Microsoft Word - PPEO1.doc

Препис

1 НИКОЛАЙ Ф. ДЖАГАРОВ ПРОМИШЛЕНИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЕЛЕКТРООБЗАВЕЖДАНЕТО ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ ВАРНА 7

2 Н.Ф.ДЖАГАРОВ Промишлени преоразователи в електроозавеждането. Варна, Технически университет, 7, 79 с. В ученика са разгледани основните преоразователи, използвани в електроозавеждането на промишлените предприятия и кораите. Разгледани са изправителите, преоразователите на променлив и постоянен ток, инверторите и преоразователите на честота. Анализирани са раотата им, основните им характеристики и управлението им. За студентите и инженерно-техническите раотници от предприятията, електроснадителните предприятия, кораостроенето, кораоплаването и кораоремонта.

3 ПЪРВА ГЛАВА ИЗПРАВИТЕЛИ. ПРИНЦИП НА РАБОТА И ОСНОВНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ.. Класификация на изправителите. Основни характеристики Изправителите служат за преоразуване на променливия ток в постоянен. Те се използват в различни оласти на промишлеността, транспорта, кораите, самолетите и т.н. Изправителите са предназначени за захранване на процеса на електролиза в цветната металургия и химическата промишленост, за захранване на постоянно токовите задвижвания, за възуждане на синхронните генератори и много други нужди на стопанството. Блок-схемата на изправител е показана на фиг... Захранващият трансформатор служи за съгласуване на входното и изходно напрежение на изправителя и за електрическото разделяне на захранващата мрежа от товара. Блокът от вентили (диоди, тиристори, транзистори) осъществява изправянето на променливия ток. Изглаждащият филтър 3 намалява пулсациите на изправения ток във веригата на товара 4. Блокът 5 включва системата за управление (СУ) и системата за автоматично управление (САУ). Схемата съдържа и лок за защита и сигнализация 6. При някои изправители могат да отсъстват някои от локовете. Класификация на изправителите: по мощност малка, средна, голяма; по рой на фазите еднофазни, трифазни; по топология на схемата със средна точка, мостови и др.; по фазност (пулсации) на изправяне три-, шест-, дванадесетфазно изправяне. От големия рой известни схеми на изправители практически се използват най-вече: трифазна със средна точка, шестифазна с уравнителен реактор и трифазна мостова схема. Трифазната схема със средна точка (фиг...в) се използва в уреди със средна мощност, и се използва като съставна част на по-сложни схеми (например, 6-ти фазна с уравнителен реактор). 6-ти фазната с уравнителен реактор (фиг...г) и 3-и фазната мостова схема (фиг...д) се използват в уреди със средна и голяма мощност, като те осигуряват 6-ти фазно изправяне и имат дори технико-икономически показатели. Изправяне с -и кратна пулсация се получава чрез последователно/паралелно съединение на схемите на фиг...г и фиг...д. Такива схеми (фиг...е и фиг...ж) подоряват съществено формата на черпения ток от мрежата и намаляват пулсациите в изправеното напрежение. При изследването, проектирането и управлението на изправителите (И) най-често е неоходимо да се определят следните параметри. Параметри, характеризиращи раотата на вентилите (В): I в. ср и I в ; U ор.max ; U пр. max. Параметри, определящи параметрите на трансформатора (Тр): U ф, I ; I ; S, S, S тип. Освен това: хармоничния състав на U d и на I ; външна характеристика на И - U d ;=f(i d ); регулировъчна характеристика - U d ;=f(α); коефициент на мощност - χ; к.п.д. - η. СУ 3 ЗС 6 Фиг... 3

4 Точното аналитично определение на тези параметри е много трудно, затова се приемат определени идеализации. Най-често се приема, че вентилът е идеален ключ, т.е. в отпушено състояние има нулево съпротивление, а в запушено езкрайност. Приема се и, че трансформаторът е идеален, т.е. пренерегват се активните съпротивления на намотките r w, r w, индуктивностите на a в г д е ж Фиг... разсейване l l, намагнитващия ток I μ., загуите в сърдечника на трансформатора... Еднофазен двуполупериоден изправител със средна точка Неуправляем режим при активен товар Схемата е показана на фиг..3. Понякога наричат схемата двуфазна, т.к. вторичната намотка на трансформатора (w ) създава (чрез нулата ) две напрежения, изместени на 8. Да разгледаме раотата на схемата при R-товар (ключ К е затворен). Фазното напрежение на w на трансформатора: u = U sinω U sin ; (..) ф = ф i B i d u B B i B u d u R d L d Фиг..3. K 4

5 където: u, U ф - съответно моментната и ефективната величина на фазното напрежение; ω = ; ω - ъгловата честота на захранващото напрежение u ; u d, i d u d времето. Нека в интервала - I m U d (фиг..4.а) горният край на w, а отелязан с точка, е положителен по отношение на средната точка. Разглеждайки контура, отелязан с пунктирна линия, можем да i B I m установим, че анодът (А) на вентила В е положителен по отно- шение на катода (К), и В е отпушен. По този начин към товара R d i I m в е присъединено u. В е запушен, u т.к. U B В <. През следващия интервал г - полярността на u се сменя и вентилите си сменят ролите. Прехвърлянето на тока от В на В ще стане при, когато u си смени знака, този процес се нарича комутация. Изправеното напрежение u d се състои от еднополяр- i B I d д ните полувълни на u. Кратността I d на пулсациите на u d по отношение i k T на честотата на мрежата е равна е на две. Формата на тока i d напълно повтаря u d (фиг..4.а). Първичният ток на трансформатора i w =i Фиг..4. е синусоидален (фиг..4.в), т.к. всяка половина на w, редувайки се през Т/, пропуска полувълната на синусоидалния ток в противоположни посоки. На фиг..4.г е показано напрежението на вентила u B. Характеристиките на раота на изправителите се изразяват чрез количествени съотношения, свързващи всички токове и напрежения на схемата. Оикновено те се изразяват в относителни единици с две азисни величини: ефективното фазно напрежение U ф и средният изправен тока I d. Средното изправено напрежение: T U d = ud d = U ф sin d = U ф =,9U ф T. (..) Uо.м Максималното оратно напрежение на вентила - фиг..3.г: U о.max = U ф =,84U ф. (..3) Средният изправен ток I d = U d / Rd, а средният ток през вентила I B.ср = I d /, максималният I B.max = I d /. Отчитайки, че в проводящия полупериод токът на вентила е синусоидален, а в не проводящия нулев, ефективната му величина (на w ) е: 5

6 I B I d = I = iв d =. (..4) 4 Мощността на трансформатора при номинален товар (I d =I d.nom ): I d.nom S = U ф I nom = kt U d = Pd. nom ; (..5) kt 8 където: I nom - номинален ефективен ток на w ; Pd.nom = I d.nom. U d - номинална мощност на постоянен ток. Сумарната мощност на двете вторични намотки: S = U ф I nom = U d I d.nom = Pd. nom ; (..6) 4 4 където: I nom - номинален ефективен ток на w. Проектната мощност на трансформатора: S + S ST Pd.nom =,48 Pd. nom = = + 8 4, (..7) е с 48% по-голяма от мощността на товара. Неуправляем режим при RL-товар Ключ К е отворен. L d оикновено е изглаждащ дросел, който влияе на пулсациите на i d, а също така на токовете, протичащи в трансформатора и вентилите. Очевидно е, че колкото индуктивността L d е по-голяма, толкова токът i d е по-изгладен. Изразът за моментното значение на изправения ток ще се получи от следния израз за веригата на товара: d U ф.sin = ω Ld id + Rd id. d (..8) Rd Характеристичното уравнение ще има следния вид p + =, ω L решението на което е d Rd p =. ω Ld За изправения ток решението в ощ вид ще е: Rd ω i ( ) i i Ae Ld d = d.cв + d. = + id. ; (..9) където: id. cв - своодна съставка, зависеща от началните условия; i d. - принудена съставка, предизвикана от действието на източника u. Принудената съставка се намира от частното решение на (..8): u U ф id. = = sin( ϕ ); (..) Z d Rd + ( ω Ld) където arcg( ω / ) ϕ = Ld Rd. Константата А на своодната съставка ще се изчисли от граничното условие. При == id = (виж фиг..4.а): U ф U id ( ) = = A sinϕ R + ( ω L ) ; ф откъдето: A = sinϕ. (..) R + ( ω L ) d d Окончателно, за изправения ток ще получим: d d 6

7 Rd U ф ω = ( ϕ ) + ϕ Ld i d sin sin. e + ( ω ). (..) Rd Ld На фиг..5 са построени изчислените по горната формула i d в относителни единици [o.e.], като значенията на gϕ = ω Ld / Rd са приети като параметър. Удоно е да се приеме L d = и, че i d е идеално изгладен. По този начин се получават много прости съотношения за id I токовете в изправителя. При крайна, d,6 gφ= но достатъчно голяма L d,4 5 ( ω Ld / Rd 5 ) разликата от случая,, L d = ще ъде незначителна. Голямата L d изменя формата на токовете,,8,6 формата на U d и U в са като при чисто,4 R-товар (фиг..4., фиг..4.д), което, се ояснява с мигновената комутация (считаме, че Тр е идеален и L s =). I в =I d е правоъгълен с продължителност 8 (фиг.4.д), I също е правоъ- Фиг..5. гълен (фиг.4.е). Ефективната стойност на тока на В (на w ): I B = I = I d d = I d. (..3) Раота на неуправляем изправител на противо е.д.н. i B Товар с противо е.д.н. се среща в електрохимията и електрозадвижванията. B Такъв товар има соствено е.д.н. Е, насочено против е.д.н. на изправителя, в резул- u u d R d L d тат на което i d ще се определя от разликата i ud E i d на тези две е.д.н id = (приемаме, че K E u B Rd L d =, ключ К е затворен). а На фиг..6.а е показана схемата на B изправителя, а на фиг..6. времедиаграмите. Моментът на включване на В - ще u d, i d u d се определи от следното уравнение: i E d sin =E / U ф. Интервалът от време, през който В е отпушен: λ = =. 3 4 Вентил В се включва в следващата Т/ и i В ще провежда в интервала 3 4. Токът i d в ще има прекъснат характер. Средният ток λ през товара: i + λ / г I d = ( U ф cos E) d (..4) Rd λ / Фиг..6. При включване на L d (ключ К отворен) уравнението, описващо процесите ще има следния вид: 7

8 d ud = E + Ld id + Rd id, d което може да се препише във вида: [ ud E Ld d id / d] id =. Rd (..5) (..6) При Ld= моментният и средният изправени токове съвпадат, а променливата съставка на u d изцяло пада върху изглаждащата индуктивност. Следователно, може да се запише id = I d и: d ud Ld id = U d ; d (..7) откъдето: U d E I d =. R (..8) d Както се вижда от тази формула, противо е.д.н. довежда само до изменение на средното значение на изправения ток. Формата на i B, i и u B.ор остават същите както и в случая на раота изправителя на RL-товар. Управляем режим при раота на активен товар Нека Ld= (ключ К е затворен) фиг..7. На фиг..8.,в са показани съответните времедиаграми на променливите на режима на раота на изправителя. i B При използване на B управляеми вентили u u d (тиристори) може R d L d плавно да се регулира изходното нап- i i d u B K режение U d, при това съществено се изменя режимът на B раота на изправителя. Изменят се Фиг..7. режимите на раота на вентилите и формите на кривите на напреженията и токовете. Управлението на вентилите се изразява в задържането на момента на включване им по отношение на момента на естественото им отпушване, когато напрежението на вентилите става положително. Вентил В, ако еше диод, и трявало да се отпуши при =. Но управляващ импулс (УИ) се подава в момент, като се осъществява ъгъл на управление α=. За този период В и В са запушени и u d =. При напрежението на R d ще се измени със скок и след това ще се изменя по синусоидата на u ф. При u ф сменя знака си, i B = и В ще се запуши. През периода 3 =α В и В са запушени, а при 3 В се отпушва. При 4 се запушва В, а след α отново се отпушва В. 8 a в г φ u d i d α u В i U пр.м i α i d u d 3 4 u В α Фиг..8. Uо.м u d, i d u d α i d + + I d u В i α U пр.м i І i u B U о.м

9 При R d товар формата на изправения ток i d повтаря u d. На фиг..8 е показан случай на α=6. За периода В е приложено положително u ф, влизащо в контура, очертан с пунктир. През периода В е отпушен и u B =. В момент = i d = и В се запушва и се появява отрицателно напрежение u B = u ф, т.к. и В е запушен. В момент 3 =+α се включва В и към В се подава u.лин (виж контура със щрих-пунктира). Формата на тока i се определя от условието за компенсация на м.д.н. на w и w на трансформатора. Средното значение на изправеното напрежение: + cosα U d = U ф sind U ф ( cosα ) U d = + = ; (..9) α където: U d - значението на U d при α=. Регулировъчната характеристика (..9) показва, че при R-товар пределен ъгъл на управление, при който U d =, е α max =8. Управляем режим при раота на RL- товар Нека Ld (Ld= ) (ключ К е отворен). Процесите в изправителя се отличават съществено от режима при R-товар. При включване на В в момент =α (фиг..8.г), той ще провежда до =+α, когато ще се включи В и ще се извърши комутация. Изправеното напрежение u d на някои интервали α, и (+α) ще стане отрицателно, което се ояснява с поддържането на тока в товара от запасената в L d енергия. Средното изправено напрежение: + α U d = U ф sind U d cosα =. (..) α Както се вижда от тази формула, регулировъчната характеристика в този режим се отличава от режима при R-товар (..9). Пределният ъгъл на управление е α max =9. Кривата на u B е показана на фиг..8.д. През периода = α В е отпушен, а В запушен. Към В е подадено положително u.лин (виж контура със щрих-пунктирна линия). През интервала =α (+α) вентил В е отпушен и u B =. При =(+α) се отпушва В, токът преминава от В към него и В се запушва. След запушването към В се подава отрицателно u.лин. След момента = u B сменя знака си и процесите се повтарят. Съотношенията между токовете в елементите на схемата не зависят от ъгъл α и се определят по формулите за неуправляем изправител. Формата на i B представлява правоъгълни импулси с λ=8 и амплитуда I d. Първичният ток i както и при неуправляемия изправител има правоъгълна форма и моментите на прехода през нула изостават по отношение на захранващото напрежение u на ъгъл ϕ =α. При неуправляем изправител първият хармоник i I съвпада по фаза с u (фиг..4), а при α i I изостава по фаза на ъгъл ϕ =α по отношение на u. В следствие на което, cosϕ на управляемите изправители е толкова по-нисък, колкото α е по-голям. Управляем режим при използване на нулев вентил Регулирането на u d влошава коефициента на мощност на изправителя от мрежата се черпи реактивна мощност. За намаляване на това явление се използва така нареченият нулев вентил В фиг..9. Използването на В е целесъоразно при голяма величина на L d, нека L d =. В интервала В е отпушен 9

10 (фиг...). При и отсъствие на В u d сменя полярността си и т.а има отрицателен потенциал по отношение на т.. Използването на В изключва появата на отрицателно u d. На изхода на изправителя не може да възникне отрицателна полувълна, т.к. В шунтира изхода на И. Следователно, след се включва В, който прехваща товарния ток i d, протичащ по контура, показан с пунктир. В при това се изключва, т.к. му се подава отрицателно напрежение. В ще провежда до, когато се включва В. При това u d скача до положителна величина, определяема от ъгъла на управление α, и В се запушва, в резултат на което в интервала 3 u d =. В раоти в интервала 3 4. В момент 4 отново се отпушва В и захващайки i d, го поддържа до отпушването на u d i d u В, след което цикълът се повтаря. i d d i B B Следователно В u u d α I се включва два d а R d L d α пъти за период на i A захранващото 3 4 i d B Фиг..9. B напрежение за времето, съответстващо на ъгъла на управление α. На фиг...в-е са показани токовете на вентилите и i. Както се г вижда от..е, първият хармоник на i (показан с пунктир) винаги е изместен по отношение на синусоидата на напрежението на ъгъл α/ д (ез В ъгъл α). От това следва, че изправителят с В има по-голям cosϕ, отколкото ез В. Сравнението на фиг..8. и фиг... показва, че U d зависи от α по същия начин, като при раота на R-товар. Средният ток през раотния вентил: α = I d I B.cp.. (..) Ефективната величина на първичния ток: α = I d I. (..) k T Средният и ефективният ток през В са равни: α α I.cp = I d ; I = I d. (..3).3. Еднофазен мостов изправител Фиг... На фиг.. е показана схемата на изправителя. Нека отначало разгледаме режима на раота на R-товар (ключ К е затворен) при ъгъл на управление α= (т.е. неуправляем И), който се отмерва от нулата на синусоидата на u. През първия полупериод началото на w (отелязано с точка) е положително по отношение на края й. в i В α i В i -α I d I d α i, i i i α I k d T I d

11 При подаване на управляващи импулси (УИ) на вентилите В и В 3 те се отпушват и протича ток по контура, отелязан B i B B i d с пунктир, като към товара R d се пода- R d ва u. В и В 4 в това време са запушени, i i т.к. приложеното към тях напрежение u е u отрицателно. При смяна на полярността K L d на u се включва втората двойка вентили В и В 4, а В и В 3 се запушват интервал B 4 B 3. По този начин вентилните раотят по двойки, пропускайки през товар двете Фиг... полувълни на u. Изправеното напрежение u d, показано на фиг...а, представлява еднополярните полувълни на захранващото променливо напрежение, като кратността на пулсациите по отношение на честотата на мрежата е две. Формата на i d напълно повтаря u d. На фиг...,в са показани токовете през вентилите i B и на намотката w i. В определен маща кривата на i е и крива на i. На фиг...г е показано и напрежението u B. u d, i d Средното изправено напрежение: u d T id U d U d = ud d = U ф =,9U ф T. (.3.) а Максималното оратно напрежение на вентила: i В I m U о.max = U ф =,4U ф. (.3.) i, i в u d, i d u d u В г i d i α В I d а д 3 4 i, i е Uо.м Фиг... Пълните мощности на w и w са равни между сее си и са равни на типовата мощност на трансформатора: S = S = ST. (.3.3) Раота на RL-товар (L d = ) и α=. Изменят се само токовете в елементите и тяхната форма, като не се изменя процесът на комутация, т.е. преходът на тока от една двойка вентили на друга се извършва при u =. Токът на вентила i B има вид на правоъгълни импулси с амплитуда, равна на амплитудата на изправения ток I d - фиг...е. Формата на токовете във w и w е правоъгълна фиг...е. Раота на R-товар и α. При на В и В 3 се подават управляващи импулси в г д е u В α i, i α u d, i d + + i d α I d u В α i, i, i i α φ U пр.м i U пр.м u d 3 i І Uо.м U о.м Фиг..3.

12 (фиг..3.а) и вентилите се отпушват, и пропускат ток през R d през интервала. В момент токът става и В и В 3 се запушват, като в интервала 3 остава запушени. При 3 се подават УИ на В и В 4, които раотят аналогично на В и В 3, но с изместване на 8 (интервал 3 4 ). Кривите на u d и i d при α=6 са показани на фиг..3.а, които са аналогични на съответните кривите за еднофазния изправител със средна точка, като са аналогични и количествените съотношения. На фиг..3. е показана кривата на u B, при предположение, че вентилът не е идеален ключ, а има в оратна посока голямо, но крайно съпротивление R B >>R d. В интервала, когато всички вентили са запушени, напрежението на В е положително и u B =u / (виж контура, показан със щтрих-пунктир). В интервала u B =, т.к. е отпушен и провежда ток. В интервала 3 всички вентили са запушени и оразуват мостова схема от 4 еднакви съпротивления R B. Т.к. полярността на u вече се е сменила, то към В е приложено u / в оратна посока. При 3 се отпушват В и В4 и към В се прилага пълното u с отрицателна полярност (интервал 3 4 ). Същото напрежение се прилага и към В 3. U B.ор.max = U ф както и при неуправляем изправител. Максималното право напрежение на вентила: U B.пр.max = U ф sinα. (.3.4) Както се вижда от фиг..8 и фиг..3 формата на i B е еднаква както за еднофазния мостов изправител, така и за еднофазния със средна точка, Следователно, еднакви ще ъдат и средните и ефективни стойности на токовете. Раота на RL-товар и α (L d = ). При се подават УИ на В и В 3, и те се отпушват. Както се вижда от фиг..3.г, токът през В и В 3 не се прекъсва в момента, когато u =, както еше при чисто активен товар, а продължава да тече до момента на комутация на следващата двойка вентили момент 3. Кривата на u d е аналогична на тази на еднофазния двуполупериоден изправител със средна точка. Регулировъчната характеристика ще се определя по формула (..). Кривата на u B е показана на фиг..3.д. На интервала са отпушени В и В 4, а както се вижда от фиг.., към В и В 3 е приложено положително U ф. В интервала 3 В е отпушен и напрежението му е нула. В момент 3 токът I d се прехвърля на В и В 4, а на В и В 3 се подава отрицателно напрежение U ф. U B.ор.max = U ф, а максималното право напрежение на вентила: U B.пр.max = U ф sinα. (.3.5) Използване на непълен рой управляеми вентили В мостовите схеми може да се използват тиристори само като половината вентили на схемата, което спестява средства и опростява управлението. По- B i B B B i B i u i i d R d i i u R d i d B 4 B 3 L d B 4 B 3 L d Фиг..4. Фиг..5.

13 лучават се полууправляеми или несиметрични схеми. На фиг..4 (катодното рамо В и В са тиристори) и фиг..5 (по един вентил в двете рамена В и В 4 са тиристори) са показани два възможни варианта на изправителя. Т.к. вентилите провеждат по двойки, то в двата полупериода ще раотят двойки вентили, единият от които е тиристор. Раотят едновременно или В и В 3, или В и В 4. Нека в интервала са отпушени В и В 3 (фиг..6.в). При u сменя знака си, в резултат на което се извършва комутация на тока в анодното рамо на диодите и i d се прехвърля от В 3 на В 4. В катодната група в този момент не може да стане комутация, т.к. тиристорът В е изключен. В групата на тиристорите комутацията се извършва при подаване на УИ на следващия вентил В. По този начин, от момента на преминаване на u през до момента на а в г д е ж з и φ к i,i,i i л φ α i В i В3 i В i В4 i,i,i i i В i В3 i В4 i В α i d α +α u d I d I d I d α 3 4 i i i i Фиг..6. -α включване на поредния тиристор, т.е. в интервала α и (+α) токът на товара преминава през два последователно съединени вентила [В и В 4 в интервала (+α)]. u d в тези интервали е (изходът на изправителя е даден на късо) и токът в товар се поддържа за сметка на енергията, запасена в L d. На фиг..6.г-з са показани кривите на токовете на вентилите и на w и w. Токовете на тиристорите и диодите не се отличават от раотата на изправител само с тиристори, но са изместени на ъгъл α един по отношение на друг, в резултат на което в първичния ток има интервали i =, както при двуполупериодния изправител с Д. Напрежението u d има същия вид, като при раота на R-товар. Процесите в изправителя на фиг..5 се отличават. През интервала са отпушени В и В 3, и u d =u. При, когато u си сменя знака, токът ще се прехвърли от В на диода В. Комутацията в анодното рамо се задържа, т.к. тиристорът В 4, който трява да поеме товара, е запушен, затова до неговото отпушване i d ще се шунтира през двата диода В и В 3, товарът ще ъде изключен от захранването (u d =). Вентил В 4 ще се отпуши при 3 =(+α) и ще се извърши комутация от В 3 на В 4, и отново на товар ще се появи напрежение u d =u. Вентилът В 4 ще провежда ток до появата на положително напрежение на диода от същото рамо В 3 ( 4 =). След прехвърлянето на тока от В 4 на В 3 (при отпушен В ) в u d = ще се появи пауза с дължина Δ=α. По този начин, кривата на u d за изправителя на фиг..5 ще има същия вид както при раота на R-товар. Продължителността на проводимост λ на диодите и тиристорите ще ъде различна. Диодите са отпушени от момента на появата на положително напрежение (=, ) до отпушването на тиристорите от същото рамо (+α, +α), т.е. в течение на λ=+α. Проводимостта на тиристорите е по-къса λ=-α. На фиг..6и-н са показани токовете на вентилите и на w и w. По енергетическите си характеристики двете схеми на изправителя фиг..4 и фиг..5 са равноценни. Кривите на u d и i са еднакви с тези на ед 3

14 нофазен двуполупериоден изправител с Д. Регулировъчната характеристика на двете схеми се описва с формула..9. Както се вижда от фиг..6.н, първият хармоник на i е изместен по отношение на u на ъгъл α/, т.е. cosϕ =cosα/, в резултат на което cosϕ е по-висок от този на изправителя, имащ само тиристори..4. Трифазен изправител със средна точка Раота на R-товар при α=. Ъгълът на управление се измерва от точката на пресичане на синусоидите на фазните напрежения на w на трансформатора. Вентилите раотят по ред по /3 от периода. Отпушен е този вентил, потенциалът на анода на който по отношение на нулевата точка на трансформатора е по-висок от другите вентили. Например, в момент (фиг..8.) е отпушен В, в момент i A i AB i a токът се u a u b u c u a B прехвърля от i B i i b BC В на В и В i c B е отпушен а i C i CA до 3. В момент 3 токът се прехвърля на В3, който е отпушен до 4, Фиг..7. след което токът се прехвърля отново на В i и цикълът се повтаря. В в Комутацията (прехвърлянето на тока от вентил на вентил) се извършва в моментите, съответстващи на пресечните г u В /3 4/3 точки на синусоидите на фазните напрежения. Следователно, кривата на u d се получава като овиваща на синусоидите на фазните напрежения на w (фиг..8.в). Токът на В (i B =i ) е показан на фиг..8.г. Фиг..8. Кривата на оратното напрежение може да се построи графично като разлика между потенциалите на катода и анода на вентила. Потенциалът на катода на В по отношение на (фиг..8.) се изменя по овиващата на синусоидите на фазните напрежения потенциала на положителния полюс на товара. Потенциалът на анода се изменя по синусоидата на фазното напрежение u a. Следователно, ординатите, между u d и u a дават моментните величини на u B.ор фиг..8.д. От фиг..8.,д се вижда, че u B.ор се формира от участъци на синусоидите на линейните напрежения u ab, u ca. Отчитайки периодичността на кривата на u d, средното напрежение ще се определи като интегрираме u d за една трета от периода: + / U d = U ф cos d = U ф =,7U ф. (.4.) / 6 R d i d B 3 L d K Максималното оратно напрежение е равно на амплитудата на линейното напрежение на w : u d i d i d 3 4 u d Uо.м 4

