Бар В. И. Курс лекций «Основы преобразовательной техники»

V4, VD2, «–» источник переменного напряжения (см. рис. 3.3). Ток i1 в индуктивности L нарастает (см. рис. 3.4 б). При достижении током i1 заданного значения iзад.max транзистор V4 выключается на индуктивности L возникает ЭДС самоиндукции uL со знаками, указанными на рис. 3.3. Под действием суммарного напряжения (u1 + uL) через обратные диоды VD1, VD2 происходит заряд конденсатора Сd и аккумулятора E. При спаде тока i1 до заданного значения iзад.min снова включается транзистор V4 процессы повторяются, остальные транзисторы при этом выключены. При подаче на вход отрицательной полуволны напряжения u1 процессы происходят аналогично, но ток проходит через другие вентили и коммутируется либо V2, либо V1.

Как видно из рис. 15.4, при несимметричном способе управления форма тока i1, формируемого управляемым выпрямителем напряжения, сильнее искажается в моменты времени перехода напряжения u1 через нуль по сравнению с симметричным управлением, т.к. при малых входных напряжениях отсутствует источник энергия для запасания энергии в дросселе L. При симметричном способе управления данная энергия поглощается из конденсатора Сd или аккумулятора Е, поэтому форма тока i1 становится практически синусоидальной.

15.4. Полумостовая схема управляемого выпрямителя напряжения.

Рассмотрим еще работу однофазного управляемого выпрямителя напряжения по полумостовой схеме (с удвоением напряжения или с нагрузкой в виде разделенной противоЭДС), приведенного на рис.15.5.

Рассмотрим вначале работу этой схемы при запертых (отсутствующих) транзисторах. Пусть на вход схемы подается переменное напряжение u1. На выходе включены конденсаторы, при заряде которых создается противо-ЭДС, разделенная на две части.

Рисунок 15.5 - Однофазная полумостовая схема.

При положительных полупериодах заряжается один конденсатор, а при отрицательных второй. Так как каждый из конденсаторов может зарядиться до амплитуды переменного

необходимо, чтобы каждая половина противо-ЭДС была больше амплитуды напряжения на входе (E/2) >U1m . При этом тока в цепи не будет. Если в момент t1 при положительной полуволне напряжения (рис. 15.6) включить транзистор V2 (см. рис. 15.5), то в цепи возникнет короткое замыкание, и ток пойдет по контуру: «+» источника переменного напряжения, L, V2, нижний конденсатор Cd, «–» источника переменного напряжения. Ток i1 в индуктивности L начнет нарастать. Зададим максимальные и минимальные значения тока изменяющимися по синусоиде, совпадающей по фазе с напряжением u1. При достижении в момент t2 заданного

92

значения тока iзад.max транзистор V2 выключается, и на индуктивности L возникает ЭДС самоиндукции uL со знаками, указанными на рис. 15.5. Под действием суммарного напряжения (u1 + uL) происходит заряд верхнего конденсатора Сd и аккумулятора Е (участок t2

– t3). При спаде тока i1 до заданного значения iзад.min V2 включается снова, процессы повторяются.

Рисунок 15.6 - Осциллограммы токов и напряжений в однофазной полумостовой

схеме.

При подаче на вход отрицательной полуволны напряжения u1 процессы происходят аналогично, но ток проходит через транзистор V1 и верхний конденсатор Сd, когда энергия запасается в индуктивности L, и диод VD2 и нижний конденсатор Сd при отдаче запасенной энергии в нагрузку.

Реакторы на входе всех схем управляемых выпрямителей напряжения являются обязательными элементами схемы, так как именно в них происходит накопление энергии, необходимой для повышения напряжения. Их роль могут выполнять индуктивности рассеяния трансформатора, включенного между сетью и входом вентильного моста.

Если заданный ток совпадает с напряжением питания по форме и по фазе, то cos ϕ =1, и схема обладает высокими энергетическими показателями. Для регулирования напряжения на выходе достаточно изменять амплитуду заданного тока iзад. При этом сохраняется высокий

cos ϕ.

Вместо рассмотренного релейного регулирования может применяться ШИМ. При этом формируется гладкая составляющая напряжения на зажимах ab (см. рис. 15.3, 15.5) так, чтобы под действием разности этого напряжения и напряжения сети протекал синусоидальный ток, сдвинутый на заданный угол, например, на угол равный нулю.

Таким образом, управляемые выпрямители напряжения позволяют потреблять из сети

ток заданной формы и обеспечивать при регулировании cos ϕ =1.

Чем меньше разница между максимальными и минимальными значениями формируемого тока, то есть, чем меньше допустимые отклонения тока от заданного значения, тем выше частота коммутации и больше коммутационные потери. Одновременно уменьшается амплитуда и растет частота высших гармоник тока. Поэтому приходится искать оптимальные соотношения.

93

Лекция №16. Обратимый преобразователь напряжения как выпрямитель/инвертор.

