параметры, характеризующие условия работы вентилей: Ia – средний ток, протекающий через вентили;

Uобр.т – максимальное обратное напряжение на вентилях.

По этим параметрам в схему выпрямления из справочника подбираются конкретные типы вентилей.

Параметры, характеризующие качество выпрямленного напряжения: q – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

f – частота пульсаций выпрямленного напряжения.

Параметры качества выпрямленного напряжения задаются условиями эксплуатации конкретного потребителя. Они определяют требования к сглаживающему фильтру. Чем ниже коэффициент пульсаций и выше частота пульсаций выпрямленного напряжения, обеспечиваемые схемой выпрямления, тем проще и дешевле будет сглаживающий фильтр; в некоторых не очень требовательных к качеству напряжения потребителях можно и вовсе обойтись без сглаживающего фильтра.

14

Параметры трансформатора:

По расчетным параметрам трансформатора проектируется или подбирается серийно выпускаемый трансформатор.

Эксплуатационные параметры, определяющие технико-экономи- ческие показатели выпрямителя: коэффициент мощности; коэффициент полезного действия; гармонический состав кривой выпрям-

ленного напряжения; гармонический состав кривой первичного тока, т. е. тока, потребляемого из сети (тока первичной обмотки трансформатора).

Для расчета выпрямителя, как правило, делаются упрощающие допущения, которые, не внося существенных искажений в расчет, позволяют определить все основные параметры выпрямителя:

1.Полупроводниковые вентили считаются идеальными, т. е. при прохождении прямого тока на них отсутствует прямое падение напряжения, а при приложении обратного напряжения отсутствует обратный ток.

2.Трансформатор считается идеальным, т. е. активные и индуктивные сопротивления рассеяния его обмоток равны нулю.

3.Коммутация вентилей (переход из закрытого состояния в открытое

иобратный переход) происходит мгновенно.

При более детальном анализе влияние параметров неидеального трансформатора и конечного интервала коммутации вентилей может быть учтено.

Существенное влияние на работу выпрямителя оказывает характер нагрузки. Различают следующие виды нагрузки: активная, активно-индуктивная, ак- тивно-емкостная и с противо-ЭДС. Как правило, на практике выпрямители средней и большой мощности работают на нагрузку с противо-ЭДС или на активно-индуктивную нагрузку. Маломощные выпрямители обычно работают на активно-емкостную нагрузку.

На начальном этапе целесообразно рассмотреть работу выпрямителя на активную нагрузку – это наиболее простой для понимания вид нагрузки, а затем внести уточнения, отражающие реальные условия работы выпрямителя.

Перейдем к рассмотрению взаимосвязи основных параметров выпрямителей, выполненных по различным схемам. Начнем с наиболее простых выпрямителей – выпрямителей однофазного тока.

15

2.2. Однополупериодный выпрямитель при активной нагрузке

id

Id

θ

uVD

θ

Рис. 2.3. Схема и временные′ диаграммы работы однополупериодного выпрямителя:

а – схема выпрямления; б – временные диаграммы

Пусть в первом полупериоде (при 0 ) полярность напряжения u2 во вторичной обмотке трансформатора будет такой, как указано на ри-

сунке – положительный потенциал слева, отрицательный потенциал справа. Данное напряжение питания обеспечивает проводящее (открытое) состояние диода (плюс на аноде), значит, под действием этого напряжения

по цепи, образованной диодом VD и нагрузкой Rd, будет протекать ток id . Поскольку диод считается идеальным, то падение напряжения на нем на этом интервале времени uVD 0 , значит, все напряжение вторичной об-

мотки трансформатора прикладывается к нагрузке – резистору Rd, т. е. выпрямленное напряжение ud u2 при любом θ из интервала 0 .

16

повторять форму выпрямленного напряжения, поскольку их мгновенные значения связаны прямой пропорциональностью.

Во втором полупериоде (при 2 ) полярность напряжения u2

меняется на противоположную. Эта полярность питающего напряжения обеспечивает на диоде VD обратное напряжение (минус на аноде) при любом θ из рассматриваемого интервала: uVD u2 . Поэтому диод будет за-

крыт, выпрямленный ток (ток нагрузки) отсутствует ( id 0) и выпрямленное напряжение (напряжение нагрузки) равно нулю ( ud 0 ).

Установим основные расчетные соотношения для данной схемы выпрямления. Параметры питания нагрузки Ud и Id обычно известны заранее; все остальные величины удобно выразить именно через них.