15 U ор.max = 6 U ф =,45U ф. (.4.) Формата на тока в w - i може да се намери по следния начин. При съединение на w в триъгълник Δ токът на всяка фаза протича независимо от токовете на другите фази. За опростяване нека роят на навивките на първичната и вторичната намотки са еднакви (w =w =w). В този случай фазният ток ще се намери чрез изключване от тока на w постоянната съставка, равна на I d /3. Това условие произлиза от принципа на действие на трансформатора: i a i AB = ( ia I d / 3) ; ibc = ( ib I d / 3) ; (.4.3) i b I d ica = ( ic I d / 3). i c I Линейните токове на w се получават както оикновено за трифазна i AB d /3I система, чрез разликите на съответните фазни токове. На фиг..9 чрез пун- i BC /3I d d I d ктир са показани фазните токове на w i AB, i BC, i CA и линейните токове i A, i B, i CA i C. За определяне на потокоразпределението в магнитната система на тран- i A сформатора нека запишем уравненията за м.д.н. по едрата на трансформатора. Резултиращото м.д.н. на едрата F i B се определя като разлика на м.д.н. на w и w, разположени на едно едро: i C A B C A B C i A I II a b c i a i B i C 3 a b c i a ia 3 ia 3 ia F F F A B C Фиг..9. = w( ia i AB) = w I d ; 3 = w( ib ibc) = w I d ; (.4.4) 3 = w( ic ica) = w I d. 3 От този израз се вижда, че в ед- Фиг... Фиг... рата на трансформатора възникват еднопосочни некомпенсирани постоянни м.д.н., които предизвикват така наречения поток на принуденото намагнитване. Това усложнява раотата на трансформатора, т.к. насища магнитопровода и значително увеличава намагнитващия ток. За преодоляване на този недостатък се налага да се увеличи сечението на магнитопровода на трансформатора. При съединение на w в звезда е справедливо следното съотношение: i A + ib + ic =. (.4.5) За намиране на първичните токове ще използваме втория закон на Кирхоф за магнитните вериги. В интервала, когато В е отпушен (приемайки схемата на магнитните контури фиг..), приемайки че w =w, ще получим следните уравнения: за контур I: 5

16 ia i A + ib =. (.4.6) за контур II: ib + ic =. (.4.7) Решавайки съвместно (.4.5) (.4.7), ще получим първичните токове чрез фазния ток i a на w : i A = ia ; ib = ia ; ic = ia. (.4.8) Действителното разпределение на токовете на намотките за времето на отпушен В е показано на фиг... Аналогично могат да ъдат разгледани и интервалите, когато са отпушени В и В 3. Кривите на токовете на w и w са показани с пунктир на фиг... Резултиращото м.д.н. по едрата на трансформатора F за интервала на раота на В може да ъде намерено чрез уравнението: F A = FB = FC = wia. (.4.9) 3 i a I d A B C U A i b i A i B i C i c i A i B i c I d Фиг..3. Фиг..4. Фиг... Аналогично и за интервалите на раота на В и В 3 : F A = FB = FC = wib ; (.4.) 3 F A = FB = FC = wic, (.4.) 3 т.е. както и при съединение на w в триъгълник, на всяко едро има не компенсирано м.д.н., равно на /3 от м.д.н., създавано от изправения ток: F A = FB = FC = wid. (.4.) 3 Разликата в разгледаните два случая се състои в това, че при съединение на w в триъгълник не компенсираното м.д.н. е пропорционално на I d /3 и не зависи от характера на товара, а при съединение в звезда не компенсираното м.д.н. пулсира с тройна честота, повтаряйки пулсациите на I d. За ликвидиране на принуденото подмагнитване може да се използва съединение на w в зигзаг (фиг..3), при която вторичният фазен ток протича едновременно по две полунамотки, разположени на съседни едра, но в различна посока. Благодарение на това м.д.н. на w и w по едрата напълно се компенси- i b b c i c i a a i b i a i c -U b U C U c U a U c a b -U c U b U a U b U B -U a 6

17 рат и не възниква подмагнитване. На фиг..5 са показани токовете на w и w, начертани с пунктир. Такова изпълнение на w изисква допълнителен проводник, т.к. сумарните фазни напрежения на w u a, u b, u c се формират като разлики на фазните напрежения на вторичните полунамотки (u a, u b, u c ), и ефективните фазни величини на напреженията са равни (фиг..4.): U ф = 3U ф' ; (.4.3) където: U ф ' - ефективна величина на напрежението на една полунамотка. Раота на RL-товар. (L d = ) Изменя се само формата на токовете, u d и i u B.ор a не се изменят. Токовете на вентилите и на I d вторичните намотки i a, i b, i c (показани на фиг..5 с плътна линия) представляват правоъгълни импулси с дължина и амплитуда, i b равна на I d. Типовата мощност на трансформатора: i c S + S i a ST = =,34 Pd. nom. (.4.4) /3I d При съединение на w зигзаг: i b /3I d ST =,46 Pd. nom. i c Фиг..5. Раота при α. Задържа се отпушването на поредния вентил и се продължава раотата на предидущия. На фиг..6.а, са показани кривите на u d при R-товар и два различни ъгъла на управление, при което токът i d по форма повтаря u d. При /6>α> има режим на непрекъснат ток i d, а при α>/6 режим на прекъснат ток. Средното изправено напрежение за първата оласт на регулиране, в която всеки вентил раоти : / 6+ α + / 3 3 U d = U ф sind U d cosα =.(.4.5) / 6+ α Във втората оласт на регулиране (α>/6) вентилният ток се прекъсва при преминаването на моментното напрежение през нула. Продължителността на проводимост на вентила е по-малка от и е равна на λ=-α-/6. Средното изправено напрежение при това: 3 U d = U ф sind = U d / 6+ α 3 ( / 6 α ) + cos +. (.4.6) Горната граница е, т.к. след това следва интервал, където u d =. От тази формула а в г д е u d u d u d u В u d u В α /3 u a α 6 α α 6 u a α u a Uпр.м u a α /3 u b u c u a u b u b Uо.м u b 4/3 Uо.м u c u c u c u a Uпр.м u a u a 7 Фиг..6.

18 следва, че пределен ъгъл на управление, при който U d =, е α max =5. При RL-товар (L d = ) токът през всеки вентил протича. i B, i, i са същите както при α=. Изправеното напрежение (фиг..5.в) за α</6 не се отличава от раота на R-товар, а при α>/6 (фиг..5.д), където α=/3, се появяват интервали, където u d <. Средното изправено напрежение се изчислява по (.4.5). Пределният ъгъл на управление е α max =9..5. Шестифазен изправител със средна точка Тази схема практически не се използва, оаче е неоходимо да се разгледат процесите в нея заради последващото изучаване на 6-фазен изправител с уравнителен реактор. Нека разгледаме неуправляем изправител, раотещ на RLтовар с L d. Вторичната намотка на захранващия трансформатор е във вид на 6-фазна звезда с нула (фиг..7.а). Началата на фазните намотки са отелязани с точки. Векторната диаграма на напреженията на w и w е показана на фиг..7.. В произволен момент ще ъде отпушен този вентил, потенциалът на анода на който е по-висок от другите вентили. На фиг..8.в са показани синусоидите на вторичните фазни напрежения. В интервала е отпушен В, а 3 В, 3 4 В 3, и т.н. в съответствие с номерата на вентилите. Комутация на тока от вентил на вентил се извършва в моментите на пресичане на синусоидите на фазните напрежения. Кривата на изправеното напрежение u d е показана на фиг..8.в с деела линия, овиваща синусоидите на фазните напрежения. Кратността на пулсациите на u d по отношение на честотата на мрежата е 6, поради което средната му стойност ще се изчисли за /6Т: A B C u b u a u c u b u a u c u b а 3 4 a b c a b c i d R d u В B B 3 B 5 L d B 4 B 6 B U о.м a U AB U b U a U c U c в i В I d U CA U BC U a U b г i A I k d T Фиг..7. Фиг..8. 8

19 / U d = U ф cosd U ф =. (.5.) / 6 Формата на кривата на оратното напрежение се получава като разлика между потенциалите на катода и анода на вентила (u B на фиг..8.в с щириховка), на фиг..8.г тя е построена напълно. Максималното оратно напрежение на вентила: U = U,84U. (.5.) о.max ф = ф Кривата на i B представлява правоъгълни импулси с дължина 6 и амплитуда I d (фиг..8.д). Средната и ефективна стойност на тока на вентила и на w : I B.cp = I d / 6, I B = I = I d / 6. (.5.3) Токът на w ез отчитане на не компенсираното м.д.н. е като при трифазната схема със средна точка (фиг..8.е), ефективната стойност на който: I = I d. (.5.4) k 3 T.6. Шестифазен изправител с уравнителен реактор( На фиг..9.а е показана шестифазна схема с уравнителен реактор, която представлява два трифазни изправителя със средна точка (I и II), раотещи паралелно през уравнителен реактор УР на ощ товар. УР осигурява независима паралелна раота на изправителите. Захранването на изправителя се извършва чрез тринамотъчен трансформатор, на всяко едро на който се намират две еднакви вторични намотки. При това в изправител I намотките w са съединени A B C a b c УР a b c i d R d K B B 3 B 5 L d B 4 B 6 B e П E d = Id + - K i d I L d УР Id + - = a e П E d e П u k II K u k R d L d УР u k e П Фиг..9. в 9

20 към анодите на вентилите с началата, а в изправител II с краищата. В резултат съответните фазни напрежения на двете w са изместени на 8. УР представлява оина със затворен магнитопровод, имаща две намотки. Приемаме, че при реактора I μ =, което изключва процесите при товари по-малки от критичните. Критичен е този товар, при който постоянната съставка на I d =I μ.. Такова допускане и приемливо, т.к. I кр =,,I d.nom. Нека отначало α=. Да представим всеки изправител (I и II) като последователно включени генератори на напрежение (фиг..9.): E d и E d представят постоянните съставки, а е П и е П променливите на изправителите. Точките на е П и е П представят тяхната условна полярност. Т.к. напреженията на намотките w са изместени по фаза, възниква изместване и при е.д.н. е П и е П. Може да запишем: udi = Ed' + eп' ; (.6.) u = E " e " ; (.6.) dii d + П където: u di и u dii моментните напрежения на изходите на изправители I и II. Под действие на E d и E d в товара ще протече ток I d, като всеки от генераторите ще осигури I d /, следователно, постоянната b u di a c u dii b a c b a c съставка на U d =E d =E d. Преминаването по намотките на I d i d УР на два равни постоянни тока, създаващи м.д.н. с противоположни посоки, не изменя маг- u k u k / Uф /6 нитното състояние на магнитопровода на УР. Следователно, еквивалентната схема може да i I d / a се опрости, като в нея се оставят само променливите съставки е П i b и е П (фиг..9.в). Моментната i c I стойност на напрежението на d / i УР: a I d / uk = eп' eп" = udi udii. (.6.3) В следствие на автотрансформаторния ефект на всяка намотка на реактора ще се появи напрежение u k /. Моментната стойност на напрежението на товара: uk uk udi + udii ud = udi = udii + = (.6.4) На фиг..3.а са представени кривите на u di (плътна линия) и dii (пунктир), чрез щриховка са показани ординатите на u k, на фиг..3. то е показано напълно. От фигурата се вижда, i b i c i A i B i C i Л I k d T Id k T I d / Id k T I d / Фиг..3. I d / а в г д

21 че u k има почти триъгълна форма и амплитудата му е равна на U ф /. Напрежението u k има 3 пъти по-голяма честота от тази на мрежата. Кривата на u d е получена с помощта на (.6.4) и е показана на.3.а с деела линия. Формула за u d може да се получи, замествайки в (.6.4) съответните фазни напрежения. Например в интервала, когато провеждат фази a и с : uk ua uc ua + uc ud = udi = ua =. (.6.5) По същия начин се намира стойността на u d за всички интервали на периода. u k има 6-кратна пулсация и се формира от участъци на синусоиди с амплитуда 6U ф /. Средното изправено напрежение: 3 6 U = U,7U. (.6.6) d ф = ф Оратното напрежение на вентилите вследствие на независимата раота на двете схеми (I и II) не се отличава от трифазния изправител със средна точка: U о.max = 6 U ф =,45U ф. (.6.7) Кривата на i d при R-товар напълно повтаря u d, i B =i d / (фиг..3.в), като кривите са означени с пунктир. Токовете на w ще се получат от следните съотношения (фиг..3.г): i A = ( ia ia) / kt ; ib = ( ib ib) / kt ; (.6.8) ic = ( ic ic) / kt, които са получени от условието за компенсация на м.д.н. на w и w. Не възниква постоянна съставка на магнитния поток в магни- u k α= топровода на Тр, т.к. w и w са разположени на едно едро и се отичат от противоположни токове. На фиг..3.д е показана кривата на линейния /6 U ϕ ток. u k /3 α=5 /6+α α u a u b u c u a u b u di u k /3 /6+α α=3 а u dii α u c u a u b u c u k u k α=6 /3 α-/6 α=9 /3 Фиг..3. Фиг..3. Кривите на токовете на елементите при L d са показани на фиг..3.в д с плътна линия. а а а u d u k

22 Средната и ефективната стойност на тока на вентила: I B.cp = I d / 6, I B = I = I d / 3. (.6.9) Ефективната стойност на тока на w : I = I d. (.6.) kt 3 Поради независимостта на раота на изправители I и II и при α режимите на управляем изправител е същия като при трифазна схема със средна точка. Режимът на раота на R-товар е рядък, затова ще разгледаме режимите при L d. Напреженията u d, u k се определят също по формули (.6.3) и (.6.4). На фиг..3.а, са показани u di, u dii за α=3, а резултиращото напрежение на товара u d на.3.в. Средната стойност на изправеното напрежение е същото като при трифазен изправител със средна точка: 3 6 U d = U ф cosα = U d cosα. (.6.5) Формата на кривите на токовете на елементите са същите като при α=, а u B като при изправител със средна точка. На фиг..3 са показани кривите на u k при различни ъгли α. С нарастване на α се увеличава средното (по модул) U k, и следователно расте типовата му мощност..7. Трифазен мостов изправител A B C i a i B i B4 Фиг..33. B B 3 B 5 B 4 B 6 B i B L d Раота α= при R- и при RL-товар. Раотата на изправителя при α= при R- и при RL-товар се различават незначително, затова ще ги разгледаме съвместно. Изправителят (фиг..33) може да се представи като последователно съединение на два трифазни изправителя със средна точка, захранвани от една намотка на трансформатора. Три вентила са оединени в анодното рамо, а три в катодното, като при раота на изправителя провеждат поне два вентила по един от двете рамена. Това е валидно при пренерегване на индуктивното разсейване на трансформатора - анодно съпротивление на изправителя. В катодното рамо ще ъде отпушен този вентил, потенциалът на анода (А) на който е поголям от потенциала на катода (К), а в анодното рамо вентил, потенциалът на К е по-малък от потенциала на А. Потенциалът се отчита по отношение на нулевата точка на w на трансформатора. Комутацията на тока от един В на друг от същото рамо когато се пресичат синусоидите на фазните напрежения u a, u b, u c - фиг..34.а. Всеки вентил провежда през /3 от периода Т. Последователността на включване на вентилите съответства на номерата им. Потенциалът на ощите катоди u K (положителния полюс на изправителя) се изменя по горната овиваща на u ф, а потенциалът на ощите А - u A (отрицателния полюс на изправителя) по долната овиваща. i d R d K

23 Изправеното напрежение u d =u K -u A фиг..34., като пулсациите са 6 за един Т. Средната стойност на изправеното напрежение се определя в интервала на повторяемост /3: 3 6 U = U,34U. (.6.) d ф = ф Напрежението на запушения вентил се намира като разлика между потенциалите на катода и анода му. Максималното оратно напрежение на вентила (фиг..34.в.): U = 6 U =,45U,5U. (.6.) о.max ф ф = а в г д е ж i d, u d u В i В i а i л I d /k Т I d u a u b u c u a I d 3 I d I d /k Т Uо.м Фиг..34. U d i d I d u d d Изправеният ток i d при R-товар повтаря u d (пунктирна линия на фиг..34.в). Вентилите по двойки провеждат пълния товарен ток i d. Например, на интервала (фиг..34.г) от катодното рамо е отпушен В, следователно, i B =i d и може да се представи като участък от кривата на i d, изрязан в участъка, аналогично може да се представи и i B4 (фиг..34.д). Вентилите В и В 4 са включени във фаза а и раотят с изместване на 8, като i B и i B4 са съставки на i a (фиг..34.е). В друг маща тази крива представлява и фазния ток на w i. Еднаквата форма на i и i се ояснява със симетричността на i, който не съдържа постоянна съставка, следователно, формата на i се определя само от условията за компенсация на м.д.н. на w и w. При съединение на w в триъгълник фазният ток запазва формата си от съединението в звезда, а линейният ток се получава като разлика от съседните фазни токове (фиг..34.ж). На фиг..34 кривите за раота на RL-товар (L d = ) са показани с плътна линия, а при R-товар с пунктир. При L d = : I в.ср = I d / 3; I в = I d / 3 ; I = / 3 I d ; I = / 3 I d / kt ; (.6.3) ST = S = S = 3U ф.i н = / 3 Pdн =,5 Pdн. (.6.4) Както се вижда от приведените формули, типовата мощност на трансформатора почти е равна на мощността на товара и максималното оратно напрежение на вентилите също е почти равно на средното изправено напрежение. Тези лагоприятни съотношения оясняват широкото използване на трифазната мостова схема. При L d =. На фиг..35.а, са показани u ф (u a, u b, u c ) и u d при раота на изправителя на R-товар при три ъгъла на управление α=3, 6, 9. За правилната раота на мостовия изправител е неоходимо да се подават управляващи импулси с широчина по-голяма от 6, или сдвоени импулси, изместени на 6, 3

24 т.к. е неоходимо да се отпушат по един вентила от двете рамена на изправителя. Както се вижда от.35., при α>6, при R-товар в кривата на u d се появяват паузи, и следователно, е неоходимо едновременно с подаването на УИ на поредния отпушващ се вентил да се подаде повторен УИ на съответния вентил от противоположното рамо, или да се използват УИ с дължина по-голяма от 6. α α α u a u b u c u a u b u c α α а) α u d ) а в u d u b Uпр.м α /3 Uо.м 4 3 α u a u b u c u a i b5 i b i b3 4/3 i b5 i b6 i b i b4 α I d Фиг..36. i b6 3 Фиг..35. Както се вижда от фиг..35., u d и i d в диапазона <α</3 са непрекъснати, при α>/3 прекъснати. При <α< /3 средното изправено напрежение: / 3+ α 3 U d = 6 U sind U cosα ф = d. (.6.5) / 3+ α а при α>/3: 3 U d = = + ( + α ) 6 U ф sin d U d. cos / 3 / 3+ α [ ] (.6.6) Както се вижда от (.6.6), при α max - u d =. При L d = - i d е идеално изгладен и непрекъснат на целия диапазон на управление. На фиг..36.а, са показани u a, u b, u c, u d и i B при α>75. Токовете на катодното рамо са показани условно над асцисата, а на анодното под нея. С деела линия са показани участъците на синусоидите на фазните напрежения, по които се изменят потенциалите на катодите 4

25 и анодите u A и u K. В интервала е включен В (фиг..36.а). Потенциалът на вентилния катод по отношение на се изменя по синусоидата на u a, при това в началото на интервала е положителен, а в края отрицателен. При се отпушва В 3 и токът протича по него до момента 3, когато се отпушва В 5, който раоти до 4. Аналогични процеси протичат и в анодното рамо. Изправеното напрежение u d се получава като разлика между u A и u K фиг Средното изправено напрежение за целия диапазон на управление: U d = U d cosα, (.6.7) следователно α max =9. На фиг..36.в е показано напрежението на В, U B.ор.max = 6 U ф, а U B.пр.max = 6 U ф.sinα. A B C Трифазен мостов изправител с непълен рой тиристори В тази схема може да се използват наполовина тиристори, наполовина B B 3 B 5 диоди фиг..37 (полууправляема i B или несиметрична схема). Изправителят представлява последова- i a K L d телно съединение на две трифазни схеми със средна точка (управляема и неуправляема). На фиг..38. i d R d i B4 са показани кривите на потенциалите на положителния и отрицателния полюси на изправителя при B 4 B 6 B Фиг..37. RL-товар за α=3, 6, 9. Чрез шриховката е показано моментната величина на u d. В зависимост от α има два режима на раота: <α</3 - непрекъснат i d, α>/3. В първия режим (<α</3) комутациите на тока в катодното α=3 α=6 α=9 α α α α α α u a u b u c u a u b u c рамо (тиристорите В, В 3, В 5 ) се извършват в момента на подаване на УИ на вентилите, а в анодното рамо (диодите В, В 4, В 6 ) в момент на естествената комутация, когато се пресичат синусоидите на фазните напрежения. Във втория режим (α>/3) отпушването на вентилите в двете рамена се извършва по двойки в момент на подаване на УИ на тиристора. Отсъства комутация на тока в рамената, т.к. i d става равен на нула преди подаване на УИ на поредния тиристор. Средното изправено напрежение: I-ви режим (<α</3): α Фиг U d = U d 6 U ф sind ; (.6.8) II-ри режим (α>/3): 5

26 3 U d = 6 U ф sind. (.6.9) α Интегрирайки (.6.8) и (.6.9), получаваме, че U d за двата режима се определя чрез една и съща формула: + cosα U d = U d. (.6.) Пределният ъгъл на управление, при който U d =, при раота на R-товар е α max =8. Както се вижда от фиг..38, кратността на пулсации на u d е 3, за разлика от изправителя с 6 тиристора, при който тя е 6. Третият хармоник в u d става значителен при големи ъгли на управление α. За преодоляване на този недостатък са неоходими мощни филтри, което е нецелесъоразно, затова тази схема се използва при неголям диапазон на регулиране. При L d i d е непрекъснат в целия диапазон на изменение на α. В този случай изправителят се разпада на две последователно включени трифазни схеми със средна точка, които раотят независимо. Изправеното напрежение е равно на сумата от изправените напрежения на отделните схеми: cosα + cosα U d = U ф + U фcosα = U ф = U d. (.6.) От (.6.) и (.6.) се вижда, че регулировъчната характеристика на изправителя не зависи от характера на товара. При RL-товар и α>/ катодното рамо (състоящо се от тиристори) преминава в инверторен режим, управляван от мрежата. В резултат на това u d сменя знака си. Освен това изправителят черпи от мрежата ток, съдържащ както четни, така и нечетни хармоници, което влошава коефициента на изкривяване. Предимство на схемата е по-малката консумирана реактивна мощност..8. Последователно и паралелно съединение на изправители Използването на паралелно и последователно съединение на изправители е предизвикано от следните основни причини:. Стремеж към намаляване на пулсациите на u d.. Неоходимост от понижаване на хармоничните съставки в черпения от мрежата ток. 3. Неоходимост от изправители за високи напрежения и големи токове. На фиг..39 като пример да показани варианти на съединения на мостови изправители. Може да се използват и други схеми за съвместна раота, например, паралелна раота на шестифазни схеми с уравнителен реактор. Ще разгледаме само режими при α= и L d =, но получените изводи важат и за управляемите изправители. Процесите в отделните изправители протичат независимо, затова могат да се използват получените по-рано формули за отделните изправители. Възможно е взаимно влияние на процесите в отделните изправители, което оаче няма да се разглежда. 6

27 Последователно съединение на два трифазни мостови изправителя Трансформаторите на всеки мостов изправител са с различни групи на свързване (например Y/Y и Δ/Y) фиг..39.а, чрез което се постига изместване на линейните напрежения на w на 3. Изправените напрежения се сумират u di +u dii, сумират се и токовете на w - i +i. Нека U di =U dii. Сумирането на две изправени напрежения с 6-кратна пулсация, изместени на 3 резултира като - кратна пулсация на u d, т.е. получава се -фазно изправяне. На фиг..4.а в графически е показано това сумиране. Средното изправено напрежение: U d = U di = U dii. (.8.) Т.к. w и w са свързани паралелно, то резултиращият ток i p = i +i фиг..4.г е. Вторичните фазни токове на трансформаторите съвпадат, а първичните съвпадат с тях по форма, но се отличават по величина. Т.к. w на втория i i p i i i p i I II I II i d Z d i d Z d а i p i a i a Z d i d в Фиг..39. трансформатор е свързана в Δ, то линейният му ток се получава като разлика от фазните. Формата на тока на сумарния ток i p се прилижава към синусоидална фиг..4.е. Захранването на всеки изправител може да се извърши и от един тринамотъчен трансформатор, имащ две вторични намотки, съединени Y и Δ, което икономически е по-изгодно от два отделни трансформатора. Подоно съединение на изправители може да се осъществи и от по-голям рой изправители. Например, може да се включи последователно със схемата от 7