16.1. Обратимые преобразователи напряжения автономный инвертор напряжения – управляемый выпрямитель напряжения.

Если сравнить схемы управляемых выпрямителей напряжения и автономных инверторов напряжения), то можно увидеть, что они идентичны. Их различие состоит в том, что в управляемых выпрямителях напряжения на входе действует источник переменного напряжения, а нагрузкой является противо-ЭДС; в автономных инверторах напряжения на входе действует источник постоянного напряжения, а на выходе нагрузка, роль которой может выполнять двигатель или сеть переменного напряжения (их противо-ЭДС). Если автономный инвертор работает на сеть переменного напряжения, в которой есть другие источники переменного напряжения, то частота и величина напряжения на его выходе определяются напряжением этой сети. Таким образом, автономный инвертор как бы превращается в ведомый.

Следовательно, управляемый выпрямитель напряжения и автономный инвертор напряжения являются обратимыми преобразователями напряжения. Иными словами, обратимый преобразователь напряжения (ОПН) может работать в выпрямительном и инверторном режиме, передавая энергию из сети переменного тока в цепь постоянного и обратно, то есть, меняя направление потока мощности. При этом изменяется направление тока при неизменной полярности напряжения. Обратите внимание на то, что в однокомплектном рекуперирующем тиристорном преобразователе, работающем в выпрямительном и инверторном режиме, также обеспечивается изменение направления потока мощности. Но при этом изменяется полярность напряжения при неизменном направлении тока.

ОПН могут применяться в двух случаях:

1)для получения постоянного напряжения от сети переменного с возможностью рекуперации энергии;

2)для питания асинхронного двигателя от сети постоянного напряжения с возможностью регулирования скорости и рекуперативного торможения.

В первом случае основным является выпрямительный режим, а инверторный – вспомогательным; во втором случае основным является инверторный режим, а выпрямительный – вспомогательным. В первом случае частота и напряжение на выходе инвертора определяются частотой и напряжением сети, и автономный инвертор превращается как бы в ведомый. Во втором случае частота и напряжение на выходе инвертора определяются системой управления и регулируются ею. В ОПН напряжение в цепи постоянного тока с помощью системы автоматического регулирования обычно поддерживается постоянным или при переходе из одного режима в другой изменяется в небольших пределах. В отличие от обычного ведомого инвертора коммутация в автономном инверторе, работающем на сеть переменного тока, в которой есть другие источники энергии, осуществляется не за счет энергии сети, а с помощью полностью управляемых ключей.

В ОПН для формирования переменного тока может применяться как ШИМ, так и релейное регулирование.

На рис. 16.1 приведены осциллограммы токов и напряжений в однофазном мостовом ОПН при его работе в выпрямительном и инверторном режиме и релейном регулировании с симметричным способом управления вентилей. На осциллограммах видно, что преобразователь работает с углом сдвига между напряжением и током, потребляемым из сети, равным 0°, или возвращаемым в сеть, равным 180°, при высокой синусоидальности тока.

Анализ процессов в обратимых преобразователях напряжения при формировании токов, потребляемых из сети

Управляемый преобразователь напряжения работает, как описано выше, только при выполнении определенных условий. Рассмотрим процессы вначале на примере обратимого однофазного мостового преобразователя напряжения.

94

Если принять допущение об идеальности всех элементов, то должен выполняться баланс мощностей на входе и выходе схемы

выпрямленный (или инвертируемый) ток; ϕ – угол сдвига между напряжением сети и током, потребляемым из сети (или отдаваемым в сеть).

При выполнении равенства (16.1) одновременно не должно нарушаться соотношение

Ud >U1m , (16.2)

где U1m – амплитуда напряжения сети.

Если нарушится соотношение (16.2), то нарушается описанная работа схемы. Поэтому в области нормальной эффективной работы управляемого выпрямителя напряжения должно выполняться соотношение (16.2).

Таким образом, управляемый выпрямитель напряжения регулирует выпрямленное напряжение выше выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя, работающего на емкость, а управляемый выпрямитель тока ниже выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя.

95

cos ϕ = −1. В дальнейшем рассмотрим только эти случаи. Тогда уравнение (16.3) запишется так

U1I1 Ud Id I12R

(16.4).

Знак «+» соответствует выпрямительному режиму, а «–» инверторному. Перейдем от действующих к амплитудным значениям токов и напряжений

относительным единицам, приняв за базовые величины амплитуду напряжения сети U1m, амплитуду сетевого тока при коротком замыкании за реактором I1m.max и полное внутреннее сопротивление фазы Z, определяемое параметрами реактора. Полное внутреннее сопротивление фазы

Z R2 ( L)2 ,

(16.6)

а амплитуда тока, потребляемого из сети при коротком замыкании за реактором,

Здесь верхние знаки соответствуют выпрямительному режиму, а нижние – инверторному.

Выражение (5.10) позволяет связать ток на выходе выпрямителя (входе инвертора) с заданным током, потребляемым из сети (или отдаваемым в сеть).