1. Среднее значение выпрямленного напряжения (имеем в виду, что за весь период к нагрузке будет приложена лишь одна полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора):

4. Максимальное обратное напряжение на диоде (имеем в виду, что к диоду во второй полупериод приложена полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора):

5. Коэффициент пульсаций q и частота пульсаций f выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по основной гармонике можно определить как отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного

напряжения: q U(1) m . Для однополупериодной схемы q = 1,57.

Ud

17

Частоту пульсаций выпрямленного напряжения определяют по отношению к частоте питающего напряжения: определяют, сколько пульса-

f fс ,

где fс – частота напряжения сети.

6. Расчетные параметры трансформатора.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Заметим, что в данной схеме ток вторичной обмотки трансформатора является несинусоидальным (рис. 2.4), поэтому соотношение между действующим и амплитудным (максимальным) значениями тока отличается от аналогичного соотношения в цепях синусоидального тока (вспомним, что

3 θ

Рис. 2.4. Формы тока вторичной и первичной обмоток трансформатора:

1 – форма тока вторичной обмотки трансформатора и тока нагрузки; 2 – ток первичной обмотки трансформатора

(получается путем исключения из тока вторичной обмотки постоянной составляющей); 3 – основная гармоника тока первичной обмотки трансформатора

18

Действующее значение тока в первичной обмотке можно определить из уравнения намагничивающих сил трансформатора. Пренебрегая малым намагничивающим током и учитывая, что постоянная составляющая тока

Таким образом, действующие значения токов обмоток трансформатора связаны со средним выпрямленным током следующими равенствами:

Расчетная мощность трансформатора определяется как полусумма мощностей его первичной и вторичной обмоток. Мощность первичной обмотки трансформатора:

Отметим основные особенности данной схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления характеризуется низким значением среднего выпрямленного напряжения, сложными условиями работы вентилей, низким качеством выпрямленного напряжения (высоким коэффициентом пульсаций и низкой их частотой), использованием трансформатора

19

только на 1/3 мощности. Это обусловливает относительно редкое применение данной схемы на практике – в основном в маломощных источниках питания электроаппаратуры, не требующей высокого качества питающего напряжения.

2.3. Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора при активной нагрузке

Для данной схемы выпрямления чаще употребляется более короткое название – двухполупериодная схема с нулевым выводом. Вторичная обмотка трансформатора в этой схеме состоит из двух одинаковых полуобмоток. Обычно положительные направления напряжений в этих полуобмотках принимаются такими, как указано на рис. 2.5, а, т. е. к нулевой точке.

Рассмотрим принцип действия данной схемы. Пусть в первом полупериоде полярность напряжения на вторичных полуобмотках трансформатора такая, что на левом выводе каждой полуобмотки потенциал положительный, а на правом – отрицательный. Тогда диод VD1 будет открыт (на аноде – плюс), а диод VD2 будет закрыт (на аноде – минус). Значит, ток через нагрузку будет протекать под действием напряжения первой полуобмотки u21, замыкаясь по цепи: точка а – диод VD1 – нагрузка Rd – точка 0.

Поскольку диоды считаются идеальными, то к нагрузке в любой момент времени, соответствующий первому полупериоду (т. е. интервалу 0 ) будет приложено напряжение источника питания, иными словами, напряжение первой полуобмотки ud u21 . Форма тока в нагрузке бу-

дет повторять форму напряжения на ней, потому что нагрузка предполагается активная.

К закрытому диоду VD2 в течение этого интервала приложено обратное напряжение, равное напряжению двух полуобмоток, поскольку в силу того, что диоды считаются идеальными, падения напряжения на VD1 нет, значит, потенциал точки а трансформатора будет приложен к катоду VD2.

Во втором полупериоде ( 2 ) полярность напряжения на вторичных полуобмотках изменяется на противоположную: на левом выводе каждой полуобмотки оказывается отрицательный потенциал, а на правом – положительный. Рассуждая аналогично, легко видеть, что диод VD2 будет открыт (на аноде – плюс), а диод VD1 будет закрыт (на аноде – минус). Значит, ток через нагрузку будет протекать под действием напряжения второй полуобмотки u22, замыкаясь по цепи: точка х – диод VD2 – нагрузка Rd – точка 0. К нагрузке в этом интервале будет приложено напряжение ud u22 . К закрытому диоду VD1 приложено обратное напряжение, равное

напряжению двух полуобмоток.

20