28 фиг..39.а още една такава схема, захранвана от мрежата чрез фазоизместващ трансформатор ФТ с ъгъл на изместване 5 - фиг..39.в. При тази схема пулсацията на u d е 4-кратна, а i практически е със синусоидална форма с малко хармоници. Може да се построи и схема с 36-кратна пулсация на u d, за което е неоходимо да се съединят последователно три моста, два от които са изместени по отношение на u чрез фазоизместващи трансформатори на ъгли + и -. а в г д е ж з и Паралелно съединение на два трифазни мостови изправителя u dii u d i i i p u k u d k I k U di d T I T d u di u dii u d U dii k 3 T U d I d I d /k T 3 k + 3 T I d 3 I k T Фиг..4. d k T k I T d I d 3 3 На фиг.39. е показана схемата на паралелно съединение на два трифазни мостови изправителя, включени чрез уравнителен реактор. Линейните напрежения на вторичните намотки w са равни и изместени на 3 за сметка на съединение на w на трансформатора в различни групи (Y/Y и Δ/Y). Върху уравнителния реактор пада разликата на променливите съставки на изправеното напрежение на двете схеми. На фиг..4.ж,з са показани кривите на изправеното напрежение на схеми I и II u di и u dii, и напрежението на уравнителния реактор u k. Напрежението u k има честота, 6 пъти по-голяма от честотата на мрежата фиг..4.з. Амплитудата на u k е равна на разликата между максималната и минималната величина на u di и u dii : U k.max = 6 U ф = U ф[ 3 / ]. (.8.) Типовата мощност на уравнителния реактор е незначителна. Моментната величина на напрежението на изхода: uk uk u = u = u. (.8.3) d di dii + Кривата на u d на схемата е показана на фиг..4.и, от която се вижда, че тя има -кратна пулсация. Средният изправен ток е I d =I di +I dii. Т.к. U di =U dii, то двата изправителя отдават ток I d /. Кривата на i се строи аналогично на последователното съединение на мостовете. Единствената разлика се състои в това, че вместо I d ще се вземе I d / фиг..39.е. Токовете във вентилите са два пъти по-малки от едномостов изправител, затова такова съединение се използва при големи токове на товара, при което може да се наложи използването на паралелно съединение на вентили. 8

29 .9. Висши хармоници в напрежението и тока на изправителите Висши хармоници в кривата на изправеното напрежение Кривата на изправеното напрежение u d на произволен изправител винаги съдържа две съставки: постоянна, равна на средното изправено напрежение U d ; променлива, състояща се от определен спектър от хармоници. Ако се разгледа най-често срещащият се режим при L d, при който i d е непрекъснат, то ще се види, че всички основни схеми имат еднаква регулировъчна характеристика u d U ф U d = U d cosα и един и същ пределен ъгъл на управление α max = 9. Това позволява да се оедини анализът на схемите и да се получи а α /m формула, еднакво справедлива за намиране на амплитудите на висшите хармоници на u d за всички изправителни схеми. На фиг..4.а в са показани кривите на u d за еднофазна, трифазна и 6-фазна схеми със средна точка. За еднофазна мостова схема u d U ф u d ще има същия вид, като на фиг..4.а. За 6- фазна схема с УР и трифазна мостова схема α /m кривата на u d е аналогична на фиг..4.в, само че в първия случай поради УР амплитудата на синусоидите ще е равна на 6U ф /, а в мостовата, това ще е амплитудата на линейното напрежение на w - 6U ф. Кривите на u d, както се вижда от u d U ф фиг..4, са периодични функции, които очевидно удовлетворяват условията на Дирихле в α и могат да ъдат разложени в ред на Фурие. Редът ще съдържа постоянна съставка, първи хармоник, периодът на който е равен на периода на изходната функция и спектър от /m висши хармоници, честотите на които са Фиг..4. кратни на честотата на първия хармоник. В ощ вид u d може да се представи по следния начин: u = U n + = U sin( nω + ); (.9.) d d n= nm n където: ω =ωm ъглова честота на първия хармоник; m кратност на пулсациите на в кривата на u d ; n ред на висшия хармоник; U nm амплитуда на висшия хармоник от n-ти ред; n начална фаза на висшия хармоник от n-ти ред. Амплитудите и началните фази се определят чрез следните формули: U = A B ; (.9.) nm n + n An n = arcg ; (.9.3) Bn 9

30 където: A B n n T = ud () cos( n )d T ω ; (.9.4) T = ud () sin( nω )d ; (.9.5) T T =/ω период на повторение в кривата на u d. Кривата u d в интервала на повторение = /m за всички схеми се описва от ощото уравнение: ud ( ) = U m cos + α ; (.9.6) m Както се вижда от фиг..4, това съотношение е справедливо за произволен изправител, т.к. моментът на отпушване на поредния вентил винаги изостава от нулата на синусоидата на съответното фазно напрежение на ъгъл + α, а U m за еднофазна двуполупериодна схема със средна точка и еднофазната мостова схема представлява амплитудата на U ф на w на трансформато- m ра U m = U ф. За 6-фазна схема с уравнителен реактор U m = 6U ф /, за трифазен мост U m = 6U ф. Замествайки (.9.6) в (.9.4) и (.9.5) и заменяйки ω =mω, ще получим: / m m An = U m cos( / m α ) cos nmd + ; (.9.7) / m m Bn = U m cos( / m α ) sin nmd +. (.9.8) В резултат може да се получи следния израз за амплитудата на n-ия хармоник на напрежение: m U nm = U m sin cosα. + m n g α. (.9.9) m m n,35,3 U nm * mn=6,5,,5, mn=8 mn=,5 mn=4 α Фиг..4. m Стойността U m sin cosα, влизаща в (.9.9) е средното изправено m напрежение на управляемия изправител. Следователно: 3

31 U nm = U d cosα. + m n g α. (.9.) m n Често се използва относителната стойност: U nm cosα U nm * = = + m n g α. (.9.) U d m n На фиг..4 са показани зависимостите U nm* (α) за трифазна мостова схема (m=6), от които се вижда, че с увеличаване на ъгъл α нарастват и висшите хармоници в кривата на u d. Висши хармоници в кривата на първичния ток на изправителя Кривата на променливия ток, черпена от изправителя от захранващата мрежа i, е несинусоидална, като тя съдържа основен хармоник с честотата на мрежата и определен спектър от висши хармоници. На фиг..43 са показани найхарактерните криви на токовете i, kt а i I d като те са построени при α=var и L d. Началата на кривите са изместени така, че за удоство техните оси / i Id kt на симетрия на кривата да минават през =/. На фиг..43.а е изоразена кривата на i на еднофазна двупо- i I d / в kt /3 лупериодна и мостова схеми, на фиг..43. еднофазна схема с нулев i вентил, фиг..43.в,г трифазна мостова схема и 6-фазна схема с УР при / I d kt 3 г различни съединения на w (фиг..43.в I d Y, фиг..43.г - Δ). kt 3 i I d Множителят / 3 при ампли- + kt 3 тудата на кривата на фиг..43.г е приет при условие, че както първата, така д и втората схема имат еднакви U d и I d. /3 Id Кривата на тока, показана на k 3 Id /3 T фиг..43.д, е резултиращият ток, чер- + kt 3 пен от схемите, осигуряващи - кратна пулсация на u d (фиг..39.а,). Фиг..43. Кривата, показана на фиг..43.а, може да се представи чрез следния ред: 4 i = I d sin + sin3 + sin sin( n ) +... k 3 5 n. (.9.) T Кривата съдържа само нечетни хармоници, като амплитудата на произволен хармоник I nm може да се представи по следния начин: 4 I d I nm =.. (.9.3) kt n Относителната стойност на висшите хармоници като части на основния: I nm I nm * = =. (.9.4) I ( ) m n Процентното съдържание на висшите хармоници в кривата на тока: 3

32 n I nm* % 33 4,3, 9, 7,7 6,7 Хармоничният състав на тока е представен графично като дискретен спектър на фиг..44. На фиг..44.а е показана основната част от спектъра на i, показан на фиг..43.а. Разложението на кривата на i на еднофазен изправител с нулев вентил е удоно да се извърши, пренасяйки началото на отрояването надясно на /, и то има вида: 4 = I d α 3 α i sin cos + sin cos kt 3 (.9.5) Амплитудата на n-ия хармоник: 4 = I d n α I nm sin. n kt (.9.6) Амплитудите на висшите хармоници зависят от ъгъла на управление α. Разложението на кривата на тока на трифазния мостов изправител (фиг..43.в) може да се получи от (.9.5), поставяйки α=/3: 3 = I d i cos cos 5 + cos7 cos kt (.9.7) Както се вижда от (.9.7), отсъстват хармоници, кратни на три, а амплитудата на n-ия хармоник: 3 I d I nm =. (.9.8) I nm kt n Im На фиг..44. е показана, част от спектъра на i на трифазен мостов изправител а,5 (фиг..43.в). При съединение на w в триъгълник кривата на линейния n ток i има вида на фиг..43.г. Фазните токове съвпадат с кривата на фиг..43.в и I nm Im, очевидно, линейният, който е разлика от фазните, съдържа само хармоници, съдържащи се във фазните токове. За удоство,5 да пренесем началото на отрояването n на кривата фиг..43.г на- дясно на /. Тогава кривата на I nm линейния ток е симетрична както по отношение на асцисата, Im, така и на ординатата и разложението й има проста форма: в,5 i = I nm cos n ; (.9.9) където амплитудата: n I nm = cos nd (.9.) Фиг..44. В следствие на простия график на i - I nm се намира много 3

33 лесно. Използвайки (.9.9) и (.9.) ще се получи разложението на кривата на фиг..43.г в тригонометричен ред: 3 = I d i cos + cos 5 cos7 cos (.9.) kt Сравнявайки (.9.7) и (.9.), може да се направи извод, че хармоничният състав на тока при съединение на w в Δ количествено е същия, както и при съединение в Y. Амплитудите на едноименните хармоници при равенство на I d и U d за двете схеми са равни. Има разлика във фазите на някои хармоници (5-ия и 7-ия). Спектърът на хармониците на кривата фиг..43.г е еднакъв със спектъра на кривата на фиг..43.в. При използване на коминирани схеми (фиг..39.а,) сумарният ток е показан на фиг..43.д. Т.к. първичните токове на отделните трансформатори на схемата са показани на фиг...43.в,г, то резултиращият ток при паралелно съединение на Тр може да се получи просто чрез сумиране на моментните стойности на тези криви. Разложението на кривата на фиг..43.д се получава като сума от разложението на кривите на фиг..43.в,г. Сумирайки (.9.7) и (.9.), ще получим: 4 3 = I d i cos cos + cos7 cos (.9.) kt От тази формула се вижда, че в кривата на фиг..43.д има хармоници, започвайки от -ия, като относителната стойност на амплитудата на хармоника остава I nm =/n. Честотният спектър на кривата е показан на фиг..44.в. Очевидно, колкото е по-малка амплитудата на хармоника и колкото е по-висок редът й, толкова по-лесно тя се филтрира. От тази гледна точка схемите с -кратна пулсация на u d има неоспорими предимства. Анализът показва, че хармоничният състав на първичния ток е свързан с периода на повторяемост на кривата на u d (T/m), като той съдържа освен първия и хармоници от следния ред: n = km ± ; (.9.3) където: k=,,3. Относителните стойности на амплитудите на висшите хармоници в о.е. (части от амплитудата на основния хармоник) за всички схеми се определя от отношението (L d ): I nm * =. (.9.4) n.. Озор на изправителните схеми Показателите, по които се извършва сравнението на различните изправители са:. Режим на раота на трансформатора и относителната му типова мощност, която се характеризира чрез коефициента на повишение на проектната мощност k П ;. Ефективност на използване на вентилите по напрежение и по ток k U, k I, k I.cp ; 3. Хармоничен състав на u d и i, който се характеризира чрез кратността на висшите хармоници в кривите на u d и i и относителните стойности на амплитудите на тези хармоници U nm* и I nm*. 33

34 Всички основни съотношения и параметри са приведени в Талица. и Талица.. Еднофазни изправители От гледна точка на използване на Тр еднофазната мостова схема е поизгодна от еднофазната двуполупериодна схема, като коефициентите на повишение на проектната мощност са съответно k П =, и k П =,34. Коефициентите на използване по ток k I, k I.cp са еднакви. Използването на вентилите по напрежение в мостовата схема е по-доро k U =/ срещу k U =, но мостовата изисква два пъти повече вентили. Затова при ниско напрежение на изправителите, където U ор.max е малко, е по-доре да се използва двуполупериодната схема. По пулсации на u d и хармоници на i, схеми са еднакви. Използването в управляемите изправители нулев вентил подорява cosϕ при раота на RLтовар. Хармоничният състава на i зависи от ъгъла α. Използването на мостовата схема с непълен рой управляеми вентили съкращава два пъти тиристорите, като режимът на тази схема е аналогичен на раота с нулев вентил, като функциите на Д се изпълнява поредно от основните вентили. Еднофазните схеми доре използват трансформатора, но пулсациите на u d и хармоници на i по сравнение с многофазните схеми са значително поголеми. Талица.. Еднофазни схеми Схема Изправено Трансформатор Вентили напрежение Еднофазна -полупериодна схема U U d ф β = = 3 =,9 U U m d I I k d I I d T. 4 k П k U k I k Icp. ( + ) =,34 = Еднофазна -полупериодна схема = 3 =,9 α k ** T α **. 4. ( + ) =,34 = α ** α ** с Д Еднофазна мостова схема = 3 =,9 k T = =, където: * - стойностите за β са дадени за α=; ** - съотношенията за токовете са за раота с ъгъл на управление α. 34

35 Многофазни изправители Тези изправители имат определени предимства по сравнение с еднофазните: по-малко хармоници в u d и i ; доро използване на трансформатора и вентилите; симетричен товар на фазите на захранващата мрежа. При трифазната схема със средна точка раотата на Тр при оикновени съединения (Y/Y и Δ/Y) се усложнява от потока на подмагнитване, който изисква увеличение на сечението на магнитопровода, т.е. повишение на проектната му мощност. За ликвидиране на принудителното подмагнитване се използва съединение на намотките в група Y/Z или Δ/Z. Шестифазната схема със средна точка има лошо използване на трансформатора и вентилите. При съединение на w в звезда в магнитопровода възниква пулсиращ поток на еднофазно подмагнитване, заради което тази схема практически не се използва. Най-използвани многофазни схеми са:. 6-фазна схема с уравнителен реактор;. Трифазна мостова схема; 3. Коминирани схеми, състоящи се от последователно или паралелно съединение на схеми и. 6-фазната схема с УР и трифазната мостова схема имат много ощо еднаква кратност на пулсациите в u d и еднакъв хармоничен състав в i. По сравнение с мостовата схема 6-фазната схема има по-лошо използване на трансформатора. Типовата мощност на УР при управляем изправител зависи от дълочината на регулиране (от α max ). Тази схема се използва само за изправители с ниско напрежение и голям ток, т.к. товарният ток протича паралелно през два вентила, а не последователно, както при мостовата схема. Най-съвършена от гледна точка на използване на Тр и вентилите е трифазната мостова схема, което и ояснява широкото й използване. Ниската стойност на k U прави използването й за високи напрежения, при които е нежелателно използването на голям рой последователно включени вентили. При коминираните схеми се съхраняват всички съотношения, присъщи на схемите, от които те са съставени. Типовата мощност на ТР и УР остава същата както при отделните схеми. Оаче, поради използването на два или няколко трансформатора, а също така и поради неоходимостта от УР при паралелно включване сумарната мощност на Тр и УР на коминираните изправители ще ъде по-висока. Талица.. Многофазни схеми Схема Изправено Трансформатор Вентили напрежение Трифазна схема със средна точка U U d ф β = 3 6 = 4 =,7 U U m d k I I d 3 I I d T 3.( + 3 ) k П k U k I k Icp = 3 6 =,345**. ( + ) = 3 3 =,46***

36 6-фазна схема със средна точка 3 = 35 =,35 k 3 T =,55 = фазна 3 6 = схема 35 с УР =, 7 Трифазна мостова 3 6 схема =, 34 = 35 k 6 T 3 k 3 T 3 + = =,6**** 3 =,5 Където: * - стойностите за β са дадени за α=; ** - група на съединение Y/Y; Δ/Y; *** - група съединение Y/Z; Δ/Z; **** - типовата мощност на УР S P =,57P d.nom

37 ВТОРА ГЛАВА ВЪНШНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЕНЕРГЕТИЧНИ ПОКАЗАТЕЛИ НА ИЗПРАВИТЕЛИТЕ.. Процес на комутация на токовете При анализа на раота на идеализирания изправител в първа глава се приемаше, че преходът на тока от един към друг вентил (комутация на тока) се извършва моментално. В реалните изправители е невъзможна моментална комутация поради наличието на индуктивност в контура на комутация, която е равна на сумата от приведената към w индуктивност на захранващата мрежа и индуктивността на разсейване на намотките на трансформатора. Времето на комутацията се измерва чрез ъгъла на комутация γ. Комутацията съществено изменя раотата на изправителите: изменят се формите на токовете и напреженията на елементите на изправителя; появяват се висши хармоници в u d и i ; изменят се външните и регулировъчните характеристики; изменят се количествените съотношения между токовете и напреженията. Аналитичното изучаване на процеса на комутация с отчитане на всички значителни фактори е достатъчно сложно. Затова анализът ще ъде разделен на няколко етапа. При първия етап ще се пренерегнат активните съпротивления при нормалните режими на раота и ще се приеме, че L d =, т.е. i d е идеално изгладен. При наличието на достатъчно голяма L d процесите малко се отличават от тези при идеално изгладен i d... Комутация при еднофазен двуполупериоден изправител На фиг.. е показана еквивалентната схема на изправителя в процеса на комутация. Приведените индуктивности на захранващата мрежа и индуктивността на w са пренесени на вторичната страна и са оединени с индуктивността на разсейване на w във вид на две еквивалентни L s, включени във всяка фаза. Величината L s се определя от опита на късо съединение (к.с.) при закъсяване на двете последователно съединени вторични намотки. Електродвижещото напрежение на w е представено във вид на два източника е и е. B В интервала (фиг...) е отпушен В, L s а в момент =α на В се подава УИ и той се отпушва и започва комутация на тока от В на В i B е е. i d Контурът на комутация е показан с пунктир. През е L s i B B i k целия период на комутация са отпушени двата R d е вентила. Изменението на анодните токове по време на комутацията може да се определи по метода на суперпозицията. Резултиращият ток през вентила е сума от два тока, първият от който е токът Фиг... до началото на комутацията, а вторият i k ток на преходния процес, появяващ се при отпушване на поредния вентил (В ): i = + i ; i = I d i. (..) B k B k Токът i k представлява токът на к.с. (ток на комутация) на w (двата вентила са отпушени). С нарастването на i k токът във В - i B ще намалява, а i B 37

38 а в г α γ α i B,i B i В i В α Uф/k3 u В i u d,i d I d γ u d I d I d /k T I d γ Фиг... i d Uо.м нараства. Процесът продължава до момента, когато i B =i k, при това резултиращият ток през В ще спадне до нула и В ще се запуши. Комутиращият ток i k се определя от индуктивността на комутиращия контур (L s ) и от е.д.н. (комутиращо е.д.н.) в него (e k =е -е ). Приемайки =α за начало на времето, може да се запише: ek = e e = U ф sin( + α ). (..) Токът i k е преходен ток, възникващ при включване на индуктивна верига към синусоидално напрежение e k с фаза α, за който е справедлив изразът: U ф ik = [ cosα cos( α + )]; (..3) xs където: xs = ω Ls. Токът на отпушващия се вентил е равен на комутиращия ток i B =i k. Изменението на тока i B по време на комутацията се намира, като заместим (..3) в (..): U ф i = I d i = I d [ cosα cos( α + )] B k. xs (..4) От формули (..3) и (..4) се вижда, че вентилните токове по време на комутация се изменят по косинусен закон. Продължителността на отпушено състояние се увеличава по сравнение с идеализирания случай (когато λ=) и е λ=+γ (фиг...в). Ъгълът на комутация γ може да се изчисли от граничните условия: в края на комутацията i B =, а ток i B =i k ще се равнява на изправения ток I d. Замествайки в (..3) i B =i k =I d и =γ, ще получим: U ф I d = [ cosα cos( α + γ )]. (..5) xs Този израз показва взаимната връзка на U d и α, и тя може да се преоразува в следния вид: ( ) I d xs cosα cos α + γ =, (..6) U ф като това уравнение се нарича уравнение на комутацията. Приемайки при α=, че ъгълът на комутация е γ, (..6) ще се запише в следния вид: x cos γ I d s =, (..7) U ф и разделяйки (..6) на (..7), ще получим: cosα cos( α + γ ) = ; (..8) cosγ и окончателно от (..8) ще се получи: γ = ar cos cosα + cosγ. (..9) [ ] α 38

39 На фиг..3. са показани зависимостите на ъгъла на комутация γ от ъгъла на управление α при γ =cons, получени с помощта на (..9). Т.к. през интервалите на комутация w се закъсява, u d =, и както се вижда от фиг..., средното изправено напрежение U d става γ o =3 γ o = γ o = 3 по-малко от това при идеална комутация. Волтсекундните площи на u d, ко- ито се изключват поради комутацията са защриховани. α Такова снижение на U d, изхождайки от неговата природа, се нарича индуктивно падение ΔU x. Средното индуктивно падение на напре- Фиг..3. жение: α + γ U ф ΔU x = = [ α ( α + γ )] U ф sin d cos cos. (..) α Използвайки уравнението на комутацията (..6), ще се получи зависимост между ΔU x и товарния ток: Δ I d xs U x =. (..) От този израз се вижда, че индуктивното падение на напрежение не зависи от ъгъла на управление α. Средното изправено напрежение: α I d xs U d = U d cos. (..) Комутацията оказва влияние и на формата на кривата на u B фиг..3.г. Кривата на i може да се построи по следния начин. Извън комутацията той се определя аналогично на идеализирания изправител - i = I d / kt. В интервала на комутация по намотките на трансформатора текат токовете i, i B, i B. За м.д.н. на намотките е справедливо следното уравнение (ез отчитане на намагнитващия ток): iw = ibw ib w = w ( ib ib), (..3) т.е. формата на i през комутацията се определя от съотношението: w i = ( ib ib) = ( ib ib). (..4) w kt Кривата на тока, построена с помощта на (..4), е показана на фиг..3.д. Полагайки α= в получените формули, може да ъдат изведени съотношенията за неуправляем изправител..3. Комутация при еднофазен мостов изправител Нека през интервала (фиг..5.) провеждат вентили В и В 3 на управляемия изправител фиг..4.а. При α се подават УИ на В и В 4 и те се отпушват. Вторичната намотка w се закъсява чрез четирите отпушени вентили, при което по нея протича ток на к.с. i k. 39

40 Целесъоразно е да се предположи, че в отпушено състояние вентилите имат не нулево, а много малко ограничено съпротивление. Токът на к.с. се разпределя по равно между двойките вентили, включени към w, следователно: ik = ik + ik ; (.3.) ik = ik = ik /. (.3.) На фиг..4.в е показана еквивалентната схема на изправителя по време на комутация, като с i k е показан пълният ток на к.с., а с i k и i k токовете на вентилните групи. В едната група (В и В 3 ) токът i k е насочен против съществуващия ток и го намалява, а в другата двойка вентили (В и В 4 ), които се включват, довежда до нарастването на тока. Пълният ток на к.с. i k се определя от е.д.н. на w - e = U ф sin( +α ) и приведеното еквивалентно реактивно съпротивление xs = ω Ls : ik = U ф [ cosα cos( α + )]. xs (.3.3) От (.3.): i k U ф ik = ik = = [ cosα cos( α + )]. xs (.3.4) В отпушващите се вентили токът i B =i k, а токът на запушващите се вентили i B =I d -i k : ib = ib4 = ik = U ф [ cosα cos( α + )]; x (.3.5) s U ф ib = ib3 = I d ik = I d [ cosα cos( α + )]. (.3.6) xs Уравнението на комутацията се получава от (.3.6), замествайки величи- B B u d,i d u d i i i B i B i B4 i B3 B 4 B 3 а R d i d L d а α i В, i В4 i B, i B3 i d γ I d α γ I d I d B i k B i, i в A i B e i i B4 i k i B L s i k i B3 B B 4 B 3 R d i d L d u B г Uо.м в Фиг..5. Фиг..4. 4

41 ната на i B в края на комутацията (i B =, =γ): ( ) I d xs cosα cos α + γ =. (.3.7) U ф На фиг..5.г,д са показани токовете на вентилите. От (.3.5) и (.3.6) се получава формулата за тока i през комутацията. За възлите А и В (фиг..4.в) може да се запише първият закон на Кирхоф: i = ib4 ib = ib ib3. (.3.8) Замествайки в (.3.8) изразите (.3.5) и (.3.6), ще получим: U ф i = I d + [ cosα cos( α + )]. (.3.9) xs Т.к. при =α i =-I d, а при =α+γ i =+I d, то очевидно през комутацията токът в w се изменя от I d до +I d. Извън комутацията i =I d, като кривата на този ток е показан на фиг..5.е. Първичният ток на трансформатора се получава от условието за компенсация на м.д.н. на w и w : i = i / kt, (.3.) откъдето следва, че кривата на i по форма повтаря i. В следствие на това, че при комутация w се закъсява, моментните величини на u d =, което предизвиква индуктивно падение на напрежението: α + γ U ф ΔU x = = [ α ( α + γ )] ud d cos cos, (.3.) α формулата на което е идентична на формулата за двуполупериодния изправител със средна точка (..). Замествайки в (.3.) cos α cos( α + γ ) от (.3.7), ще получим: x Δ I d s U x =. (.3.) Средното изправено напрежение: x α I d s U d = U d cos. (.3.3) Изправеното напрежение u d и напрежението на вентил В - u B са показани на фиг..5.,ж..4. Комутация при трифазен изправител със средна точка Извън комутацията раоти само един вентил (фиг..6.а). Нека раоти В, след който при (фиг..7.) се подава УИ на В, той се отпушва и започва ко- i A i AB a i B e a L s i B i B i BC b i B B e b L s i k i C i CA c i B3 B e c L s i B R d B 3 L d u d R d L d а I d Фиг I d