Можно получить уравнение внешней характеристики при заданной амплитуде тока

сети

(инвертируемого) напряжения Ud* от выпрямленного (инвертируемого) тока Id*.

Если опустить звездочки в обозначениях, то получится запись уравнения внешней характеристики в абсолютных единицах. Рис. 16.3 иллюстрирует внешние характеристики при

97

формировании сетевого тока с заданной амплитудой I1m* и при определенном значении r*=0,1. Из рисунка видно, что ОПН позволяет существенно повышать постоянное напряжение при выпрямлении, а также существенно понижать переменное напряжение при инвертировании.

98

Раздел 5. Регуляторы переменного напряжения.

При питании большинства потребителей электроэнергией требуется регулировать некоторые ее параметры: напряжение, ток, частоту и т.д. Регулированием называется процесс изменения по заданному закону или поддержание неизменности (стабилизации) какого-либо параметра. Регулирование может быть произведено как вручную, так и автоматически. В схемах питания наиболее часто требуется автоматическое регулирование напряжения с целью его стабилизации на заданном уровне при различных возмущающих воздействиях.

Электронные устройства осуществляющие стабилизацию напряжения в пределах широкого диапазона уровней стабилизации называется регуляторами - стабилизаторами.

Если такое устройство предназначено для стабилизации напряжения в узком диапазоне, то его называют стабилизатором. При дальнейшем рассмотрении устройства, схемотехническое исполнение которых не налагает существенных ограничений на диапазон регулирования именуются регуляторами, а с ограниченными возможностями изменения выходных параметров - стабилизаторами.

Регуляторы-стабилизаторы напряжения так же как и регуляторы-стабилизаторы других параметров электрической энергии (например, тока или частоты) могут рассматриваться как преобразователи электроэнергии в том смысле, что они изменяют (преобразуют) ее параметры и качество.

В данном разделе рассматриваются преимущественно регуляторы-стабилизаторы напряжения. На выходное напряжение преобразователя электроэнергии влияют различные факторы: изменение выходного напряжения и тока нагрузки, температура окружающей среды и др. Поскольку эти факторы вызывают изменения выходного напряжения, их называют возмущающими. Точность поддержания выходного напряжения при воздействии различных возмущающих факторов характеризуется соответствующими параметрами стабилизации.

Обычно к регуляторам-стабилизаторам предъявляются требования стабильности, чтобы при всех возмущающих факторах отклонение выходного напряжения от установленного уровня не превышали значений, определенных для каждого конкретного случая.

Особенно жесткие требования по стабильности напряжения предъявляются к регуляторам стабилизаторам напряжения используемым в цепях постоянного тока, питающих радиоэлектронную аппаратуру.

Лекция №17. Регуляторы-стабилизаторы переменного напряжения.

Регуляторы переменного тока выполняются по различного типа схемам и стабилизируют ток различным образом. Прежде всего это связано с тем какой принцип положен в основу регулирования. Ниже будут рассмотрены несколько типов преобразователей: прерыватель напряжения с естественной коммутацией, регулирующий напряжение за счет “вырезания” из входного напряжения участков, вольтодобавочный регулятор, регулирующий напряжение за счет переключения коэффициента трансформации трансформатора. Существуют более сложные, но более функциональные преобразователи переменного напряжения со звеном постоянного тока, регулирующие напряжение за счет регулируемого инвертирования из предварительно выпрямленного входного напряжения, но они достаточно сложны и не будут рассматриваться в данном курсе.

17.1. Однофазный регулятор напряжения с изменяемым коэффициентом трансформации сетевого напряжения (вольтодобавочный регулятор)

На рис.17.1.а представлена упрощенная схема стабилизатора, отпайки автотрансформатора которого переключаются тиристорами VS1, VS3 и VS2, VS4. Стабилизация выходного

99

напряжения в данной схеме осуществляется изменением моментов переключения отпаек автотрансформатора. Положительный полупериод входного напряжения в проводящем состоянии могут находится тиристоры VS1 или VS2, в отрицательной – VS3 или VS4. Коммутации тиристоров в такой схеме происходят под воздействием напряжения автотрансформатора. Для обеспечения естественной коммутации тиристоров необходимо чтобы переключение происходило на отводы с более высоким потенциалом. Например, в положительную полуволну выходного напряжения включается VS2, а затем VS1. В этом случае при включении VS1 образуется короткозамкнутый контур, в котором развивается ток направленный встречно току нагрузки, протекающему через VS2. В результате тиристор VS2 выключается и ток начинает проводить тиристор VS1. Регулирование действующего значения выходного напряжения может в данной схеме производится плавно за счет изменений моментов переключения тиристоров. На рис.17.1.б представлена диаграмма выходного напряжения стабилизатора при чисто активной нагрузке.

а)

б)

а - схема; б - диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке.

Рис.17.1. Стабилизатор напряжения с тиристорами переключающими отпайки автотрансформатора:

100