42 мутация на тока от В на В. На фиг..6.в е показана еквивалентната схема за периода на комутация на тока от В на В, в която с деела линия са означени частите, по които тече ток. Ще използваме метода на наслагване, за да анализираме процесите в изправителя. u d u a u b u c u a а а) i b3 u d i b i b i b3 i b i b ) u B 3 U пр.м α γ U о.м Фиг..7. I d Както се вижда от фиг..6.в, комутиращото е.д.н. e k е равно на разликата на фазните е.д.н.. Приемайки за начало на времето, ще получим: ek = ea eb = 6 U ф sin( +α ). (.4.) Токът на к.с. в контура на комутация се ограничава от индуктивност (L s ): 6 U ф ik = [ cosα cos( α + )]. ω L s (.4.) За отпушващия се вентил В ток i k е раотен ток, а за раотещия преди комутацията В ток i k е насочен противоположно на съществуващия през него ток, и следователно, намалява тока му. За вентилните токове може да се запише: 6 U ф ib = I d ib = I d ik = I d [ cosα cos( α + )]. (.4.3) ω Ls 6 U ф ib = ik = [ cosα cos( α + )]. (.4.4) ω Ls Когато стане i k =I d, резултиращият ток през В i B = и В се запушва, т.е. комутацията ще завърши при 3, когато i B = I d. Връзката между ъгъла на комутация γ и изправения ток I d ще се намери, като заместим в (.4.4) =γ и i B =I d : ( ) I d xs cosα cos α + γ =. (.4.5) 6 U ф Както се вижда от фиг..7., продължителността на тока през вентил λ се увеличава по сравнение с идеализираната схема: λ = + γ. (.4.6) 3 Моментната величина на u d през комутацията се определя по следния начин. Както се вижда от фиг..6.в, две фазни индуктивности L s са включени на линейното напрежение u ab. Изправеното напрежение е равно на напрежението между нулата на трансформатора и ощата точка на съединението на фазните индуктивности. Следователно, u d през интервала на комутация на В и В ще ъде равно на: ua + ub ud =. (.4.7) 4

43 На този израз съответства синусоида на напрежение с амплитуда U ф, изоставаща по фаза от u a на /3. Процесът на комутация за останалите вентили протича по същия начин. На фиг..7. са показани кривите на вторичните фазни напрежения u a, u b, u c, изправеното напрежение u d, и вентилните токове i B, i B, i B3. Очевидно, и при този изправител, като и при еднофазните изправители комутацията намалява средното изправено напрежение U d. При определяне на U d. се изключват волтсекундните площадки, отелязани с щриховка. Т.к. за период u d има три еднакви участъка, индуктивното падение на напрежението се определя за /3 от периода. Например, за интервала 3 ординатата на защрихованата оласт: ua ub ub ua uab u x = ub = =, (.4.8) т.е. моментната величина на u x е равна на половината на линейното напрежение u ab. Средното индуктивно падение на напрежение: α + γ U ф ΔU x = = [ α ( α + γ )] ux d cos cos. (.4.9) 4 α Замествайки α cos( α + γ ) cos от (.4.5) в (.4.9), ще получим: 3 Δ I d xs U x =. (.4.) Средното изправено напрежение, отчитайки индуктивното падение: 3 α I d xs U d = U d cos. (.4.) На фиг..7.г е показано напрежението на вентил В u B, построено като разлика на потенциалите на анода и катода на вентила. Комутацията предизвиква в кривата на u B резки изменения на напрежението при включване/изключване на вентилите..5. Комутация при 6-фазен изправител с уравнителен реактор при L d = Ако товарният ток превишава критичния I d >I d.kp двете трифазни схеми раотят независимо, което позволява за тях да се използват съотношенията, получени за трифазна схема със средна точка. Да разгледаме раотата на схемата, показана на фиг..7..а, където с пунктир е показан контурът на комутацията при прехвърляне на тока от В на В 3, който е аналогичен на схемата със средна точка. На фиг..7..,в са показани кривите на напреженията на отделните трифазни схеми (u di, u dii ) и кривите на вентилните токове. На фиг.3.7..г,д кривите на изправеното напрежение u d и на уравнителния реактор u k. Формата на вентилните токове и комутиращото е.д.н. са същите като при схемата със средна точка и връзката между γ и I d се определя със същите отношения. Разликата е в тока на включващия се вентил, който в края на комутацията достига I d /, а не I d. Уравнението на комутация: ( ) I d.xs cosα cos α + γ = ; (.5.) 6 U ф 43

44 където: x s приведеното към w сумарно реактивно съпротивление на фаза. Индуктивното падение на напрежение: 3 6 Δ U x = U ф[ cosα cos( α + γ )]. (.5.) 4 Замествайки (.5.) в (.5.), ще получим: 3 Δ I d.xs U x =. (.5.3) 4 Средното изправено напрежение, отчитайки комутацията: 3 α I d.xs U d = U d cos. (.5.4) 4.6. Комутация при трифазен мостов изправител Процесът на комутацията е подоен на този в трифазен изправител със средна точка. Нека раотят В и В фиг..8.а. При на В 3 се подава УИ и започва комутация на тока I d от В на В3. На фиг..8.в е показана еквивалентната схема при комутацията. Контурът на комутация (означен с пунктир) се оразува от w a, w b и от В и В 3 и не се различава от аналогичния контур за трифазен изправител със средна точка. Фаза с не оказва влияние на комутацията, т.к. през u di u a u b u c u a u b A B C u dii I d i B i B3 i B5 i B u a u b u c u a u b a b c a b c i d R d в u d I d i B6 i B i B4 i B6 i B B B 3 B 5 B 4 B 6 L d B г a u k д Фиг..7. нея и В протича неизменен ток I d. Токовете на вентилите: 6 U ф ib = I d ib = I d ik = I d [ cosα cos( α + )]. (.6.) x s 6 U ф ib = ik = [ cosα cos( α + )]. (.6.) xs Приемайки в края на комутацията =γ и i B3 =I d, ще получим уравнението на комутацията: 44

45 ( ) I d xs cosα cos α + γ =. (.6.3) 6 U ф Потенциалът на ощите катоди при комутация на В и В 3 ще се определи със същото съотношение както при трифазен изправител със средна точка: B B 3 B 5 i B B B 3 B 5 a b c L d R d i d i a b c a i B3 L d R d i d B 4 B 6 B а ua + ub ud =. (.6.4) На фиг..9. са показани u a, u b, u c, i B и потенциалите на оединените катоди и оединените аноди. Потенциалите на анодите и катодите извън комутацията се изменят по овиващите на кривите на фазните напрежения, а в интервала на комутация (например ) по кривите на полусумите на фазните напрежения на комутиращите фази. На фиг..9.г е показана u d, на фиг..9.г i a, на фиг..9.д i B. Волт-секундните площадки, определящи индуктивното падение на изправеното напрежение са еднакви с тези в трифазния изправител със средна точка. Броят на волт-секундните площадки, които трява да се изключат при изчисление на U d в мостовия изправител са 6, а в изправителя със средна точка 3, следователно при мостовата схема падението ще е два пъти по-голямо: B 4 B 6 B Фиг..8. в а u d i a u B α γ I d i B u d i a в Фиг..9. u b u c u a u b i B3 i B5 i B i B6 i B i B4 i B6 i B α + γ U ф ΔU x = = [ α ( α + γ )] U ф sin d cos cos, (.6.5) α Отчитайки (3.6.3), ще получим: 3 x Δ I d s U x =. (.6.6) 45

46 U d Средното изправено напрежение: 3 x α I d s = U d cos. (.6.7).7. Влияние на активното съпротивление на изправителя върху изправеното напрежение Всичките тоководещи елементи на изправителите имат активно съпротивление. При раота на изправителя токовете предизвикват падове на U на тези R, от които ще зависи U d, и което трява да се отчете при пресмятането на външните характеристики. Изследванията са показали, че R в контура на комутация не влияе на процеса на комутация. Понижаването на U d поради R се нарича активно падение на изправеното напрежение ΔU R. Да разгледаме зависимост-та ΔU R =f(i d ) за две схеми 6-ти фазна схема с уравнителен реактор и трифазна мостова схема при L d =. Т.к. двете схеми имат 6-ти кратна пулсация на U d, то определянето на ΔU R е удоно да се направи в интервал, равен на Т/6, разивайки този интер-вал на две части извън комутационен и комута-ционен. На фиг.. е показана 6-ти фазна схема A B C γ i B i B6 i B a I d i d R d I d b c a b c Δu R /3-γ /3 B B 3 B 5 L d B 4 B 6 B i B a B B 3 B 5 i B i B6 γ i B A B C a b c L d R d i d /3-γ Δu R в B 4 B 6 B /3 г Фиг... с уравнителен реактор. Контурът на тока е показан с деела линия. Да приемем, че на извън комутационния участък раотят В и В 6. Моментното Δu R : Δ u I d.rф / ; (.7.) R = 46

47 където: Rф = Rф' + Rф - еквивалентно активно съпротивление на фазата на трансформатора, отнесено към една от вторичните намотки; R ф приведеното към w фазно съпротивление на w ; R ф съпротивление на w ; не се отчитата съпротивленията на реактора. Нека през комутационната част γ токът се комутира от В 6 на В (показано с пунктир). За опростяване на анализа предполагаме, че през комутацията токът се изменя по линеен закон (фиг...), което практически не внася грешка. За комутацията моментния активен пад: I d.rф Δ ur =. (.7.) γ Средното напрежение ΔU R през интервала Т/6: / 3 / 3 γ γ = 3 3 I d.rф Δ Δ = + I d.rф U R ur d d d, (.7.3) γ или окончателно: 3 γ Δ U R = I d.rф 3. (.7.4) Чрез (.7.4) се определя средният пад на напрежение във функция на I d. Пресмятането на ΔU R за трифазната мостова схема се извършва аналогично. Нека да раотят вентили В и В 6 (фиг...в). Както се вижда от фигурата, токът I d протича последователно през двете фазни w на трансформатора. Моментното напрежение извън комутацията: Δ u I d.rф. (.7.5) R = По време на комутацията γ, когато токът преминава от В 6 на В : I d.rф Δ ur = I d.rф +. (.7.6) γ Първата съставка в (.7.6) е падът в намотка w a, където токът е I d =cons, а втората съставка падът на w b, където токът намалява по линеен закон (от I d до ). Кривите на токовете и напрежението са показани на фиг...г. Средният пад на напрежение: / 3 / 3 γ γ = 3 3 = + I d.rф ΔU R Δ ur d I d.rф d I d.rф + d, (.7.7) γ или окончателно: 3 γ Δ U R = I d.rф 3. (.7.8) Чрез формули (.7.4) и (.7.8) при пресмятане на външните характеристики на изправителя се отчита влиянието на активните съпротивления на схемата на изходното напрежение..8. Влияние на комутацията върху изправеното напрежение и мрежовия ток Комутацията оказва влияние на формата на кривите на u d и i d и на тока употреяван от мрежата i. Това се отразява на хармоничния състав на u d и i, а така също и на коефициентите, свързващи ефективните стойности на токовете на схемата с I d. За разлика от идеализирания изправител, при реалните изправи- 47

48 тели, където има комутация, относителните амплитуди на висшите хармоници и отношението на ефективните фазни токове към I d зависят от товара на изправителя. По сравнение с идеализирания изправител се изменят само амплитудите и фазите на хармониците на u d и i, номерът на висшите хармоници е същия. По-нататъшният анализ се извършва при L d =. Определянето на хармоничния състав на u d се извършва по същия начин както и при идеализирания изправител (.9), но при интегрирането на кривата на напрежението в предела на повтаряемостта се разглеждат два интервала комутационен и извън комутационен. Амплитудата на висшия хармоник от n-ти ред: U nm = An + Bn ; (.8.) където: U d cos( nm + )( α + γ ) + cos( nm + ) α An = cosm nm + (.8.) cos( nm )( α + γ ) + cos( nm ) α ; nm U d sin( nm + )( α + γ ) + sin( nm + ) α Bn = cosm nm + (.8.3) sin( nm )( α + γ ) + sin( nm ) α ; nm В (.8.) и (.8.3) влизат ъглите на комутация γ и пресмятането на висшите хармоници се извършва, използвайки спомагателните характеристики γ=f(x p* ), където x p 8 = I d.xs / U ф е оощен параметър, наречен коефициент на реактивност. Пресмятането на графиците на γ=f(x p* ) се извършва чрез уравнението на комутацията, свързващо I d и γ. Например, за трифазния мостов изправител: ( ) I d.x s x p* cosα cos α + γ = =. (.8.4) 6 U ф 6 U ф Висшите хармоници на тока също зависят от ъгъла на комутация γ и съответно от ъгъла α. Амплитудите на хармониците на i се намират чрез разлагане в ред на Фурие на кривата на тока, консумирана от изправителя. За разлика от идеализирания изправител в кривата на i има участъци на комутация, което усложнява пресмятането. Амплитудата на n-ия хармоник на тока на 3ф мостов изправител: U ф I nm = K( γ ) L( γ ) cos( α γ ). (.8.5) xs.kt Функциите К(γ) и L(γ): 3 sin ( ) ( n ) γ / sin ( n + ) / ( ) ( ) K γ = + ; (.8.6) n n n + 3 sin ( ) ( n + ) γ /.sin( n ) / L γ =.. (.8.7) n n ( ) 48

49 В кривите на токовете през намотките на трансформатора също има комутационни и извън комутационни участъци. Ефективната стойност на тока на вентила: I Bγ = I B m. Ψ ( α, γ ); (.8.8) където: I B ефективна стойност на тока на вентила при γ=; m рой на фазите на w ; Ψ(α,γ) универсална функция от параметрите α и γ. За мостовите схеми, където кривата на i е подона на кривата на i, ефективната стойност на тока на w : I γ = I.k. (.8.9) γ T Прилижено пресмятането на ефективните стойности на токовете I Bγ, I γ, I γ се извършва, използвайки линейния ток на изменение на тока по време на комутация. Отчитането на комутацията довежда до определено намаляване на отношението на токовете I Bγ, I γ, I γ към I d по сравнение с идеализирания изправител. При нормални режими на раота при γ 3 поправката по сравнение с идеализирания изправител е 5-8%, затова при изправителите с малка мощност тя не се отчита..9. Външни характеристики и режими на раота на еднофазните изправители Външната характеристика U d =f(i d ) представлява една от най-важните му характеристики. При управляемите изправители има семейство външни характеристики, съответстващи на различни α=cons. Външната характеристика включва всички негови режими на раота от празен ход до късо съединение. С увеличение на товарния ток напрежението пада. Това падение на напрежението може да се раздели на три основни съставки:. Предизвикано от комутацията индуктивно падение ΔU x ;. Падение на активните съпротивления на схемата активно падение ΔU R ; 3. Падение на напрежението на вентилите - ΔU B. ΔU B в повечето случаи се счита не зависещо от тока на товара и е равно на падението при I d =I d.nom. Най-просто зависимостта U d =f(i d ) може да се получи за идеално изгладен ток, като тази зависимост с достатъчно прилижение е справедлива за крайно значение на L d. Нека L d =. В целия диапазон на товари (от празен ход до к.с.) съществува само един режим и външната характеристика се описва от едно уравнение. За еднофазния двуполупериодния изправител със средна точка уравнението на външната характеристика: U d = U d cosα ΔU x ΔU R ΔU B. (.9.) където: γ Δ U x = I d xs / - индуктивно падение; ΔU R = I d Rф - активно падение; Δ U B - падение на вентилите. По-удоно е уравнението на външната характеристика да се представи в относителни единици [o.e.]. Разделяйки (.9.) на U d, ще получим: U d* = cosα ΔU x* ΔU R* ΔU B* ; (.9.) където относителните падения на напрежение: 49

50 U * U d / U d ΔU d = ; I d Rф ( ) U,,5 U d* α=3 α= R* = γ / ф ; Δ U B* = ΔU B / U ф. На фиг.. е показано семейство външни характеристики на изправителя за различни ъгли на управление α, които са построени при пренерегване на ΔU R, и ΔU B, като то е в о.е. при U Б =U d и I Б =I dk.c.. Токът на к.с. I dk може да ъде с известни прилижения (ΔU R =, ΔU B =) определен от (.9.), ако се приеме, че U d =: α=6 I dk = U ф / xs. (.9.3) I d* В раотната оласт, където,5, γ max = 3, може във формулата за ΔU R Фиг... γ (.9.) да се положи, при това грешката не превишава %. Уравнението на външната характеристика ще приеме много прост вид: I d xs U d = U d cosα I d Rф ΔU B. (.9.4) За еднофазния мостов изправител: I d xs γ U d = U d cosα I d Rф ΔU B. (.9.5) За разлика от (.9.) тук се измени изразът за ΔU x и е удвоено падението ΔU B. Трява да отележим, че в редица случаи за получаване на стръмно падаща външна характеристика се използва включване на допълнителни индуктивности (анодни реактори) на вторичната страна на захранващия трансформатор... Външни характеристики и режими на раота на трифазен мостов изправител L d = За разлика от еднофазните изправители раотата на трифазния изправител има определена специфика. В зависимост от натоварването могат да възникнат различни режими на раота. Ъгълът на комутация γ е параметърът, който определя границите на тези режими. За различните схеми на изправители има определени ъгли γ, които са гранични между отделните режими. Нека отначало α=. Пренерегват се ΔU R и ΔU B. Първият режим се характеризира с поредната раота на два-три вентила (режим -3): извън комутацията раотят два вентила, а при комутация три. На фиг...а е показан режимът на комутацията на тока от В на В3, като контурът, по който тече ток, е начертан с деела линия. Токът i на фаза а за този случай е показан на фиг..3.а. Външната характеристика за този режим ще се получи като разлика на напрежението на празен ход и индуктивното падение на напрежение: U d = U d ΔU x. (..) Замествайки в (..) величината на Δ U x от (.6.6) и разделяйки двете части на уравнението на U d, ще получим уравнението на външната характеристика в о.е.: 5

51 i a i B B B 3 B 5 a b c L d R d i d i a a b c i B B B 3 B 5 L d R d i d B 4 B 6 B а B 4 B 6 B г i B B B 3 B 5 i B B B 3 B 5 i a a i B3 L d i a a i B3 L d b i d b i d c R d c R d B 4 B 6 B B 4 B 6 B д B B 3 B 5 i a i b a i B i B4 L d i d i c b c R d Фиг... I d xs U d* =. (..) 6 U ф От кривата на фазния ток i и времедиаграмите (фиг..3.а в) се вижда, че първият режим ще продължи до товар, при който ъгълът на комутацията стане γ=/3 (6 ). Втори режим. При по-нататъшното увеличаване на товара ъгълът на комутация γ=cons=/3 (6 ), а началото на комутацията ще се задържа за опре- B 4 B 6 B в делен отрязък от време, който може да се изтълкува като поява на допълнителен ъгъл на регулиране α. Физически постоянството на ъгъл γ се ояснява по следния начин. Както се вижда от фиг..3.г, вентил В ще се отпуши не в момент, а така както и в първия режим в момент. Това се ояснява с това, че на интервала се извършва комутация на тока от В 4 на В 6 в анодното рамо и по тази причина потенциалът на анода на В, равен на потенциала на катода на В 4 (вентилите са включени към една фаза), се изменя не по кривата на фазното напрежение u a, а по кривата (u a +u b )/, и следователно, потенциалът на анода на В на интервала е по-нисък от потенциала на анода на В 5 (кривата i c ), и комутацията на тока от В 5 на В е невъзможна. Токоразпределението в схемата е показано на фиг... Веригата на вентила, 5

52 отпушването на който се задържа В, е отелязана с пунктир. Преходът на тока от В 5 на В започва в момент, когато свършва комутацията на тока от В 4 на В 6 и потенциалът на анода на В отново ще се изменя по кривата на фазното напрежение u a. Кривата на тока i a е показана на фиг..3.д, от която се вижда, че комутацията в катодното рамо не може да започне по-рано от края на комутацията в анодното рамо. Затова моментът на началото на комутацията от едното рамо се стикова с края на комутацията в другото рамо. Такава поредна смяна на шест комутации за период е възможно само при γ=/3 (6 ). Ако ъгъл γ расте с нарастването на товара, започва да расте и задръжането на комутацията, т.е. фактическият ъгъл на управление α. С нарастването на ъгъла на управление нараства и комутиращото е.д.н. в контура на i I d γ комутация, което ще ускори комутацията и ще намали ъгъл γ до 6. а /3 По този начин, изправителят ще I d достигне ново равновесно състояние, но вече с по-голям ъгъл на уп- равление α. В резултат на това при /3 /3 нарастване на товара и при достигане на γ=/3 започва вторият ре- /3 γ u a u b u c u a u b в жим, който съществено се отличава от първия. Справедливи са следните зависимости, както е показано порано: α γ г ( ) I d xs cosα cos α + γ =. 6 U ф (..3) 3 6 U ф /3 U d = [ cosα + cos( α + γ )]. ua i ub I d (..4) д 4 Т.к. във втория режим γ=/3, /3 /3 това значение може да се замести в α γ (..3) и (..4) и α=α, след което ще получим: u a u b u c u a u b е ( ) I d xs sin α ' + / 6 = ; 6 U ф (..5) /3 /3 ( ) U d cos α ' + / 6 = I d 9 U. ж i a /3 /3 4 x I d + U 6U 8U d Фиг..3. s = ф ф ф (..6) Повдигайки в квадрат (..5) и (..6) и сумирайки ги, ще получим уравнението на външната характеристика:. (..7) 5

53 Както се вижда от (..7), външната характеристика във втория режим представлява дъга от елипса, с полуоси на която по координатите I d и U d са съответно равни: 6 U ф I d.елипс =. (..8) xs 9U ф U d.елипс =. (..9) Очевидно, че краят на външната характеристика в първи режим съвпада с началото на външната характеристика във втория режим. Токът I d(-), при който започва преходът на изправителя във втори режим, се получава от (..3), замествайки α= и γ=/3: 6 U ф I d ( ) =. (..) 4 xs Напрежението U d(-) се получава при заместване на α= и γ=/3 в (..4): 9 6 U ф U d ( ) =. (..) 4 Трети режим. Краят на втория режим настъпва при товар I d(-3), за който сумата α +γ=/, при което α =3. Кривите на потенциалите на ощите аноди и ощите катоди и на фазния ток i a са показани на фиг...е,ж. Както се вижда от фигурата, при α +γ=/ в точка =/3 потенциалите на анодите на вентили ua + ub В 5 (u c ) и В стават равни, лагодарение на което В се отпушва и комутацията в анодното рамо започва по-рано, отколкото комутацията в катодно- то рамо завърши. Вследствие на това при по-нататъшно увеличаване на товарния ток фактическият ъгъл на управление α=/6=cons, започва ново увеличение на ъгъл γ>/3 и започва третият режим. Токът и напрежението, при който започва третия режим (I d(-3), U d(-3) ), се намират, като се замести α =/6 в (..5) и (..6): 3 U ф I d ( 3 ) =. (..) α u a u b u c 4 xs 9 / U ф U. (..3) а d ( 3 ) = 4 Увеличението на ъгъл γ>6 довежда до двойно препокриване, което се свежда до това, че интервалите на комутация на анодното и катодното рамо започват да се препокриват. На фиг..4 са показани времедиаграмите на положителния и отрицателния полюс на изправителя, интервалите на проводимост на вентилите и токът на В - i B. В момент на двойно препокриване (интервал γ ) u d =, т.к. са отпушени едновременно два вентила, включени към някоя от фазите, и изходът на изправителя е закъ- в i B 3 B 5 B 4 γ B 6 γ γ H γ I d Фиг..4. B B 3 B 53

54 сен. Например, в момент са отпушени В, В 5, В 4 и В 6, следователно, изходът е закъсен от В и В 4. Както се вижда от фиг..4.а,, в третия режим поредно раотят по три или по четири вентила (режим 3-4). Сменят се интервали на двойна (γ ) и нормална (γ н ) комутации, отсъстват извън комутационни интервали. Моментната величина на изправеното напрежение при раота на три вентила 3 : ub + uc 3 u = u U sin. (..4) d a = ф В интервала на раота на четири вентила u d =, а средното изправено напрежение се получава чрез интегриране на (..4) в границите на /3+γ. Границите на интегриране се определят от фиг..3.а, полагайки α =/6: U d 3 = / 3+ γ 3 U ф 9 sind = U ф [ sin( γ / 6) ]. (..5) U d* = Относителната величина е равна: 3 [ sin( γ / 6) ]. (..6) За да можем от (..6) да получим уравнението на външната характеристика, е нужно да намерим връзката между ъгъл γ и ток I d. След няколко преоразувания тази зависимост има следния вид: I d xs + sin γ =. 6 U ф (..7) Замествайки sin( γ / 6) от (..7) в (..5), ще получим уравнението на външната характеристика: 9 U ф I d xs U d =, (..8) или в о.е.: U d 3 I d xs U d* = = 3. U d 6 U ф (..9) Както се вижда от (..9), външната характеристика в трети режим е права линия. При к.с. U d* =, и I d =I k.c.. Замествайки U d* = в (..9), ще получим: I d.k.c. = U ф. x (..) s γ, α I γ α II III,,4,6,8, I = d* I I d dk U d(-)* α=45 U d(-3)* U d* I α=6 I d(-)* α= α=3 II,5, I d(-3)* III I I d* = I d dk Фиг..5. Фиг

55 На фиг..5 са показани графиките на изменението на ъгъла на комутация γ и фактическия ъгъл на управление α за неуправляем изправител. Пълната външна характеристика за α= в о.е. е показана на фиг..6. Оластите на първия, втория и третия режими са означени с римските цифри I, II, III. При управляем изправител уравнението на външната характеристика в първи режим ще има следния вид: U d = U d cosα ΔU x, (..) или в относителни единици: I d xs U d* = cosα, (..) 6 U ф Точното уравнение на външната характеристика на управляем изправител в първи режим с отчитане на активните съпротивления и падението на напрежение върху вентилите: 3 I d γ U d = U d cosα xs Rф ΔU B + 3. (..3) Преходът от първи във втори режим (изход на елиптична характеристика) при управляем изправител се извършва при токове, по-големи от I d(-), т.к. γ</3. Токът, при който започва втори режим в управляем изправител I d(-), се определя, замествайки в (..3) γ=/3: 6 U ф I' d ( ) = cos α. (..4) xs 3 Във втори режим процесите са същите както при неуправляемия изправител. Ъгъл γ =cons=/3 при увеличаване на товарния ток, расте фактическият ъгъл на управление α, който става по-голям от ъгъл α, задаван от системата за управление. Изразите (..5) и (..6) са справедливи и за управляемия изправител, следователно, външната характеристика във втори режим се описва също от уравнение на елипса (..7). Преходът от втори към трети режим се извършва при товари I d(-3), за които фактическият ъгъл на управление α =/6, а α +γ=/, т.е. при същите условия както и при α=. Външната характеристика в третия режим съвпада с характеристиката при неуправляем изправител. Тези режими и външните характеристики са справедливи и за управляемите изправители с ъгли на управление α</6. При ъгли на управление α>/6 режимът на раота на 3 вентила (втори режим) отсъства, което се ояснява с това, че когато ъгъл γ достигне /3, ъгъл α+γ>/. Това условие осигурява възможност за включване на поредния вентил, въпреки че предидущата комутация не е завършила. По този начин, за изправители, раотещи с α>/6, след първия режим настъпва трети режим (режим 3-4), който настъпва при товари I d(-3), за които γ=/3. Зависимостта U d =f(i d ), съответстваща на условието γ=/3, представлява дъга на елипса, отелязана на фиг..6 с пунктир. Величините I d(-3) могат да се определят като точки на пресичане на външните характеристике на изправителя в първи режим с дъга на елипса при γ=/3. Външната характеристика при α>/6 в трети режим се описва от уравнението: 55

56 = I d xs U d* 3 cos α. (..5) 6 U ф Замествайки U d = в (..5), ще се получи формула за определяне на тока на к.с. I dk.c., с α>/6: U ф I ' d.k.c. = cos α = I d.k.c. cos α. (..6) xs 6 6 Както се вижда от (..6), токът на к.с. е по-малък от режима на раота с α>/6. За изправителите, раотещи с α>/3, в целия диапазон на товари ще съществува само първи режим. Действително, използвайки уравнението на комутацията (..3) и условието за начало на третия режим α+γ=/, се намира, че при α=/3 токът на прехода от първи в трети режим съвпада с дължината на токовата полуос на елипса I dелипс. При това U d =, т.е. първият режим продължава до к.с. По този начин, както се вижда от анализа и от фиг..6, при раота в диапазона <α</6 в зависимост от товарния ток могат да възникнат първи, втори и трети режими, при /6<α</3 първи и трети режими и при /3<α е възможен само първи режим на раота... Външни характеристики и режими на раота на 6-фазен изправител с уравнителен реактор L d = Пренерегваме пада на напрежение върху R елементите на схемата и върху вентилите. Първият режим се определя от диапазона на товара I d = I d.кр. Критичният режим на раота на изправителя (I d.кр ) възниква, когато постоянната съставка на I d, протичащ през уравнителния дросел стане равен на намагнитващия ток. Оикновено I d.кр =,,.I ном. При първия режим няма компенсация на м.д.с. от постоянните съставки на тока и I d, протичащ през реактора е и намагнитващ ток. При това реакторът вече не изравнява изправеното напрежение на двете схеми и изправителят преминава в режим на раота като 6-ти фазна схема със средна точка. При комутация последователно с фазната намотка на трансформатора е включена полунамотката на дросела с голяма индуктивност. Появата в комутационния контур на голяма L увеличава ъгъл γ и заавя комутацията. И въпреки, че I d е малък с неговото нарастване рязко нараства γ и външната характеристика на изправителя рязко спада. Напрежението на празен ход U dпх е равно на напрежението на празен ход на 6-ти фазна схема със средна точка, като при α=: 3 U = U,35U. (..) dпп ф = ф При I d I d. kp реакторът влиза в активен режим и изравнява U на отделните трифазни схеми. Изправителят преминава от шести фазен режим в режим на паралелна раота на трифазните схеми, при което γ рязко пада, т.к. в комутационния контур влизат само реактивните съпротивления на разсейване на трансформатора и мрежата. Изправеното напрежение в този момент е същото като при трифазна схема със средна точка и прилизително е равно на напрежението на условния празен ход на шестифазната с схема с уравнителен реактор: 3 6 U d = U ф =,7U ф. (..) 56

57 На фиг..7 са показани външните характеристики в оластта на критичния и нормален режим, от които се вижда, че с нарастване на α нараства и I d.kp, U d* = U d / U d което се ояснява с това, че нараства и напрежението на уравнителния реактор, което предизвиква нарастване, α= на потока на магнитопровода и на I μ.. α=3 Нарастването на U при малки токове е нежелателно, което може да се отстрани чрез включване на аластен товар или чрез принудително подмаг-,5 α=6 нитване на реактора с ток с тройна I d.kp честота. Вторият (нормален) режим на I d раота е при диапазон на товара Фиг..7. I d > I d. kp и γ</3. Вентилите раотят на групи по два и три, като комутацията във всяка от трифазните групи е независима от другата. Уравнението на външната характеристика: 3.x cosα I d s U d = U d, (..3) 4 или в о.е.: U d I d.xs U d* = = cosα ; (..4) U d 6 U ф където: U d - напрежение на условния празен ход. При по-нататъшно увеличение на товара, когато γ=6, настъпва третия (претоварен) режим на раота, който се определя от специфичния режим на раота на трансформатора и неговите индуктивни съпротивления на разсейване. При увеличение на I d, както и при трифазната мостова схема, започва да нараства фактическият ъгъл на управление α, съответстващ на задръжката на началото на комутацията на поредния вентил. Вентилите в този режим раотят по три. Външната характеристика в третия режим се описва от уравнение на дъгата на елипса. Четвъртият режим на раота започва при такъв товарен ток I d(3-4 ), когато стойността на действителния ъгъл на управление α =/6, при това α =/6=cons, а γ започва да нараства. Интервалите на комутация в отделните изправителни групи започват да се препокриват, възникват интервали на двойно препокриване, като вентилите раотят по 3 и по 4. Външната характеристика е права линия. На фиг..8.а и фиг..8. са показани семейства външни характеристики за различни параметри ъгъл α и параметър q, където параметърът q характеризира качествения състав на реактивните съпротивления на комутационния контур: xм ' + xs' + x3s xм' + xs' + x3s q = = ; (..5) x ' + x ' + x + x x м s s 3s s 57

58 където: х м приведено съпротивление на мрежата; х s приведено съпротивление на разсейване на w ; х s вторично несвързано съпротивление на трансформатора; х 3s вторично свързано съпротивление на трансформатора; х s пълно реактивно съпротивление на фазата. U d* = U d / U d U d* = U d / U d, α= а, α=3,5 q= q=,5,5 α=6 q= q=,5,5, I d* = I d / I dk,5,5, I d* = I d / I dk Фиг Коефициент на мощност, загуи и коефициент на полезно действие на изправителя а в г u, i i I α k u, i α u, i φ γ d T u u Id /6 α kt u, i /6 α γ u u I k d T I k d T i i i Фиг..9. При раота изправителят консумира от мрежата не синусоидален ток, първият хармоник на който изостава относително кривата на захранващото напрежение на ъгъл ϕ. Параметрите на захранващия трансформатор и комутационната аппаратура се определят от пълната мощност, консумирана от преоразователя. Ако е известна постоянното-ковата мощност, то за изчисление на пълната мощност е неоходимо да се знае коефицинетът на мощност и коефициентът на полезно действие (к.п.д.) на изправителя. Като пример са разгледани определянето на коефициента на мощност и к.п.д. на еднофазен и трифазен мостови изправители (L d = ). На фиг..9 са показани кривите на захранващото напрежение и консумирания ток за еднофазен мостов изправител при идеално изгладен ток. Фиг..9.а се отнася за идеализиран случай (γ=), а фиг..9. за реален изправител. На фиг..9.г са показани аналогичните криви за трифазен мостов изправител при съединение на групите на трансформатора Y/Y. Коефициент на мощност на еднофазен мостов изправител Коефициентът на мощност χ в ощия случай се определя като отношение на активната към пълната мощност, консумирана от изправителя: 58

59 P χ =. (..) Q Т.к. напрежението на захранващата мрежа практически е синусоидално (за случаите, когато мощността на мрежата е много по-голяма от мощността на изправителя), то за активната и пълната мощности може да се запишат следните зависимости: P = U I I cos. (..) ϕ S = U I I = U I I + I n ; (..3) където: U ефективното значение на захранващото напрежение; I I ефективно значение на първия хармоник на черпения ток; I n ефективен хармоник на от n- ти ред; ϕ фазово изместване на първия хармоник на тока по отношение на захранващото напрежение. Замествайки P и S от (..) и (..3) в (..), ще се получи: χ = I I cosϕ = ν cosϕ ; I I + I n (..4) където: ν - коефициент на изкривяване на тока. Както се вижда от фиг..9.а, където с пунктир е показана кривата на първия хармоник на черпения ток i за идеализирания изправител, ϕ =α. Следователно, коефициентът на мощност: χ = ν cosα. (..5) Т.к. коефициентът на изкривяване ν за правоъгълна форма на тока : ν =, (..6) ще получим: χ = cosα. (..7) Както се вижда от фиг..9., при наличие на комутация ϕ >α. Фазовото изместване на първия хармоник на тока по отношение на напрежението прилизително: ϕ = α + γ, (..8) откъдето: cosϕ = cos α + γ. (..9) Коефициентът на изместване cosϕ може да се изчисли и по друг начин. За активната мощност на променливотоковата страна и мощността на изправения ток е справедливо: U d I d = U I I cosϕ. (..) Следователно за коефициента на мощност ще получим: U cos d I d = U I I (..) При ъгли на комутация γ<3 за първия хармоник на черпения ток е справедливо: I I 4 I d k. (..) T 59

60 Замествайки I I от (..) в (..) и използвайки (.3.), ще получим: cosα + cos( α + γ ) cosϕ =. (..3) Коефициентът на изкривяване при отчитане на комутационните участъци с достатъчна точност може да се определи като се приеме, че комутацията е линейна. На фиг..9. с пунктир е показано линейното изменение на тока през времето на комутацията, при което този коефициент е: ν = kд. (..4) kt където: γ sin kд =. (..5) γ γ 3 Величините на k д за различни ъгли γ: γ k д,,3,65,83 Както се вижда, коефициентът k д за раотния диапазон е лизък до единица. Окончателно, за коефициента на мощност на реален еднофазен мостов изправител: χ = kд cos( α +,5γ ) cos( α +, 5γ ), (..6) или, използвайки (..3) за cosϕ : χ = kд [ cosα + cos( α + γ )]. (..7) Коефициент на мощност на трифазен мостов изправител Както се вижда от фиг..9.в, където първият хармоник на черпения от мрежата ток i e показан с пунктри при γ= ϕ =α. Коефициентът на изкривяване на тока, който е показан на фиг..9.в, е ν=3/. Окончателно за коефициента на мощност: 3U I ϕ χ I cos 3 = = ν cosϕ = cosα. (..8) 3U I Отчитайки комутацията: cosϕ = cos( α +, 5γ ), (..9) или: cosα + cos( α + γ ) cosϕ =. (..) При γ<3 (..) дава по-точни резултати. Коефициентът на изкривяване на тока, показан на фиг..9.г: 3 γ γ ν +. (..) 4 4 Окончателно за коефициента на мощност: 6

61 3 γ γ χ = ν cosϕ = + cos α + γ. (..) 4 4 или: 3 γ γ cosα + cos( α + γ ) χ = ν cosϕ = (..3) Коефициент на полезно действие на изправителя p.a. = Активните загуи на изправителя се състоят от:. Загуи във вентилите ΔP B.. Загуи в захранващия трансформатора ΔP=ΔP c +ΔP м ; където ΔP c - загуи в стоманата на магнитопровода; ΔP м загуа в медта на намотките. 3. Загуи в реакторите (анодните, изглаждащите, уравнителните) ΔP р. 4. Загуи в спомагателните устройства (системата на управление, системата на охлаждане) ΔP сп. Загуите ΔP c и ΔP cп практически са постоянни и не зависят от товара. Загуите във вентилите прилижено могат да се определят по следния начин: Δ PB = mδu B I B. cp ; (..4) където m рой на вентилите на изправителя. По-точна формула за ΔP B се получава при разделянето на загуите на две части: Δ P B = m( U I B.cp + R д I B ), (..5) като втората съставка може да се оедини със загуите в w. Формула (..4) е по-удона за изправители на средни и високи напрежения, а (..5) на ниски напрежения. При раота с изгладен ток при малки пулсации на i d може да се приеме P d =U d II d. Коефициентът на полезно действие: U d I d η = ; (..6) U d I d + Δ Pc + Δ Pсп + m k I d ΔU B + nk 3 R I d + n k R I d + Δ Pд където: k = I B.cp / I d ; k = I / I d ; k3 = I / I d ; n, n рой на отделните намотки на първичната и вторичната страна на трансформатора; R, R активни съпротивления на w, w. Загуите в реакторите: Δ P p = Δ P p.и. + Δ P p.y + Δ P p. a ; (..7) където: Δ P p.и. = R p.и. I d - загуи в изглаждащия реактор; Δ P p.y. = R p.c. I d / 4 - загуи в уравнителния реактор; Δ P m R k I - загуи в анодните дросели. Поради малката величина може да не отчетат загуите в стоманата на реакторите. p.a. d 6

62 ТРЕТА ГЛАВА РЕГУЛАТОРИ НА НАПРЕЖЕНИЕ За различни технологични нужди в промишлеността се използват регулатори на напрежение. Това са промишлени преоразователи, с помощта на които по определен закон се изменят стойностите на постоянното или променливото напрежение в електрическите вериги и товар. 3.. Осоености на импулсния метод за регулиране на напрежението Регулирането на напрежението на даден потреител с помощта на импулсни преоразователи се нарича импулсно регулиране. Чрез импулсния преоразовател източникът на постоянно или променливо напрежение периодично се превключва към товара, в резултат на което на изхода на преоразователя се формират импулси. На фиг.3. е показана схемата на импулсен регулатор на постоянно напрежение. Ако приемем, че електронният приор (вентил) е идеален ключ, то при затворен ключ моментното напрежение на товара е равно на напрежението на източника на захранване, а в момента, когато ключът е отворен равно на нула. В K интервалите, когато ключът К е затворен + и (фиг.3.) моментната стойност на напрежението на E U T R T товара U T =E, а в интервалите, когато ключът е отворен (интервалите на паузите п ) - U T =. Следо- - вателно, изходното напрежение представлява поредица от правоъгълни импулси с постоянна амплитуда. Средната стойност на напрежението върху Фиг.3.. товара е: и и U T = Еd = E. (3..) T T а в U T U T U T E o u u T U T u T n U T u U T u u u3 T E o n E o u T u T T T 3 Фиг.3.. ШИР ЧИР Регулирането на U T става чрез изменение на времето и на отпушеното състояние спрямо периода на превключване Т, т.е. чрез изменение на коефициента на запълване на импулсите. То може да си извърши по два начина. При първия (фиг.3..а) се изменя интервалът на проводимост и, в който се формира импулсът, а се запазва неизменен периодът на превключване Т. Този начин се нарича широчинно-импулсно регулиране (ШИР). При втория се изменя периодът Т, т.е. честотата на превключване на ключа К, а интервалът на проводимост и е постоянен. Този начин се нарича честотноимпулсно регулиране (ЧИР). По-широко в практиката се използва ШИР, поради попростата си реализация. 6

63 Ако източникът на фиг.3. е променливотоков, то схемата показва импулсен регулатор на променливо напрежение. Последователно с променливотоковия товар R T е свързан ключът К, но той се включва с известно закъснение α всеки полупериод на синусоидалното напрежение мрежата u мр (фиг.3.3). Напрежението върху товара R T се получава във вид на импулси, които представляват части от синусоиди. Чрез изменение големината на ъгъл α, т.е. чрез изменение на широчината на импулсите може плавно да се променя ефективната стойност U T на напрежението върху товара. Импулсните регулатори на постоянно и променливо напрежение намират широко приложение за регулиране и стаилизиране на напрежението на различни потреители в електротранспорта, електрозадвижването, технологичните процеси, в автономното захранване и др. Широкото им използване се ояснява с много дорите им електрически и експлоатационни характеристики и параметри: голям к.п.д.; точност на регулирането; малка чувствителност към околната среда; малки гаарити и маси; постоянна готовност за раота. Освен това те могат да служат и за прекъсвачи на ток при максимално токовите защити. Недостатъците им се свеждат до неоходимостта от използване на филтри на изхода им, което намалява ързодействието, като и възникването на радиосмущения поради големите скорости на включване и изключване на тока във веригите на регулаторите. 3.. Методи за комутация на силовите приори Регулаторите на напрежение се изпълняват най-лесно с приори с напълно управляеми приори двуоперационни тиристори (GTO gae urn off) и транзистори (IGBT, MOSFET). Комутацията (включването/изключването) на тези приори става чрез подаване на импулси на управляващите им електроди. При регулатори с много голяма мощност, както и при високи напрежения върху товарите се използват тиристори, които са едностранно управляеми, т.е. може да се управлява само момента на тяхното включване чрез УИ. Изключването може да стане по два начина: чрез намаляване на анодния им ток под стойността на тока на удържане I уд ; или чрез прилагане на оратно анодно напрежение, въздействащо върху тиристора в течение на време, не по-малко от времето на изключване на приора q. Според вида и начина на получаване на комутиращото напрежение u k има два вида комутация: естествена и изкуствена (принудителна). При естествената комутация източник на u k е променливотоковата мрежа (фиг.3.4.а). При всяка положителна полувълна на u мр и подаване на УИ тиристорът Т се включва, а при отрицателна полувълна той се изключва, т.к. анодното му напрежение е отрицателно. Изкуствена (принудителна) комутация се използва при постояннотоков захранващ източник. Напрежението u k се създава в спомагателни вериги, наречени комутиращи, като в момента на изключване u k се прилага към Т. Най-често u k се създава върху кондензатор, наричан комутиращ. Според метода на подаване на u k се различават схеми с паралелна и последователна комутация. U МР U Т α U МР U Т α Фиг

64 При паралелна комутация комутиращият кондензатор се свързва паралелно на изключвания Т, а при последователна последователно. Схемите на фиг.3.4. г показват най-често ползваните начини на паралелна комутация. На схемата на фиг.3.4. резисторът R>>R T. Когато е включен Т и през товара тече ток, кондензаторът С се зарежда от източника Е през R и Т са напрежение U E и с полярност, показана ез скои. Включването на тиристора Т води до изключване на Т, т.к. комутиращото u C се прилага чрез Т като оратно напрежение към Т. След това С се презарежда през R T и Т до + U MP - + а) R Т Т E R Т R C - + (+) (-) T U c T ) + E - R Т T R Т C - C + - E + - (-) (+) (-) (+) L T T L - в) + г) Д - E C - + L U C д) R Т T - E Фиг.3.4. напрежение Е и с полярност, показана в скои.. При това зареждане токът през Т намалява и когато стане по-малък от тока на удържане, Т се запушва. Тиристорът Т отново се включва и процесите се повтарят. В схемата на фиг.3.4.в комутиращият С оразуват колеателен (трептящ) кръг заедно с оината L. Когато Т е запушен, кондензаторът С се зарежда с полярност, показан ез скои. При отпушване на Т кондензаторът се презарежда резонансно през L и Т. Полярността на u C след полупериод от презареждането е показана в скои. В следващия полупериод на соствените колеания на LCкръга нарастващият ток на презареждане на С започва да протича насрещно на анодния ток I a на Т (товарния ток) и Т се запушва в момента на изравняване на двата тока. R Т Т Тр е) 64

65 Комутацията на тока в схемата на фиг.3.4.г се извършва по следния начин. Първоначално е неоходимо да се включи тиристорът Т, при което С се зарежда от Е с полярност, показана ез скоки. При зареждането на С токът през Т намалява под тока на удържане и Т се запушва. Когато се отпуши Т започва резонансен процес на презареждане на С през Т, Д и L, като в края на процеса u C има полярност, показана в скои. Това напрежение се задържа върху С, защото диодът Д е запушен и не позволява по-нататъшно протичане на резонансния процес. За да се запуши Т, е неоходимо отново да се отпуши Т, в следствие на което на Т се прилага u C, което е запушващо за Т. Кондензаторът С започва да се презарежда през Т до първоначалната полярност (ез скои), след което Т отново може да се отпуши. Тази схема е една от найразпространените, т.к. позволява, да се регулира продължителността на отпушеното състояние на Т в широк диапазон, по свойства приличащ на двуоперационен тиристор. Чрез схемите на фиг.3.4.д,е са показани най-често използваните методи за последователна комутация. В схемата на фиг.3.4.д при отпушване на тиристора Т - R T, L и С оразуват колеателен контур, към който е приложено Е. При изпълнение на условието: L RT <. (3..) C има резонанс и във веригата протича синусоидален ток. Соствената честота на този ток се определя по формулата: RT f =. (3..) LC L Под въздействие на този ток С се зарежда в края на полупериода до u C >E с показаната полярност. В следващия полупериод токът в контура трява да смени посоката си, но Т не може да провежда в оратна посока и токът става равен на нула. Върху Т се установява оратно напрежение u ор =u C -E. Ако това напрежение се задържи за време по-голямо от времето на изключване q, той се запушва. На фиг.3.4.е е показана схема на последователна комутация, като u k представлява импулси, които се подават от външен източник чрез трансформатора Тр последователно на тиристора Т. За да се установи отрицателно напрежение на Т, е неоходимо напрежението на w да е с плюс към катода на Т и с амплитуда по-голяма от Е. Продължителността на комутиращите импулси трява да е по-голяма от q на Т. Изорът на начина на комутация зависи от вида на импулсния регулатор и поставените изисквания към него. При регулаторите на променливо напрежение се използва предимно естествена комутация, а при регулаторите на постоянно напрежение паралелна принудителна комутация. Разгледаните методи за принудителна комутация се използват и в други преоразователи (инверторите) Регулатори на постоянно напрежение Импулсните регулатори на постоянно напрежение, използващи принципа на ШИР, намират приложение в: 65

66 Електрозадвижванията за плавно регулиране на честота на въртене на постояннотокови двигател в широк диапазон (например за металорежещи машини); Градския транспорт регулиране на скоростта на трамваи, тролеи, електромоили; Промишления електротранспорт управление на електрокари и други товароподемни машини; Системите за захранване на ордови устройства в кораи и самолети; Различните устройства за импулсно стаилизиране на постоянното напрежение захранване на цифрови устройства и компютри. T E U a T (-) C (+) + - U T R T R Д L T a U у в U у U T E г д E U a E И T qc Д U T E Фиг.3.5. При постояннотоковите регулатори се използват всички разгледани погоре методи за принудителна комутация. На фиг.3.5.а е показана проста, но надеждна и широко използвана схема на тиристорен регулатор на постоянно напрежение с паралелна капацитивна комутация. В този регулатор е използван начинът за комутация от фиг Т е основният тиристор, през който тече товарният ток, а Т е спомагателен (комутиращ), т.к. той изключва Т. Времедиаграмите на управляващите импулси на Т и Т са показани на фиг.3.5.,в, а кривите на u T и на анода на Т u a на фиг.3.4.г,д. В интервала Т и Т са запушени и u T =. Върху основния тиристор Т u a =E >. При Т 66

67 се отпушва и Е се прилага към товара. Едновременно с включването на Т започва подготовката за неговото изключване. То се изразява в зареждането на С през R и Т с времеконстанта τ=rc до u Е с полярност, означена ез скоки. При се подава УИ на спомагателния Т и той се отпушва, С се оказва свързан паралелно на Т и му подава оратно напрежение, вследствие на което той се запушва. В същия момент u T се увеличава, т.к. към Е се доавя и u C. Веднага след това С започва да се презарежда през товара и захранващия източник. Разреждането става по линеен закон поради голямата стойност на индуктивността на товара L T. Когато u T = при 4 C се е заредил отново до Е, но с оратна полярност (в скоите) и Т се запушва. При 5 се подава УИ на Т и той отново се отпушва и процесът се повтаря. Изходното напрежение u T представлява поредица от еднополярни импулси, чиято средна стойност U T може да се променя с ШИР чрез изменение на широчината и, т.е. чрез изменение на моментите на подаване на УИ на спомагателния Т. За нормалната раота на регулатора е неоходимо схемното време qc > q, неоходимо за запушване на Т, в противен случай той няма да се запуши и двата тиристора ще са едновременно отпушени. Времето qc може да се определи, като се използва u C за интервала 3, в който кондензаторът подава оратно напрежение на Т. При силно индуктивен характер на товара може да се приеме, че i C =I T е почти постоянен и следователно напрежението на кондензатора се изменя по линеен закон: IT uc = E. (3.3.) C При = qc u C =u a = и: IT qc E =, (3.3.) C откъдето може да се определи времето qc : E C qc =. (3.3.3) IT Трява да се изпълни условието qc.min > q на Т. За определяне на qc.min се замества I T в (3.3.3) с максималната стойност на товарния ток I T.max. При изора на тиристорите трява да се има пред вид следното. Неоходимо е токът на Т I T.nom >I T.max. Т провежда сравнително кратко и I T <I T. И двата тиристора се подират с повтарящи се импулсни напрежения в права и оратна посока поголеми от Е. Т.к. в повечето случаи товарът има индуктивен характер, паралелно на него (фиг.3.5.а) се включва оратен диод Д, който разсейва енергията, + Е _ C + (-) _ (+) Д T T L Фиг.3.6. запасана в оината, когато Т и Т са запушени. Токът през товар по време на паузата между импулсите продължава да тече през Д, поради което е непрекъснат. Д се подира с повтарящо се импулсно оратно напрежение по-голямо от Е. На фиг.3.6 е показан регулатор с паралелна капацитивна комутация и резонансно презареждане на комутиращия кондензатор. Т е основният тиристор, а Т спомагателния заедно с С, Д и L неоходими за резонансното презарежда- Д R T L T 67

68 не. При този регулатор е използван начинът на комутация, показан на фиг.3.4.г. Т.к. неоходимата комутационна енергия се черпи от постояннотоковия източник, неоходимо е първоначално включване на Т и зареждане на С с полярност, показана ез скои. Резонансното презареждане на С става след включване на Т и се осъществява през Т, L, Д. Напрежението, до което се презарежда С (в скоите), може да се определи по формулата: U C = E e Q ; (3.3.4) където Q е качественият фактор на последователния колеателен контур, оразуван от L и С при отпушване на Т и Д. Напрежението u C се прилага като оратно напрежение при отпушване на Т. Както и при регулатора на фиг.3.5 това напрежение трява да се задържи отрицателно върху Т за времето qc > q на Т. Времето qc при RL-товар с голяма индуктивна съставка се определя от уравнението: IT ua = uc = qc U C =. (3.3.5) C След заместване на U C от (3.3.4): C E e Q qc =. (3.3.6) IT Регулаторите с паралелна комутация имат някои ощи недостатъци: формата на u изх се различава от правоъгълна (фиг.3.5.г); имат сравнително не широк диапазон на регулиране, т.к. поради наличието на интервала д, в който провежда спомагателния тиристор, отношението и /Т не може да получи стойности, лизки до крайните възможни и, и съответно U T не може да се изменя от Е до. Горните недостатъци до голяма степен се намаляват в схемите с последователна комутация. На фиг.3.7 е показан един регулатор на постоянно U с последователна комутация, при който начинът на комутация е същия с този от фиг.3.4.е. Товар е постояннотоковия двигател ПД с последователно възуждане. В w на импулсния трансформатор са свързани комутиращите елементи и спомагателния тиристор Т. Зареждането на С става от отделен източник на комутиращо напрежение Е к. При запушен Т кондензаторът С се зарежда резонансно през Д, L и w с показаната полярност. Когато се отпуши основният тиристор Т, върху товара се прилага постоянното напрежение Е. За да се запуши Т се подава УИ на Т, тогава С се оказва включен паралелно на w. Вследствие на магнитната връзка u C се прехвърля във w, която е последователно свързана с Т и товара. По този начин към тиристора се подава напрежение, оратно на Е и поголямо от него. Токът през C Т _ L Д Т и се прекратява, а през ПД той продължава да тече, като се затваря през Д. W W Е Т у Спомагателният Т ще се запуши, когато i C, който се _ разрежда през Т и w стане по-малък от тока на Е ПД удържане на Т. Кондензаторът С отново се зарежда Д НВ от Е к и процесите се повтарят. От анализа е Фиг.3.7. ясно, 68

69 че веригата за презареждане на С в интервала на комутация е отделена от товарната верига чрез запушения Т и токът на тази верига не участва в презареждането на С. Поради това формата на u изх е същата, каквато и се получила, ако в схемата на регулатора се използва двуоперационен тиристор. Тази схема е известна под името регулатор с трансформаторна комутация и има основен недостатък големия рой елементи и неоходимостта от допълнителен източник Е к. Поради това този тип регулатори се използва в случаите, когато формата на u изх е съществена и когато е неоходим много широк диапазон на регулиране на u и i. Във всички останали случаи се използват регулатори с паралелна комутация. Системите за управление трява формират УИ за основния и спомагателния тиристор, като УИ за спомагателния Т трява да са дефазирани спрямо тези на основния и това дефазиране да е регулируемо, за да се променя и в изхода на регулатора. u MP 3.4. Регулатори на променливо напрежение u MP u у u у u Т T U MPm U Tm u a u a а T Фиг.3.8. i T R T u T 69 Използването на естествена комутация на тиристорите при променливотоковите регулатори опростява значително схемите им, поради което и разнооразието на схеми при тях е значително по-малко, отколкото при постояннотоковите регулатори. Тиристорните регулатори на променлив ток имат следните по-важни оласти на използване: Нагревателни устройства; Заваръчни агрегати, осоено за контактна заварка; Осветителни устройства; Асинхронно електрозадвижване. Във всички тези случаи регулаторите се използват като контактори (прекъсвачи) и като регулатори на напрежение, при това регулирането може да се осъществява и автоматично. Ценно предимство е това, че те могат да се използват и като защитни устройства при аварийни режими (къси съединения и претоварвания). Благодарение на голямото си ързодействие, голям к.п.д., простота на схемите тези регулатори имат широко приложение. В зависимост от вида на потреителите и електрическите мрежи, към които са свързани, регулаторите

70 на променливо напрежение се делят на еднофазни и трифазни. Еднофазни тиристорни регулатори На фиг.3.8.а е показан еднофазен тиристорен регулатор, изпълнен по най-често използваната схема с насрещно-паралелни тиристори. Двата тиристора Т и Т, включени насрещно и паралелно един на друг, са свързани последователно с товара R T. Товарът трява да се превключва към мрежата за еднофазно напрежение u мр и да се регулира ефективната стойност на напрежението u T върху него. Действието на схемата като комутатор е следното. Системата за управление израотва УИ в момента на преминаване на u мр през нулата (фиг.3.8.), като те са дефазирани на 8. Те отпушват тиристорите в началото на всеки полупериод и през товар протича синусоидален ток. С други думи товарното напрежение u T е равно на u мр. Действието на схемата като регулатор е възможно лагодарение на това, че включването на тиристорите може да се извършва във всеки момент на положителната полувълна на u мр. Времедиаграмите на фиг.3.9 показват действието на регулатора при активен товар R T и при ъгъл на управление α, еднакъв за двата тиристора. От тях се вижда, че през положителните полувълни, преди да се подаде УИ на тиристор, например Т, анодното му напрежение u a се изменя по синусоидата на u мр. Анодното напрежение на Т u a през това време също съвпада с u мр, но е отрицателно. В момента =α се подава УИ на Т, който се отпушва и u a =. Върху товар се появява напрежение u Т с форма на част от синусоида и през него протича i T, който съвпада по фаза и форма с u Т, т.к. товарът е активен (R T ). Когато u мр =, тиристорът се запушва. В следващия (отрицателен) полупериод на u мр процесът се повтаря, но тиристорите сменят функциите си. Ефективната стойност на напрежението върху товара U T : U u T i T u a T u a,,8,6,4, α U мр sin α = ut d α = + ; (3.4.) α U T /U MP u T u MP i T Фиг Фиг.3.. α където U мр е ефективната стойност на мрежовото напрежение. Регулировъчната характеристика на регулатора U T =f(α) е показана на фиг.3., като тя е представена в о.е., т.е. по ордината имаме U T /U мр. От (3.4.) следва, че при α= U T =U мр, а при α=8 U T =. 7

71 При RL-товар (фиг.3..а) в раотата на схемата настъпват изменения. Индуктивността L T заавя както нарастването на тока i T при отпушване на тиристорите, така и намаляването му при T i T намаляване на u T (фиг.3..в). Токът i T u a продължава да тече през товара и съответния а u MP тиристор и след преминаване на T R T u T u мр през нулата. Той става равен на нула след известен интервал от време δ от L T следващата полувълна на u мр. Налюдава се подоно явление като при управляемите изправители при раота на RLтовар. В резултат на това при α>δ се u T u MP u T получават паузи в кривата на u Т (фиг.3..), т.е. изходното напрежение δ се получава с много хармонични δ съставки. Това води до изменения на кривата на u a на тиристора (фиг.3..г). α При i T =, върху провеждащия тиристор i T се получава със скок отрицателно напрежение, а върху тиристора, който в следва да провежда положително напрежение. Тиристорите раотят при го- u a u MP леми скорости на нарастване на напрежението du/d и има опасност от превишаване на критичната му стойност. Интерес представлява случаят, когато <α<δ. При α=δ токът i T = и при =α (фиг.3..а), т.е. моментът на отпушване на единия тиристор съвпада г с момента на отпушване на другия. В кривите на i T и u T липсват паузи и всеки тиристор провежда 8. i T и u T са непрекъснати и синусоидални и са дефазирани Фиг.3.. помежду си на ъгъл ϕ=δ. Ъгълът ϕ се определя от формулата за дефазиране между тока и напрежението на RL-верига: u T α, U T /U MP i T δ=φ α а,8,6,4, α Фиг.3.. 7

72 ω arcg LT ϕ = ; (3.4.) RT където ω е кръговата честота на мрежовото напрежение. Формата и дефазирането на кривите на тока и напрежението, показани на фиг.3..а, ще останат същите и при изменение на α= δ. За запазване на раотоспосоността на схемата оаче е неоходимо УИ на всеки тиристор да има продължителност, не по-малка от ϕ. В противен случай УИ на тиристора, който ще се включва, ще завърши по-рано, преди да се е прекратил токът в паралелния на него тиристор и затова следващият тиристор няма да може въоще да се включи. Регулировъчната характеристика при RL-товар се различава от тази при активен товар фиг.3.. (при ϕ=6 ). В интервала 6 U T =U мр, т.е. липсва регулиране.. Регулирането се осъществява при ъгли α>6. Освен разгледаната схема на регулатор с насрещно-паралелно свързани тиристори се използват и други схеми на еднофазни регулатори (фиг.3.3.а). Двата тиристора могат да се заменят с един симетричен тиристор (симистор) фиг.3.3.а, при което се опростява системата за управление, и за която важат всички направени анализи за използването на несиметрични тиристори. Ако се замени единият тиристор с диод (фиг.3.3.) се регулира само в единия полупериод, като вариантът е по-икономичен, но с ограничени регулировъчни възможности. СТ T u MP R T u MP Д R T а Д Д Т Т Т i T i T u MP Д 4 Д 3 R T u T u MP Д Д R T u T в Фиг.3.3. Еднофазен регулатор с изправителен мост (фиг.3.3.в) се осъществява с един тиристор и четири диода, включени в моста. Тиристорът Т е включен в единия диагонал на моста, а R T в другия, последователно със захранващото напрежение. Товарен ток протича само тогава, когато диагоналът на изправителя е даден на късо от Т. През единия полупериод на u мр токът през Т и R T протичат през Д и Д 3, а през другия през Д и Д 4. Чрез изменение на момента на включване на тиристора се регулира u T. Основно предимство е използването само на един Т, за който управлението е просто. Вариант на разгледаната мостова схема е схемата с два диода и два тиристора (фиг.3.3.г). През положителния полупериод на u мр се подава УИ на Т и токът протича през Т, Д и R T. През отрицателния пропускат Т и Д. г 7

73 За всички разгледани схеми U пр.max =U мр.m. За схемите на фиг.3.8.а и фиг.3.3.а U ор.max =U мр.m. Оратното напрежение на тиристорите в схемите на фиг.3.. и фиг.3.3.г е равно на пада на напрежението върху диодите, шунтиращи тиристорите, а за схемата на фиг.3.3.в е прилизително равно на нула, т.к. тиристорът винаги е подложен на напрежение с една и съща полярност. Максималното оратно напрежение върху диодите във всички схеми е равно на U мр.m. Мксималният среден ток през тиристорите (при α=) за схемата с насрещно-паралелни тиристори за схемите от фиг.3.3.а, и за мостовата схема фиг.3.3.г при R-товар: I cp == IT.m sin d,45 IT = ; (3.4.3) където: I T.m - амплитудна стойност на товарния ток; I T ефективна стойност на товарния ток. За мостовата схема с един тиристор поради това, че тиристорът пропуска и двете полувълни на тока, средният му ток е два пъти по-голям I cp =,9I T, а токът през диодите I Д.ср =,45I T. Ощ недостатък на мостовите схеми на регулаторите е наличието на два последователно свързани приора Т и Д, поради което падът на напрежение е по-голям и к.п.д. е по-малък. A B C O Z A Z B Z C Z A B C A B C Z A Z B Z C Z A Z B Z C Фиг.3.4. Трифазни тиристорни регулатори Тези регулатори са предназначени за регулиране на напрежението върху трифазни товари, най-често в електротермични устройства и асинхронни двигател. На фиг.3.4.а е показана схема на регулатор, във всяка фаза на който са включени по два насрещно-паралелни тиристора, като зваздният център е изведен. 73

74 При този регулатор токът във всяка фаза не зависи от тока на другите фази и затова схемата му се разглежда като съставена от три еднофазни регулатора от типа на фиг.3.8.а, поради което всички съотношения и осоености са същите. При увеличаване на ъгъл α се намалява ъгълът на проводимост λ и при определена негова стойност i T =, преди да се е отпушил вентил в следващата фаза. Т.е. може да възникне режим, при който има интервали в които през товара не протича ток. Максималните напрежения в права и оратна посока се определят от амплитудата на фазовите напрежения U пр.max =U ор.max =U ф.max. В схемата на фиг.3.4. ез нулев проводник процесите се различават. Това е така, защото за протичането на тока през товара е неоходимо отпушени най-малко два тиристора. Такъв регулатор може да се използва за регулиране на напрежението върху товари, свързани като в Y, така и в Δ - фиг.3.4.в. максималните напрежения в права и оратна посока върху тиристорите се определят от амплитудата на линейното напрежение U пр.max =U ор.max =U л.max = 3U ф.max. Основен недостатък на тези схеми е използването на много тиристори и сложното им управление. За редица случаи са разраотени икономични схеми: използване на тиристори и диоди фиг.3.5.а; при достъп до нулевата точка на товара схемата на фиг.3.5.; използване на симистори вместо тиристори фиг.3.5.в. А В С А В С А В Z А Z B Z C CT CT CT 3 Z А Z B Z C а Фиг.3.5. АД в 74

75 ЧЕТВЪРТА ГЛАВА ИНВЕРТОРИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ЧЕСТОТА 4.. Ощи сведения и класификация на автономните инвертори Автономните инвертори са устройства, преоразуващи постоянния ток в променлив с постоянна или регулируема честота и раотещи на автономен товар. За разлика от зависимите инвертори, които се управляват от мрежата, при автономния инвертор няма друг източник на енергия на променливотоковата страна. Основните оласти на използване на автономните инвертори:. Резервно захранване и при автономни системи за захранване, в които източник на енергия е акумулаторна атерия.. Електротранспорт, захранван от контактна мрежа за постоянен или променлив ток и използващ асинхронни тягови двигатели. 3. Регулируемо електрозадвижване, управляемо по честота и напрежение. 4. Преоразователи на постоянен ток. 5. Източници на пряко преоразуване на енергията, генериращи постоянен ток с ниско напрежение (термо- и фотогенератори, горивни елементи и др.) и преоразуващи тази енергия в променлив ток. 6. Предаване на енергия на постоянен ток за предаване на електроенергия на дълги разстояния и осигуряване на устойчива раота на енергосистемата. Изисквания към автономните инвертори. Максимален к.п.д.. Минимална мощност на отделните елементи и възли. 3. Широко регулиране на изходното напрежение и честота. 4. Стаилност на изходното напрежение при изменение на стойността и характера на товара. 5. Невъзможност за провал на инвертирането при претоварване. 6. Синусоидална или лизка до нея форма на изходното напрежение. 7. Възможност за раота на празен ход. 8. Максимална надеждност и устойчивост. Структурни схеми на системи с автономни инвертори Системите с автономни инвертори се разделят на два типа: системи за постоянен ток (фиг.4.); системи за променлив ток (фиг.4.). Тези системи се състоят от следните локове: ИПТ източник на постоянен ток; П преоразо- ИПТ П И Ф Т ИПТ П МУ Т СУ Р САИ СУ Р САИ Фиг.4.. Фиг

76 вател; СУ система за управление; И изправител; Ф електрически филтър; МУ междинно устройство, включващо филтри за променлив ток, компенсатори; Т товар; Р регулатор; САИ система за аварийно изключване. Както се вижда от фигурите, регулаторът може да въздейства или непосредствено на изправителя, междинното устройство, на преоразователя, или на системата за управление. Аналогично на регулатора системата за аварийно изключване въздейства или на захранващия източник и изходната верига на преоразователя (изправителя), или на регулатора, сваляйки напрежението от товара. Инвертори на ток и инвертори на напрежение + + B U d i d B B 3 U T i изх Z U T i T d B 4 B B i C C u T, i T - а B 3 B 3 U T u T, i T u T i T C Z T u T = u C I d ω. изкл =β i T U d B 4 B 4 B B - г в i изх В зависимост от протичането на електромагнитните процеси автономните инвертори (АИ) могат да се разделят на два основни типа: инвертори на ток (фиг.4.3,а) и инвертори на напрежение (фиг.4.3.). За инверторите на ток е характерно, че те формират в товара ток (товарът паралелно съединение Z н и С), а формата на напрежението зависи от параметрите на товара. Източникът на постоянен ток ИПТ раоти в режим на генератор на ток, за което във входната верига е включен реакторът L d с голяма индуктивност. L d е и филтър на висши хармоници, т.к. към него е приложена разликата между входното и изходното напрежение, пречи на разряда на С на захранващия източник по време на комутацията на тока във вентилите и осигурява апериодичен режим на раота на ин- Фиг.4.3. вертора, за който са характерни малки пулсации на входния ток и малка зависимост на формата на инвертираното напрежение от товара. Инверторът на ток може да раоти само с RC-товар, т.е при изпреварващ инвертиран ток (фиг.4.3.), когато между анода и катода на запушения вентил в течение на определено време се поддържа отрицателно напрежение, неоходимо за възстановяване на запушващите свойства на вентила. Това време се нарича време за изключване ( C = изкл ). При RL-товар алансът на реактивната мощност се осигурява 76

77 от комутиращите кондензатори. В режим на празен ход инверторът на ток е не раотоспосоен поради затруднения презаряд на кондензатора. При претоварване раотата му е затруднена от недостатъчното време за възстановяване на запушващите свойства на вентилите. Външната характеристика на инвертора на ток е мека. Използват се непълно управляеми вентили тиристори. Инверторите на напрежение формират на товара напрежението, а формата на тока зависи от характера на товара. Захранващият източник раоти като генератор на напрежение. Ако инверторът се захранва от изправител, на входа му се поставя кондензатор с голям капацитет, за да се осигури проводимост на източника в оратна посока. Това е неоходимо когато има RL-товар, когато се ' ' поставя оратен изправител (вентили B B 4 ). Кондензаторът изпълнява функциите на филтър на висшите хармоници на ток, т.к. през него протича разликата между изходния и постоянния за полупериод входен ток. При RC-товар инверторът на напрежение оикновено не раоти, т.к. в момент на включване на вентилите възникват недопустими пикове на тока, но той може да раоти на празен ход. Раотоспосоността му лизко до празен ход се определя от комутационните свойства на вентилите. Външната характеристика е твърда. Използват се напълно управляеми вентили (двуоперационни тиристори и транзистори) и непълно управляеми вентили (тиристори). Трява да се отележи, че понятията инвертор на ток и инвертор на напрежение иха или строги, ако при първите не се нарушаваше равенството L d =, а във втория С =. Практическите схеми на АИ в по-голяма или по-малка степен се долижават до тези понятия в зависимост от L d и С. Инвертори с малки L d и С заемат междинно положение между инверторите на тока и инверторите на напрежение. + Класификация на автономните инвертори Автономните инвертори могат да се класифицират по два признака: по схемата на преоразуване; по начина на комутация. Различават следните схеми на преоразуване:. едновентилна схема на прекъсвач (фиг.4.4.а);. еднофазна с нулев извод (фиг.4.4.); 3. еднофазна с нулев извод на захранващия източник (фиг.4.4.в); 4. еднофазна мостова (фиг.4.4.г); 5. трифазна мостова (фиг.4.4.д); 6. трифазна с нулев извод (фиг.4.4.е). Всички останали схеми са производни на горепосочените. Трета, четвърта и пета схема могат да ъдат с трансформаторен или ез трансформаторен изход, втора и шеста само с трансформаторен изход, ако няма извод на нулевата точка на то U d - U d U d U d a в Z T д Z T Z T U d U d Фиг U d - г е Z T Z T Z T 77

78 вара. Най-разпространени са мостовите схеми. По начина на комутация АИ могат да се разделят на няколко групи:. Инвертори, напълно комутируеми по управляващи вериги (инвертори на двуоперационни тиристори и на транзистори).. Паралелни инвертори, в които комутиращият кондензатор се включва паралелно на товара. За осигуряване на аланса на реактивната мощност във веригата инвертор-товар, при индуктивен характер на последния, се използва или комутиращ С, или захранващият източник, ако има оратен изправител. В съответствие с това паралелните инвертори се делят на инвертори : а. с компенсация на реактивна мощност;. с връщане на реактивната мощност; в. с комутация чрез висшите хармоници. 3. Последователни инвертори, в които резонансна LC-верига, осигуряваща комутацията, се включва последователно на товара. 4. Инвертори с двустепенна комутация, в които освен раотни има и спомагателни тиристори, влизащи в колеателни контури за изключване. Запушването на раотния тиристор се извършва при включване на спомагателния тиристор, включващ колеателния контур, който изменя полярността на напрежението на тиристора, който трява да се запуши. Моментът на отпушване на поредния тиристор може да се измести относително момента на запушването на по-рано раотещия тиристор, което позволява да се осъществи време-импулсна или широчинно-импулсна модулация на u изх. Тези инвертори могат да се разделят на инвертори: а. с групова капацитивна или трансформаторна комутация (в тях се използват един комутиращ С или трансформатор на една двойка раотни тиристори);. с комутиращо устройство за всеки раотен тиристор; в. с комутация по веригата на захранване от основния източник. Въпреки че е увеличен роят на тиристорите, тези инвертори имат следните предимства: минимална мощност на комутиращите C и L; почти пълно разделяне на комутационните и раотни процеси, осигуряващо устойчива комутация на тока в широк диапазон на изменение на честотата, стойността и характера на товара; възможност за изменение на интервала на проводимост λ на раотните тиристори, което позволява да се изключи автономният регулатор на напрежение. 5. Инвертори с ферит-кондензаторна комутация. Комутацията се извършва чрез кондензатор и дросел с насищащ се сърдечник, включен паралелно на тиристора. Външната характеристика на инвертора е твърда, а времето на отпушеното състояние на тиристора, определяно от параметрите на колеателния контур, не зависи от параметрите на товара. Има схеми, притежаващи едновременно признаци на различни групи, например, последователно-паралелни инвертори, в които комутиращите кондензатори са включени паралелно и последователно на товара. 4.. Инвертори, използващи напълно управляеми вентили При анализа на различните схеми на инверторите предполагаме, че: вентилите (двуоперационните тиристори и транзисторите) са идеални ключове; времето на превключване на вентилите е равно на нула; вътрешното съпротивление на захранващия източник е нулево и източникът има двустранна прово- 78

79 димост; активното и индуктивно съпротивления на проводниците са равни на нула. Еднофазен мостов инвертор На фиг.4.5.а е показана схемата на еднофазен мостов инвертор с RLтовар. Нека в първия полупериод (фиг.4.5.) вентилите В и В са отпушени и товарът е включен към захранващия източник (на фиг.4.5.а пътят на тока е показан с плътна линия). При = вентили В, В, В3, В 4 се превключват. Т.к. имаме RL-товар, в първия момент след превключването ( 3 ) за сметка на е.д.н. на самоиндукция товарният ток съхранява посоката си, а токът в захранващия източник сменя знака си. Запасената в товара енергия се връща в източника. От фигурата се вижда, че през интервала 3 (пунктира на фиг.4.5.а) товарният ток протича през ' ' оратните диоди B 3 и B 4 (ако като i раотни вентили се използват транзистори, то ток протича през диоди T ' ' B 3 и B 4 в права посока, а през транзисторите В 3 и В 4 в оратна посока i B от колектора към емитера. Оратните диоди при това осигуряват раотата на транзисторите в режим на насищане при оратни токове, превъзхождащи ik = β i d i, т.к. коефициентът на усилване на транзисторите в 5 оратна (инверсна) посока е по-малък от това в права, около 5 пъти. Фиг.4.5. Както се вижда от фиг.4.5., товарният ток има периодичен характер, като през всеки полупериод той се изменя по експоненциален закон. За него е справедлива следната формула: r T () = () + () U e d = LT i T iпр iсв ; (4..) r r T T T. L T + e където: iпр (), iсв ( ) - принудена и своодна съставка на тока, или: K K ( ) T = e = e i I K I ; (4..) 3 + e + a U d + B B B 3 B 3 C - а Z T B 4 B B B 4 u T i T u T i T

80 където: U d I = - азисен ток; rt K rt K = - параметър на товара; =ω - промен- ω LT ливия времеви ъгъл; a = e 3. Ефективната стойност на напрежението на товара: U T = U d. (4..3) Ефективната стойност на товарния ток: 3 a I T = it ( ) d I. 3 = + K a. (4..4) + На фиг.4.6 са показани графично зависимостите на средните ефективни стойности на токовете на вентилите на АИ и оратния изправител. I I Т.к. понякога като източник на постоянно,8 I Icp I в напрежение се използва изправител, който има едностранна проводимост, на входа се включва кон-,6,5 I ср. в дензаторът С. През кондензатора протича токът,,4 предизвикан от запасената електромагнитна енергия в товара, и по този начин се изягват възмож-,3, ните пренапрежения на тиристорите. Ако се пренерегне изменението на товарния ток от повише- К, нието на u C, то моментният ток на кондензатора е равен на товарния ток:,8,6,4 3, 4, 4,8 5,6 а d () () uc I ' I ic = it = C. (4..5) cp' d I I Неоходимата стойност на капацитета на,5 кондензатора може да се намери от (4..5) след заместване I в на i T от (4..) и отчитане на времето на, заряда на кондензатора. Стойността на С при зададени U d, r T, τ и ΔU C зависи от границите на изменение на честотата на променливия ток. С намаляване,5 I ср. в К на честотата капацитетът се увеличава, а при f, (T ) има максимална стойност.,8,6,4 3, 4, 4,8 5,6 Трифазни инвертори Фиг.4.6. Най-разпространени са мостовите схеми: схемата на Ларионов; състоящ се от три еднофазни моста. Процесите в инверторите зависят от редица фактори: характера на товара; начина на съединение на намотките на трансформатора, метода на управление; типа на захранващия източник; схемата на инвертора. Товарът на АИ, състоящ се от три еднофазни инвертора, може да се включи или чрез три разделителни еднофазни трансформатора, или непосредствено (в този случай всичките 6 края на товара трява да са изведени отделно). Вторичните намотки на трансформатора се съединяват в звезда, т.к. при съединение Δ ще протичат хармонични токове, кратни на три, което ще доведе до увеличение на мощността на трансформатора и нагряване на намотките му. Товарът на АИ по схемата на Ларионов също може да е съединена Y или Δ и също да е съединен непосредствено или чрез трансформатор. При анализа на процесите ще считаме, че системата напрежения е симетрична, че изходният 8

81 трансформатор е идеален (пренерегнати са индуктивността на разсейване и намагнитващият ток), коефициентът на трансформация = w / w. n = Трифазен мостов инвертор (схема Ларионов) λ=8 I 6 6 II III IV V VI I II III U d - B B 3 B 3 B 5 B 5 Продължителността на проводимост на тиристорите λ в схемата на Ларионов (фиг.4.7) може да ъде различна. Да разгледаме продължителност на от- Фиг.4.8. пушено състояние на тиристо- B B Z рите равно на A Z A B 6 Z C B 6 половин период Z C λ=8 - на Z B Z B фиг.4.8 с араски B 5 B 5 цифри са означени отпушените състояния на раотните тиристо- а + U d - + U d - ри. Както се Фиг.4.9. вижда от диаграмата, възможни са 6 независими u d u d U съчетания на отпушени и d U d запушени вентили, при това едновременно са отпу- a i a i i ф i ф iф iф шени винаги три вентила. 5/3 5/3 На всяко съчетание съответства своя еквивалентна i ab /3 /3 i л i л3 i ab i л3 схема (фиг.4.9), от които i I л се вижда, че при съединяване на товара в Δ във вся- i m I m л 4/3 5/3 /3 5/3 /3 /3 4/3 ка фаза или се подава U d, i л или в течение на 6 е затворена сама на сее си, т.е. a Фиг.4.. фазното напрежение има правоъгълна форма с определени нулеви отрязъци (фиг.4..а). При съединение на товара в звезда всяка фаза или е включена паралелно на друга фаза и последователно на третата, или последователно с две други фази, съединени паралелно (фиг.4..). Затова към всяка фаза се подава напреже- B B 4 B 4 B 6 B 6 A B C Z T Z T Z T Z T A Z T Фиг.4.7. Z T B B B C 8

82 ние, равно на U d /3 или U d /3 (при равни съпротивления на фазите), и фазното напрежение на товара има двустепенна форма (фиг.4.). Знаейки формата на напрежението върху товара и използвайки методиката за пресмятане за еднофазния инвертор, може да се определят всички изчислителни съотношения за трифазния инвертор. u ф U d /3 U d /3 u ф U d /3 U d /3 i a i л i л i л3 I m /3 /3 4/3 5/3 i a σ /3 i л i л I m /3 4/3 5/3 i d i d I d a Фиг.4.. U ф = Съединение на товара в звезда Ефективната стойност на фазното напрежение: uф ( ) d = U d. 3 (4..6) Фазният ток, например на фаза А, трява да се определи за три интервала на полупериода: ; Ефективната стойност на товарния ток: I ф = I л = 3 a I. = I.A ; 3 K a + a 3 (4..7) 3 a където: A =.. K a + a В първия момент след превключване (разглеждаме момент на запушване на В 4 и отпушване на В ) токът i a, поддържан от е.д.н. на самоиндукция на тази фаза, съхранява посоката си, преминавайки през В, В 5 и фаза С. По този начин реактивният ток на фаза А съставя част от тока на фаза С и от източника се черпи ток, по-малък със стойността на този реактивен ток. При това, ако i a >i c, то в момента на комутация токът на източника сменя знака си. Ако инверторът се захранва от изправител, на входа му се поставя кондензатор С, приемащ реактивната енергия на товара и снимащ възможните пренапрежения. Токът в източника не сменя посоката си при условие: ia ( = ) ic ( = ). (4..8) Това условие се изпълнява при a, т.е.,,66 K, откъдето: I d 8

83 ,53 cos ϕ T. (4..9) По този начин, при стойности на параметрите на товара, съответстващи на (4..9), реактивният ток на товара напълно се оменя между фазите. При cosϕ T,53 токът във веригата на захранващия източник сменя посоката си, при това само част от реактивния ток на превключваната фаза се отклонява в другата фаза, останалата част преминава през захранващия източник. Съединение на товара в триъгълник Ефективна стойност на напрежението на товара: U ф = U л = U d. (4..) 3 Стойностите на линейните токове при съединение на товара в Δ и Y се различават само с коефициент /3, т.е.: iay ( ) = iaδ ( ). (4..) 3 Продължителност на отпушено състояние на вентилите λ= I II III IV V VI I II III Z A i a + Z A i a Едновременно в инвертора са отпушени само два тиристора (фиг.4.), оаче също са възможни 6 независими съчетания на отпушени и запушени тиристори, на всяко от които съответства своя еквивалентна схема (фиг.4.3). От еквивалентните схеми се вижда, че при активен товар, съединен в звезда (фиг.4.3.а), едната фаза е изключена, останалите две са съединени последователно, т.е. u ф има правоъгълна + + форма с определени нулеви отрязъци, т.е. както при товар съединен в Δ и Z A Z C λ=8. Амплитудата на u ф =U d /. При U d U d Z A съединение на товара в Δ (фиг.4.3.) към всяка фаза се подава напрежение, Z B Z C Z B равно на U d и U d /, т.к. към едната фаза - се присъединяват другите две, съединени последователно. Фазното напре- а - Фиг.4.. Фиг.4.3. жение има двустепенна форма, както за случая λ=8 и съединение на товара в Y. При RL-товар формата на u ф се изменя както при съединение на товара в Δ, така и при Y. Да разгледаме процесите на примера на съединение на товара в звезда (фиг.4.3.в,г). За начало на анализа да приемем запушването на В 5 и отпушването на В. Токът i c се поддържа от е.д.н. на самоиндукция, продължава - U d Z B в Z C i b i c - U d Z B г Z C i b 83

84 да тече в същата посока както и до изключването на В 5, преминавайки през оратния диод В и включва фаза С паралелно на фаза В (фиг.4.3.в). Ако запасената енергия в индуктивността на фазата на товара се разсейва за <T/6, то след снижаването на тока й до нула двете други фази ще са съединени последователно (фиг.4.3.г), при това изменението на параметрите на товара ще доведе до изменение на формата на напрежението. Да разгледаме случай, когато запасената във фазната индуктивност енергия се разсейва за време <T/6. При изменение на K стойността на параметъра а a. При T а=,5, което съответства на = = K,66. Тогава при K,66, което 6 6 f съответства на cosϕ T,53, формата на u ф е същата както при λ=8. При,66 K се изменя формата на кривата, а следователно и хармоничният състав на изходното напрежение, което е недостатък на инверторите с λ=. Трифазен инвертор, състоящ се от три еднофазни инвертора Широко се използват АИ, състоящи се от три еднофазни инвертора фиг.4.4.а). Управлението на раотните вентили се извършва с фазово изместване. На фиг.4.4,,в са показани времедиаграмите за изходното напрежение, съответно за съединение на товара в триъгълник и звезда. + U d ИН ИН ИН 3 Tp Tp Tp 3 A B C а u A =(u AB -u CA )/3 nu d /3 4nUd /3 /3 /3 Y u u nu d u 3 /3 u AB =u -u nu d u BC =u -u 3 u CA =u 3 -u /3 /3 /3 Δ в Фиг Инвертори, използващи непълно управляеми вентили (тиристори) Паралелни инвертори на ток Еднофазен инвертор на ток На фиг.4.5 е показана схемата на еднофазен паралелен инвертор с нулев извод. На управляващите електроди (УЕ) на вентилите В и В от системата за управление СУ се подават УИ с относително изместване 8. Във веригата на източника на захранване е включен дроселът L d, от стойността на индуктив- 84

85 ността на който зависи устойчивата раота на АИ в даден диапазон на честота, а така също формата на u изх и пулсациите на i вх. При отпушването на В през него протича ток, който се определя от зарядния ток на С и от тока в една от полунамотките на трансформатора Тр. Поради взаимоиндукцията протичането на ток през едната полунамотка на Тр възниква равно по стойност, но с противоположен знак е.д.н. в другата полунамотка. Кондензаторът С в края на полупериода е зареден до напрежение u C U d (полярността е показана ез скои). При отпушване на В напрежението u C се подава с положителния си потенциал към катода на В. Разрядният ток на кондензатора по контура, състоящ се от двата отпушени вентила, има ударен характер, т.к. съпротивлението на контура е много малко, в резултат на което В се запушва. Кондензаторът С през В е присъединен към захранващия източник с оратна полярност и започва да се презарежда през w и w на Тр и приведеното съпротивление на товара, придоивайки противоположна полярност, показана в скои. В резултат на това през w ще протича променлив ток. При отпушването на В целият процес се повтаря отново. Оаче, ако за времето на изменение на потенциала u C =U Cmax вентил В успее да възстанови управляващите си свойства, то с възстановяването на положителното анодно напрежение вентил В ще остане запушен до подаването на следващия УИ. Ако това време е недостатъчно, то В пак ще се отпуши. I d i T Комутиращият кондензатор U () може да се включи паралелно както i C I C() към първичната, така и вторичната r T намотка на трансформатора. За анализа на процесите нека да използваме I r() I L() I T() I () β φ L T еквивалентната схема на АИ фиг.4.6, която е получена при идеален Тр, w =w, активното съпротивление на дросела и правото падение на a Фиг.4.6. напрежението върху вентилите са равни на нула, Z T =R T, L d. При пренерегване на началните условия за тази еквивалентна схема i () може да запишем: I d = it + ic ; d uc ic = C ; d C = 4C = C ; Фиг.4.5. (4.3.) ut it =. rt Решавайки тази система относително u T в операторна форма, ще получим следната функция: + - U d i d L d i Z T C w B C B СУ i T w w i B i C + - (+) (-) i i B 85

86 U ( p) = I d T ; (4.3.) pc p + C rt която има два полюса: p = ; p =. C rt Използвайки оратното преоразование на Лаплас, ще получим: u T () + e Cr = A A. (4.3.3) T Коефициентите А и А се намират от началните условия: Напрежението на товара се изменя периодично, вследствие на което неговата стойност при комутациите са равни, но с противоположен знак: = ; (4.3.4) u T = ut = T / Средното напрежение на дросела L d в установен режим е равно на нула: T / ( U ut ) d T / d =. (4.3.5) Изчислявайки А и А с помощта на (4.3.4) и (4.3.5) и замествайки ги в (4.3.3), ще получим израза за моментната стойност на напрежението на товара: T T U d + e τ e τ () 4 ut = ; (4.3.6) T T T + e τ τ e τ 4 където: τ=c.r T. i B i B i C i -i i T (u T ) i И =i T +i C u B c Фиг.4.7. От (4.3.6) се вижда, че напрежението на товара се изменя по експонента (фиг.4.7). С намаляване на товара кривата на тока i C се прилижава към правоъгълна форма, а напрежението на кондензатора u C триъгълна форма (фиг.4.8). При увеличаване на товара напрежението на товара и кондензатора пада, т.к. при това се намалява зарядният ток на кондензатора и се увеличава неговият разряден ток на товара. В резултат на това комутационната спосоност на кондензатора се понижава вследствие на намаляване на запасената в кондензатора енергия. Знаейки напрежението на товара, може да се определят стойностите на токовете на полунамотките на трансформатора (виж фиг.4.5): 86

87 it = i i; id = i + i; d uc i = ic = C ; d C = 4C = C; u = u. C T (4.3.7) u T (u C ) u T (u C ) u T (u C ) U d U d U d u a u a u a Фиг.4.8. От фиг.4.7 се вижда, че моментът на комутация, т.е. моментът на преминаване на инвертирания ток iи = it + ic през нула, изпреварва напрежението на товара с време C, неоходимо на тиристорите за възстановяване на управляващата им спосоност. В течение на това време (наричано време на изпреварване) към тиристора, провеждащ преди това ток, се прилага отрицателно напрежение. Това време на изпреварване може да се определи от (4.3.6), приравнявайки го на нула: C = τ.ln. (4.3.8) T + e τ От (4.3.8) се вижда, че времето на изпреварване се увеличава при увеличаване на активното съпротивление и капацитета на кондензатора. Разглеждайки паралелното съединение на комутиращия кондензатор С и съпротивлението r T като товар на инвертора, не е трудно да се види, че инверторът може да раоти само на капацитивен товар. При раота на инвертора на външен RL-товар, той трява да е компенсиран от капацитета на кондензатора, включван паралелно на товара или комутиращ така, че ощата реакция на веригата и ила капацитивна. Комутиращият С при това се изира от условието да компенсира реактивната мощност на товара и да осигури устойчива комутация на тока. Често при анализ на инверторите, осоено многофазните, се ограничаваме с отчитане само на основния хармоник на токовете и напреженията, което позволява значително да се опростят изчисленията. Характеристиките, получени с помощта на метода на основния хармоник, са подходящи за инженерни изследвания, т.к. малко се отличават от характеристиките, получени с помощта на решаване диференциални уравнения (грешка по-малка от 5%). Ако се предположи, че кривата на инвертирания ток има правоъгълна форма, то амплитудата на първия хармоник ще се определи по следния начин: 4 I ( ) m = i sind = I d n sind = n I d ; (4.3.9) където: w n = - коефициент на трансформация на трансформатора. w а β β в β 87

88 Ефективната стойност на първия хармоник на тока: I ( ) m I ( ) = = n I d. (4.3.) Използвайки формулата за активната мощност може да се получат уравненията за входната и външната характеристики при различни коефициенти на мощност на товара, които са показани на фиг.4.9.а, съответно. В тези характеристики е използвано понятието ниво на натоварване на инвертора, което се определя като отношение на пълната мощност на товара към реактивната мощност на комутиращите кондензатори: n I S xc d B = =. (4.3.) a U Q dωc C zt Коефициентът на пропорционалност а зависи от схемата на инвертора (за трифазния cosφ=, мостов инвертор a = ).,5,9 3 6,7 Характерна осоеност на външните,5,4 характеристики е стръмният спад в района cosφ=, на малки стойности на В, което се ояснява,,4,6,8,,,4,6,8, B с излишък на мощност, генерирана от кондензатора при малки товарни токове. Това nu а ( ) е 3,,, au d,3 cosφ=,,7 cosφ=,9,4,8,,6, Фиг.4.9. B Фиг.4.. един от недостатъците на инвертора. Минималните стойности на входните + B B 3 B 5 характеристики се оясняват с това, C C 3 че при В= проводимостите на индуктивния и капацитивния клон са C равни, т.е. схемата е в режим лизък 5 B B 3 B 5 до резонансен. C На фиг.4. е показана еднофазна схема на инвертор на ток с от- B 4 B 6 B U d B A сичащи диоди ( B и B ). C 4 C При раота на инвертора, когато зарядният ток на кондензатора C + - B през полупериода преминава през нула, отсичащите диоди отделят С от 4 B 6 B - товара. При това зарядът на С свършва по-рано от края на полупериода, и напрежението на кондензатора остава Фиг.4.. пос- L d + - U d L d U T B B Tp B C B 88

89 тоянно. При ниски честоти кондензаторът се изключва от отсичащите диоди през по-голямата част от полупериода, което позволява да се намали стойността на капацитета на комутиращия кондензатор. Освен това, използването на отсичащите диоди пречи на разряда на кондензатора на съседните фази в многофазните инвертори. На фиг.4. е показана една от схемите на трифазен мостов инвертор на ток, използван в преоразователите на честота. i a i b Нека L d, вентилите са идеални (r пр =, r ор = ), индуктивността на разсейване на изходния трансформатор е L a. Комутацията на тока се извършва с помощта на кондензаторите С С 6. Нека в момент (фиг.4.) са отпушени тиристорите В и В и диодите B и u C u C3 u C5 i C 4 3 Фиг.4.. B, и токът протича във фазите А и С. Комутиращите кондензатори са заредени до напрежения, полярността на които е показана на фиг.4.. При това кондензаторите С 3 и С 4 са разредени. При подаване на УИ на В 3 (момент ) той се отпушва и се създават пътища за разряд на кондензаторите, включващи товара и веригата на постояннотоковия източник. Токът на В преминава във веригата на кондензаторите С -С 3 -С 5. Т.к. токът на захранващия източник I d не се изменя (L d ), през С протича ток i C =I d /3, а през последователно съединените кондензатори С 3 и С 5 ток, равен на I d /3. При отпушване на В 3 се запушва В и към него се подава в запушваща посока u C. Токът във фаза А не може да се измени, т.к. пречи индуктивността L d, т.е. в интервала 3 напрежението u C се изменя по линеен закон. При достигане на u C =u ab, започва комутация на тока от фаза А на фаза В. В течение на времето C = - към В е подадено отрицателно напрежение, и той възстановява управляващите си γ свойства. В течение на времето = Δ = 3 токът във фаза А спада до нула, а ω токът във фаза В нараства до установената си стойност, така че в произволен момент от време от този интервал ia + ib = I d = cons. Т.к. през този интервал са отпушени диодите B и B 3, кондензаторът продължава да се дозарежда. В момент 4 завършва комутацията на тока от фаза А на фаза В. При това С се презарежда до напрежение -U Cmax, С 3 до +U Cmax, а С 5 се разрежда до нула. До отпушването на В 5 отсичащите диоди B B 6 пречат на разряда на кондензаторите върху товара. Останалите цикли са аналогични на разгледания, а редът на превключване на тиристорите В В 6 е същият както при трифазния мостов изправител. Тази схема има редица предимства: проста схема за управление; малък рой на тиристори, в резултат на което те се използват по-доре и U B.max =U C.max. 89

90 Последователни инвертори Последователните инвертори имат последователна резонансна LCверига, чрез която се осигурява комутация на тока на вентилите. Тези инвертори се използват, когато е неоходима повишена изходна честота ( 5 Hz). + - U d B L L B a r T C U d Фиг.4.3. B L L B На фиг.4.3 е показана еднотактова схема на последователен инвертор, принципът на раота на който е следния. При подаване на УИ на В той се отпушва и С започва да се зарежда от постояннотоковия източник така, че се получава полярност, показана на фигурата. В следващия полупериод се отпушва В и С се разрежда през веригата r T -L. По този начин през товара протича променлив ток. При това инверторът може да раоти в два режима:. В се изключва преди да се включи В, т.е. има отрязък от време, когато вентилите не провеждат ток, този режим се нарича прекъснат;. В се изключва след включване на В. При това определено време провеждат двата вентила. Нормална раота при това е възможна само, ако напрежението на дросела в момента на комутация е по-голямо от захранващото напрежение u L >U d. Ако това условие не се изпълни, то при включване на поредния тиристор провеждащия преди това тиристор няма да се изключи и източникът ще се окаже даден на късо. Указаното неравенство трява да се съхрани в течение на определен период от време, достатъчен за възстановяване на управляващите свойства на тиристора. Когато В е отпушен, а В запушен ( T/) уравнението, описващо процесите, ще ъде: d U d = rt i + L i + id ; (4.3.) d C където: L индуктивност на половината от комутиращия дросел. Диференцирайки (4.3.) и извършвайки определени преоразувания, ще получим следното диференциално уравнение от -ри ред: d rt d i +. i + i = ; (4.3.3) d L d LC корените на характеристичното уравнение на което са: = rt ± rt p, = δ ± α = δ ± β. (4.3.4) L 4 L LC При решението на уравнението са възможни три режима в зависимост от съотношенията на параметрите на веригата: α> апериодичен закон; α= пределен случай на апериодичен режим (граничен режим); α< периодичен (колеателен) режим. Решението за тока има следния вид: r T C + - C + - 9

91 () U d δ β β ( ) U d δ i =.e e e.e shβ βl = ; (4.3.5) βl β β т.к. shβ =.( e e ). Както е посочено, трява при комутация u L >U d, което е възможно само при колеателен режим. Неоходимо е да преоразуваме (4.3.5), като въведем соствената кръгова честота на контура: rt ω =. (4.3.6) LC 4 L Тогава β=jω, и отчитайки, че sh jx=j.sin x, тогава (4.3.5) ще се препише: () U d δ i =.e sinω. (4.3.7) ωl При ненулеви начални условия, и отчитайки, че товарният ток става нула преди края на полупериода, т.е. I()=, то (4.3.7) може да се препише: () U d U C ( ) δ i =.e sinω. (4.3.8) ωl Напрежението на дросела: d δ δ ul () = L i = [ U d U C ( ) ] e cosω sinω d ω. (4.3.9) Напрежението на кондензатора определяме от (4.3.): δ δ uc () = U d [ U d U C ( ) ] e cosω + sinω ω. (4.3.) За втория полупериод, когато В е отпушен, а В запушен (Т/ T), от (4.3.8) (4.3.) могат да ъдат намерени токовете и напреженията. На азата на получените съотношения може да се получат формулите за режима при който кръговата честота на контура е равна на раотната честота на инвертора ( ω = / T ), т.е. когато токът в края на всеки полупериод е равен на нула, началните условия са: T uc = uc ( T ). (4.3.) Използвайки това съотношение, могат да се получат формулите за изчисление на променливите на инвертора за този режим на раота. Последователният инвертор може да раоти в три раотни режима, които се определят от отношението на соствената кръгова честота (ω) и кръговата честота на задаващия генератор ( ω = / T ). Съотношението (4.3.) съответства на граничния режим, когато ω=ω, при който в края на всеки полупериод токът е а равен на нула (фиг.4.4.а). При ω<ω товарният ток в момента на комутация е различен от нула (фиг.4.4.), а напрежението върху товара има форма, лизка до правоъгълна режим на принудителна комутация. При ω>ω товарният ток се прекъсва преди комутацията в (фиг.4.4.в) режим на естествена комутация. α Използването на комутиращи дросели за граничния режим и за режима на принудителна комутация е T/ Фиг.4.4. оезателно, т.к. ез тях ще се отпушат едновременно два 9

92 тиристора, което ще доведе до преоръщане на инвертора. В режим на естествена комутация не е оезателно да има дросели, но е желателно, т.к. те ограничават скоростта на нарастване на тока на тиристора. За поддържане на изходното напрежение при изменение на товара е неоходимо да се изменя честотата на управляващите импулси. Еднотактовият последователен инвертор има ограничено използване, т.к. енергия постъпва в товара от захранващия източник само в момент, когато е отпушен тиристор В, което предизвиква прекъснат характер на входния ток и голяма разлика между неговата максимална и средна стойност. Двутактовият последователен инвертор (фиг.4.3.) има повече предимства. Раотата му е подона на едно тактовия, само за полупериод на честотата на задаващия генератор се извършва както заряд на единия от кондензаторите (например, С ), така и разряд на другия (С ). Всеки от кондензаторите има капацитет С/. При анализа и проектирането на последователния инвертор могат да се използват всички изведени съотношения, само вместо индуктивността L е неоходима L=L +L T. Соствената кръгова честота (4.3.6) се определя от сумарната L=L +L T, а напрежението върху тях се разпределя пропорционално на индуктивностите. + C B + B B B 3 C C U d Tp Др U d C Tp Др w - C a Z T B - C Фиг.4.5. Последователните инвертори могат да се изпълнят и по трифазна схема. Предимство на последователния инвертор пред паралелния е това, че външната му характеристика при cosϕ T =cons е твърда, оаче при малки товари инверторите излизат от режим. За отстраняване на този недостатък паралелно на товара се съединява кондензатор и последователния инвертор се превръща в последователно-паралелен (фиг.4.5.а). Такъв инвертор има качества както на последователен, така и на паралелен: може да раоти при малки товарни токове; при нарастване на товарния ток u изх се изменя незначително; паралелно включеният С подорява формата на u изх и я прилижава до синусоидална. При изменение на честотата на задаващия генератор, соствената кръгова честота на контура и коефициентът на мощност на товара се изменя u изх, а с нарастване на товарния ток се повишава напрежението на тиристорите, кондензаторите и дроселите, което е недостатък на последователните и последователно-паралелните инвертори. За частично отстраняване на тези недостатъци може да се използва устройство за ограничаване на излишното напрежение чрез оратни диоди (фиг.4.5.). Изправителят за оратен ток В е използван за стаилизация на u изх и при повишение на напрежението на инвертора (при изключвания на товара или изменение на коефициента на мощност на товара) връща част от енергията в постояннотоковия източник. Диодът В 3 и допълнителната намотка Z T L d B 9

93 на комутиращия дросел w служат за ограничение на пренапреженията на тиристорите при претоварване на инвертора. Изправителят В и диод В 3 се включват автоматично при достигане на напрежението на намотките на трансформатора и дросела определена стойност. При нормална раота на инвертора устройствата за ограничение на пренапреженията не раотят, за да се отстранят излишните загуи на мощност. + B B 3 B 5 C C 3 C 5 U d Tp Tp Tp L k L k L k C - B C 4 C 6 B 4 B 6 Z T a T B B 5 B 4 B B 3 B B6 Фиг.4.6. При повишена честота на u изх се използва клетъчна схема на последователен инвертор (фиг.4.6.а). Товарът е еднофазен, тиристорите се включват с честота, по-малка от изходната, затова между включването и изключването на два противофазни тиристора има достатъчно време за възстановяване на управляващите свойства на изключения тиристор (на фиг.4.6. това време е равно на Т). Клетъчният последователен инвертор може да ъде и с ез трансформаторен изход. Инвертори на напрежение, използващи тиристори Ако комутиращите L и C са израни само от условията за комутация на тока на вентилите, то инверторите на ток по свойства се прилижават до инверторите на напрежение, използващи напълно управляеми вентили. Проектирането на инверторите на напрежение, използващи тиристори, се опростява значително, ако раотните и комутационни процеси се разглеждат отделно. Това е възможно, ако периодът на комутация е много малък по сравнение с периода на изходната честота. Т.к. времето за възстановяване на управляващите свойства на тиристорите е незначително, то такъв подход е справедлив даже за сравнително високи честоти. Затова раотните процеси се пресмятат така, както и при инверторите, използващи напълно управляеми вентили. Анализът на комутационните процеси се свежда до намиране на съотношенията между параметрите на 93

94 товара, напрежението на захранващия източник, стойностите на комутиращите L и С и времето на възстановяване на управляващите свойства на тиристорите. При анализа на комутационните процеси приемаме следните допускания: токът на товара е постоянен и равен на I T през цялата комутация (RL-товар, L d ); тиристорите, диодите и трансформаторите са идеални; захранващият постояннотоков източник има r вътр =. Еднофазен инвертор на напрежение с нулев извод Z T Z T B Tp - + C B B B U d + i C Tp - C + i B U d + i T B L a U d w.n=w Tp B w.(n-) Принципът на действие на инвертора на напрежение (фиг.4.7.а) не се отличава от инвертора на ток (фиг.4.5). Променливото напрежение в товара възниква като резултат на последователното включване чрез В и В на полунамотките (- и -) на входния трансформатор Тр през дросел L към постояннотоковия източник. Чрез оратните диоди В и В се извършва връщане на реактивната мощност в източника. При включване на поредния тиристор двете по- в L - Фиг.4.7. г лунамотки на Тр са включени чрез тиристорите В и В с противоположна полярност по отношение на U d и не оказват съпротивление на тока. Затова използването на L е оезателно, т.к. той предотвратява преоръщането на инвертора, а също ограничава ързото нарастване на i C. Нека при = е отпушен В (фиг.4.8). Напрежението на товара е равно на +U d (коефициентът на трансформация n=w /w =), кондензаторът е зареден до u C =+U d. При = се отпушва В (при това i T =I T ) и товарният ток преминава от В във веригата С В. Тиристорът В се запушва и към него се подава оратно напрежение. Оратните диоди В и В не провеждат ток, т.к. към първия е подадено u B =-U d, а към втория u B =. По-нататък оратното напрежение на В се намалява, а на В се увеличава. i L Z T - + C B B L B - U d + 94

95 От момента кондензаторът се презарежда (на фиг.4.8 периодът на комутация е увеличен непропорционално, за да се налюдава явлението), което изменя u T. При u C =u T = B = и сменя полярността си. При = 3 u C =-U d, u T =-U d, u B =+U d, u B =, а токът i C със скок се намалява до нула. Токът в полунамотката - изчезва, а в полунамотката - става равен на I T, и сумарните намагнитващи сили на Тр остават същите. От момента = 3 товарният ток се затваря през оратния диод В (фиг.4.7.в) и под действие на противоположното напрежение U d започва да намалява. При това енергията, запасена в индуктивността на товара, частично се връща в източника, а частично се разсейва в съпротивлението на товара. Спадайки до нула и сменяйки знака си, товарният ток преминава в В, който в този момент трява да е отпушен. Тази схема на идеални елементи е нераотоспосона, т.к. в комутационния период i L нараства малко. В началото на комутацията ( ) комутиращата индуктивност има запас от енергия L I T L W =, а в края ( 3 ) - I Lm W 3 =. Т.к. I Lm >I T, то за да е раотоспосона схемата е неоходимо излишната енергия ΔW=W 3 -W или да се разсейва в активното съпротивление, или да се връща в източника. В противен случай от комутация към комутация i L ще расте, което ще доведе до намаление на комутационното съпротивление на товара. При това се намалява времето, през което към излизащия от раота тиристор се прилага оратно напрежение. Този процес ще продължи, докато инверторът се преоърне. u T i T u C u B i B U d U d U d I T I m След като i L =, токът i L =I Lm ще започне да циркулира по контура L B B L (при идеални елементи той не затихва). За намаляване на този ток е неоходимо или да се въведе активно съпротивление, или той да се отдаде в източника, което ще повиши к.п.д. на инвертора. Връщането на енергията, запасена в комутиращия дросел в периода на презаряд на кондензатора, се осъществява чрез оратните диоди, съединени към част от първичната намотка на изходния трансформатор (фиг.4.7.г). По този начин в контура L B B L се въвежда противо е.д.н. nu d w ' eпрот =, където n =. Оптималният -u B n w i B коефициент на трансформация е n=,,, при което по-големи стойности на n следва 3 T да се вземат при по-малки U d и по-голяма раотна честота. Фиг.4.8. Пресмятането на комутиращите елементи в L и С се извършва при условие на минимум запасена енергия в L в продължителен режим на раота на инвертора. При това е неоходимо относителното комутационно съпротивление на товара ρ =. Тогава: U d I L / C T 95

96 C IT max' C = ; (4.3.) 7, U d CU d L = ; (4.3.3),45 IT max' където: IT max' - най-голямата стойност на товарния ток в момента на комутация, приведена към първичната полунамотка на Тр. Т.к. изменението на U d и на товарния ток оказват влияние на устойчивостта на комутацията, този инвертор е нецелесъоразно да се използва за регулиране на изходните параметри в широк диапазон Зависими инвертори a e ab b α i d α L d i d u ab 3 S i d u ab B U d a - + АБ + - изправителен режим U d 3 в Фиг.4.9. инверторен режим S U d При зависимите инвертори не само енергията с помощта на преоразователя се предава от страната на постоянен ток към страната на променлив, но и електрическите параметри на преоразователя на променливата страна се определят от параметрите на мрежата. Такъв инвертор се нарича зависим, или водим от мрежата. Да разгледаме принципа на инвертора на примера на най-простата схема на фиг.4.9.а. Веригата съдържа източник на постоянно инвертирано е.д.н. U d последователно с което е включен тиристор В, дросел L d и е.д.н. на променливотоковата мрежа e ab. По отношение на тиристора В това напрежение периодично си сменя знака, като в една част от периода се сумира с напрежението U d, през другата се изважда. По отношение на инвертираното напрежение тиристорът винаги е включен в проводяща посока. От инвертора в мрежата се предава енергия на променлив ток тогава, когато посоките на инвертирания ток i d и променливото напрежение e ab са противоположни, т.е. когато e ab и U d са с противоположна полярност. Допускаме, че всички елементи са идеални, вътрешното съпротивление на акумулаторната атерия АБ е равно на нула. Ако плюсът на АБ е съединен с катода на тиристора B (както е показано на фигурата) чрез щрихованата линия, то схемата ще раоти в изправителен режим на товар във вид на противо е.д.н. В този режим включването на тиристора е възможно, ако е.д.н. на мрежата е по-голямо от е.д.н. на АБ. На фиг.4.9. са показани кривите на тока и напрежението, илюстриращи този режим. При равенство на нула на вътрешните съпротивления на източниците на променлив и постоянен ток може да се счита, че техните напрежения са равни на е.д.н., т.е. eab = U ab и Ed = U d. При подаване на управляващ импулс в 96

97 момент =, който се определя от ъгъла на управление α, тиристорът се включва и от мрежата към акумулатора започва да тече ток id. Благодарение на изглаждащия реактор Ld токът id ще се изменя плавно: ще се увеличава докато uab > U d и ще се намалява при uab < U d. В момент 3 (съответстващ на равенството на затъмнените площи на фиг.4.9.) токът id става равен на нула, а тиристорът се изключва. Протичането на ток през тиристора в интервала 3, когато U d > uab, е предизвикано от запасената електромагнитна енергия в реактора Ld. След това процесите периодически се повтарят, в резултат на което акумулаторът АБ ще се зарежда с изправения ток id (токът id е насочен срещу е.д.н. Ed ). За преминаването на схемата в инверторен режим е неоходимо да се превключи тиристорът или АБ така, че катодът на тиристора да е съединен с минуса на акумулатора. Да разгледаме инверторния режим по-подроно. Предаването на енергията от един източник към друг се извършва тогава, когато токът от отдаващия източник е насочен против е.д.н. на източника, приемащ тази енергия. В случая предаването на енергия от АБ в мрежата ще се извърши, когато е.д.н. на мрежата eab е насочена срещу тока id. На фиг.4.9.в са представени кривите на тока и напрежението на схемата в инверторен режим. Ако в момент на тиристора се подаде управляващ импулс, то той ще се включи, т.к. до момента напрежение uab < U d. Под действие на разликата U d uab във веригата ще тече ток id, противоположен по знак на напрежението на мрежата uab. Изглаждащият реактор Ld ограничава скоростта на нарастване на този ток и максималната му стойност. За сметка на енергията, запасена в реактора, токът продължава да тече през тиристора даже след това, когато uab > U d и ще стане нула в момент 3, съответстващ на равенството на затъмнените оласти на фиг.4.9.в. При намаляване на ъгъла на управление площта S нараства, съответно нараства и площта S. Оаче нарастването на тази площ при зададени стойности на e ab и U d е ограничено т участъка на синусоидата -. След като ъде изразходвана цялата тази площ, вече включеният тиристор не може да ъде изключен и след точка неговият ток отново нараства под действието на напрежение U d eab > и инверторът ще премине в режим а късо съединение. Точката, която определя границата на устойчива раота на инвертора, се нарича гранична. Загуата на устойчивост на инверора (преоръщане) в реалните инвертори настъпва по-рано от точка, т.к. за възстановяване на запушващите свойства на тиристора след изключването му е неоходимо време (δ) за изсмукването на електрическите заряди в р-n преходите. Следователно, в реалните инвертори тиристорът трява да се изключва с ъгъл на изпреварване δ по отношение на точка. Аналогична картина се получава и при α = cons и U d = var. Схемите на зависимите инвертори не се различават от схемите на управляемите изправители, раотещи на противо-е.д.н., при което ролята на това противо-е.д.н. играе не U d, а напрежението на променлив ток e ab. За да се осъществи това, е неоходимо при преминаване от изправителен в инверторен режим да се измени знака на U d и да се увеличи ъгъла на управление зад граничния. Затова зависимите инвертори могат да се разглеждат като реверсивни преора- 97

98 зователи, спосони да предават енергия от мрежата в източника на постоянен ток (изправителен режим) и оратно (инверторен режим). Т.к. схемата на еднополупериодния инвертор не е разпространена поради лошите технико-икономически показатели, нека разгледаме раотата в инверторен режим на еднофазна двуполупериодната схема със средна точка и трифазната мостова схема, която е най-разпространена. Ще отчитаме индуктивността на разсейване на трансформатора, а индуктивността на изглаждащия реактор Ld =. Съотношенията между основните параметри на инвертора при това не се изменят и следователно, раотният режим на инвертора ще се описва с помощта на същите уравнения както при изправителя, с тази разлика, че източникът U d играе ролята на генератор на активна мощност, а не на консуматор. За сметка на този източник се покриват и всички загуи в инвертора. По този начин, означавайки соственото е.д.н. на инвертора на празен ход с U d, ще получим: A i B B u d U = U + ΔU + ΔU ; (4.4.) e i U dβ e α i B U dβ U dβ B U dβ3 - + e δ γ β e e i B а Най-простият еднофазен инвертор, воден от мрежата, има много ниски енергетични показатели поради лошото използване на изходния трансформатор и значителното изкривяване на формите на формата на тока както на променливотоковата, така и на постояннотоковата страна. Поради тази причина зависимите инвертори оикновено са многофазни. На фиг.4.3 е показана двуфазна схема на инвертор и времедиаграмите на напреженията и токовете, които поясняват раотата му. При подаване на управляващ импулс на вентил B малко преди напрежението на фаза А да стане отрицателно, тиристорът се отпушва и пропуска ток предимно при отрицателно напрежение на фаза А. Противоположната посока на отрицателното напрежение e по отношение на анодния ток i B показва, че тази фаза приема мощност от постояннотоковия източник. Тази мощност през трансформатора се предава в мрежата на еднофазен променлив ток. Същото предаване се осъществява и през следващия полупериод чрез фаза В на вторичната намотка, когато през нея и тиристор B протича ток. Прехода (комутацията) на тока от тиристор B на тиристор B се извършва по същия начин, както и при изправителен ре Id в U d + - i B A A A 3 B L d e U d I dβ I dβmax I dβmax г Фиг.4.3. U dβmax d където: d x Δ U x и U a a Δ са реактивните и активни загуи на напрежение. В зависимия инвертор Δ U >> ΔU. x a 98

99 жим, в течение на определен промеждутък от време, наричан ъгъл на комутация γ. Тиристорите изпълняват ролята на ключове, последователно съединяващи постояннотоковия източник на една от вторичните намотки, а именно към тази, която осигурява в дадената част от периода най-отрицателно напрежение. За да се осъществи естествена комутация на тока, отпушването на поредния тиристор трява да се осъществява с определено изпреварване по отношение на началото на отрицателния полупериод ъгъл на изпреварване β. Този ъгъл на изпреварване трява да ъде достатъчен не само за осъществяване на естествена комутация на токовете на тиристорите (ъгъл γ), но и за осигуряване на достатъчен по стойност ъгъл β преди появата на положително напрежение, в течение на който свършилият раотата си тиристор възстанови запушващите си свойства. Ако после комутационният ъгъл е δ е по-малък от неоходимия за възстановяване на запушващите свойства, то при появата на положително напрежение на анода на тиристора, завършващ раота, то той се отпушва отново и токът продължава да тече при положителния полупериод на променливото напрежение и това довежда до преоръщане на инвертора. По този начин, за нармална раота на инвертора е неоходимо: β γ + ω. въз, (4.4.) или: β γ = δ ω. въз ; (4.4.3) където: β - ъгъл на изпреварване (управление), измерван от точката на пресичане на фазните напрежения в посока изпреварване; въз - време за възстановяване на запушващите свойства на тиристора. Може да се получат съотношенията между токовете и напреженията на инвертора от съотношенията за аналогичната схема на управляемия изправител, β : в които вместо α се поставя ( ) E I dβ = sin [ cos( β γ ) cos β ]. (4.4.4) xa m Средната стойност на входното напрежение (соствено противо е.д.н.) се сумира от напрежението на празен ход и нарастването в периода на комутация: U dβ = U dβ + ΔU x. (4.4.5) Напрежението на празен ход се определя от израза: sin m U d β = E cos β. (4.4.6) m Нарастването на напрежението поради комутацията е равно: sin m cos( β γ ) cos β ΔU x = E, (4.4.7) m или като функция на входния ток: m.xa Δ U x = I dβ. (4.4.8) 99

100 От изразите (4.4.7) и (4.4.8) ще получим израза за входната характеристика на инвертора: m m.xa m.xa U dβ = E sin cos β + I dβ = U dβ + I dβ. (4.4.9) m От този израз се вижда, че за разлика от външната характеристика на изправителя, където вторият член е със знак минус (т.е. спадане на характеристиката с нарастване на тока), при инвертора, вторият член е със знак плюс - нарастване на входната характеристика. Повишаването на входното напрежение U dβ с нарастване на входния ток I dβ се ояснява с доавката на комутационната площадка към синусоидалното изходно напрежение на празен ход. На фиг.4.3.г е показано семейство входни характеристики на инвертора. Началните точки на ординатната ос съответстват на напрежението на празен ход. Горното ограничение на характеристиките се определя от стойността на токовете, при които след комутационният ъгъл β става равен на δ min, т.е. ъгъл, достатъчен за надеждно възстановяване на запушващите свойства на тиристорите ( δ min 3δ = 3ω. въз ). Токите A,A, A3 на входните характеристики съответстват на пределните токове на товара I d β max и на пределните напрежения U d β max, определяйки по този начин ограничителната характеристика на инвертора. Инверторът има следните характерни осоености:. инверторът може да ъде изграден само с управляеми вентили, т.к. през по-голямата част от не раотния интервал към тях е подадено положително напрежение;. ъгълът на отпушване трява да ъде α > 9 ; 3. полярността на напрежението на постояннотоковата страна е противоположна на полярността на изправителите; 4. в целия диапазон на изменение на тока на товара и изходното напрежение трява да се изпълнява условието β > γ + δ min. Зависим инвертор може да се изгради и по трифазна мостова схема. Инверторът се пресмята по изразите (4.4.7) (4.4.9), в които m = 6. Ъгълът на изпреварване се измерва от точката на естествена комутация на вентилите Преоразователи на честота Преоразователите на честота се делят на два вида:. Преоразователи с междинно звено на постоянен ток;. Преоразователи с непосредствена връзка на захранващата мрежа с веригата на товара. Преоразователи с междинно звено на постоянен ток На фиг.4.3 е показана структурната схема на преоразователи на честота (ПЧ) с междинно звено на постоянен ток. В този преоразовател променливото напрежение на захранващата мрежа се изправя чрез управляемия изправител И, филтрира се чрез LC-филтър Ф и се подава на автономния инвертор АИ. Функцията регулиране на честотата на u изх осъществява инверторът, а изправителят е неуправляем. Преоразователят позволява да се регулира изходната честота чрез системата за управление на инвертора СУИ в широки граници както над така и под

101 честотата на захранващата мрежа. Като АИ може да се използва някоя от разгледаните вече схеми на инвертори. Този тип преоразовател на честота е попрост от преоразователите с непосредствена връзка. Недостатък на ПЧ с междинно звено на постоянен ток е двойното преоразуване на енергията, което намалява к.п.д., а така също увеличението на установената мощност и масата на преоразователя. A B C f U f U И Ф АИ A B C СУИ СУАИ Преоразовател на честота с непосредствена връзка на захранващата мрежа с веригата на товара A B C B B B 3 I ПЧ с непосредствена връзка могат да ъдат с естествена и изкуствена комутация. На фиг.4.3 е показана схемата на непосредствен ПЧ, преоразуващ трифазен ток с честота f в еднофазен ток с честота f. Той се състои от две трифазни схеми на изправяне, първата от която е съединена към фазите на трансформатора чрез анодите (I), а втората чрез катодите (II). При анализа предполагаме: R-товар; няма загуи във вентилите и трансформатора. Положителният полупериод на u изх се формира при Фиг.4.3. поредното подаване на УИ на тиристорите от I-ва група (В В 3 ), а отрицателният на тиристорите от II-ра група (В 4 В 6 ) (фиг.4.3). Отпушвайки по ред вентилите от I-ва и II-ра група, ще получим на изхода променливо напрежение с честота f (фиг.4.33.а). Изходното напрежение върху товар ще се определи от съотношението: U ф sin m U = cosα ; (4.4.) m където: m рой на фазите на първичната мрежа; α - ъгъл на управление на изправителя. От фиг.4.33.а се вижда, че честотата на изходното напрежение е по-ниска от честотата на захранващата мрежа f и, че: T = T + T n n = T + m m където: n=,,,3, U у Фиг.4.3. B 4 B 5 B 6 z T II f u f u ; (4.4.)

102 f n m Т.к. T + = =, то f T m f m f =. (4.4.3) n + m От (4.4.3) се вижда, че честота f при ϕ п = зависи от f, роя на полувълните на първичното напрежение (n+) и роя на фазите m на първичната мрежа. Регулирането на f се извършва дискретно. За получаване на плавно регулиране на честотата на този преоразовател е неоходимо да се въведе пауза между изключването и включването на I-ва и II-ра групи тиристори (фиг.4.33.), при това изходната честота: f = f m. (4.4.4) ( n + m ) + ϕ m При раота на ПЧ на RLтовар енергията, акумулирана в магнитното поле на товара, може да ъде върната оратно в първичната мрежа. За предаване на енергия в първичната мрежа тиристорите от I- ва и II-ра f U п u u u i Фиг групи се привеждат в инверторен режим: първите при отрицателно, вторите при положително напрежение (фиг.4.33.в). Преминаването на групите от изправителен режим в инверторен се извършва от системата за B B 4 управление при увеличаване на ъгъла на регулиране α B 3 I B 6 до стойности по-големи от 9. B 5 B Непосредственият преоразовател на трифазен ток с честота f в еднофазен с честота f може да се изпълни и по мостова схема (фиг.4.34). Преоразователят УР B УР B 7 има две групи тиристори: I (В В 6 ) и II (В 7 В ), включени насрещно-паралелно през уравнителни реактори УР, предназначени за ограничаване на уравнителния II ток във вътрешния контур на преоразователя. B B 8 B 9 B Уравнителният ток възниква вследствие на това, че Z T f U моментните стойности на е.д.н. на изправителя и инвертора не са равни между сее си, въпреки, че техните при съгласувано управление на двете групи тиристори средни значения са равни. Фиг При активен товар в течение на един полупериод на изходната честота са отпушени тиристорите от I-ва група, а в течение α m α T T T a β φ П Δ из Δ uн φ П Δ из Δ uн φ П T в u i

103 на другия тиристорите от II-ра група. При това напрежението върху товара е два пъти по-голямо отколкото в схемата на фиг.4.3: U ф sin m U = cosα. (4.4.5) m За получаване на многофазен непосредствен ПЧ (фиг.4.35) е неоходимо да се вземат m схеми, показани на фиг.4.3, фиг При това УИ на съответните групи тиристори трява да са изместени на ъгъл. Недостатък на тези m схеми на непосредствен ПЧ е ниският коефициент на мощност вследствие на α=var и не синусоидалната форма на кривата на u изх, за подоряване на която е неоходимо да се използва филтър, увеличаващ установената мощност на целия преоразовател. Този тип ПЧ се използва в тези случаи, когато е неоходима ниска изходна честота (при f <f ), т.е. когато преоразователите с междинно звено на постоянен ток има значителни гаарити. f u f u товар а f u f u товар Фиг Ако изменяме ъглите на отпушване на тиристорите от I-ва група и от IIра група (фиг.4.34) по определен закон със зададена f, то на изхода на преоразователя се получава u изх, изменящо се по произволен закон. За получаване на крива на u изх, лизка до синусоидална (фиг.4.36.а), ъглите на управление в изправителен α и инверторен β режими трява да се изменят по арккосинусен закон: α = arccos( ν sinω ) ; (4.4.6) U m където: ν = ; U m - амплитудна стойност на изходното напрежение; U m U m - най-голяма стойност на изходното напрежение, съответстваща на напълно отпушени тиристори. 3

104 При ν= законът за изменение на ъглите на регулиране α и β за двете групи тиристори трява да ъде линеен (фиг.4.36.). Ъглите на регулиране α и β u / β α а T/ T/ / /3 Фиг за двете групи тиристори за първия полупериод се изменят в границите / и /, което съответства на раота на I-ва група в изправителен режим, а от II-ра група в инверторен режим. През първата половина на полупериода се формира възходящата част на положителната полувълна на u изх, през втората половина на полупериода низходящата част на положителната полувълна (ъгъл α=, а β= /). При формирането на отрицателната полувълна на u изх I-ва група преминава в инверторен режим, II-ра група - в изправителен режим. При арккосинусен закон за управление на тиристорите кривата на фазното напрежение при достатъчно големи стойности на N=f /f и m има синусоидална форма: () m u = U m sin sinω. (4.4.7) m Кривата на u изх съдържа основен хармоник с честота f и пулсиращо напрежение със зъчата форма, което се намалява с увеличаване на f по отношение на f. Такъв метод за получаване на синусоидално u изх е свързан със значително усложняване на СУ и намаляване на коефициента на мощност на преоразователя. В еднофазните преоразователи на честота коефициентът на мощност е f u u L d u а Z T f u C Tp B B B 3 B 4 u значително по-нисък, отколкото в трифазните (χ=,7 за еднофазните и χ,83 за трифазните при ν= и cosϕ =). На фиг.4.37 е показана схемата на еднофазен непосредствен ПЧ с изкуствена комутация. Преоразуването на първичната честота f във вторична честота f се извършва чрез автономния инвертор. За осигуряване на раотата на инвертора в положителния и отрицателния полупериоди на захранващото напрежение се използва насрещно-паралелно включване на тиристорите във всяко рамо на инвертора. Тиристорите се изключват чрез комутиращия кондензатор С. При положително захранващо напрежение раотят тиристорите В и В 3, а при отрицателното тиристорите В и В 4. Посоката на товарния ток не зависи от полярността на първичното напрежение u. Изходното напрежение u изх (фиг.4.37.) на преоразователя Фиг е модулирано от синусоидалното напрежение с честота на захранващото напрежение. Благодарение на принудителната комутация в преоразователя изходна- 4