Составные (комбинированные) многоимпульсные выпрямители

 

Выпрямители с большим числом пульсаций (p = 12,24 и т.д.) выполняются с использованием нескольких шестипульсных схем (чаще всего мостовых), которые при низких напряжениях соединяются параллельно, а при высоких - последовательно.

При параллельном включении мостовых схем (рис 2, а) вторичные обмотки трансформатора соединяются в треугольник и звезду, так что обе вентильные группы ВГ1 и ВГ2 питаются от двух трёхфазных систем, напряжения которых сдвинуты друг относительно друга на угол 30⁰. Уравнительный реактор УР воспринимает разность мгновенных значений выпрямленных напряжений u_{d 1} и u_{d 2}, обеспечивая тем самым параллельную работу обеих вентильных групп. При этом из выпрямлённого напряжения исключаются гармоники порядка 6, 18, 30 и т.д., так же как и гармоники порядка 5, 7, 11, 13 и т.д. из кривой потребляемого от сети тока, так что схема работает в 12-пульсном режиме. Коэффициент пульсаций вследствие этого составляет q =0,011, т.е. не более 1,1%. Форма потребляемого от сети тока максимально приближена к синусоиде. Последовательное соединение двух трёхфазных мостов ВГ1 и ВГ2 показано на рис. 1.б. Эта схема особенно выгодна при относительно высоких (свыше 800 В) напряжениях. Она работает, как и схема с параллельным включением выпрямительных мостов, в 12-пульсном режиме. Отличие состоит только в том, что выпрямлённое напряжение в 2 раза выше, а выпрямленный ток в 2 раза меньше, чем при параллельном соединении и одинаковых силовых элементов.

 

рис. 2 Схемы 12-ти импульсных выпрямителей

За счет фазового сдвига на мгновенные значения напряжений не равны (см. рис. 3), разница между ними риложена к реактору. Мгновенное значение напряжения на нагрузке показано на рис. 3:

Среднее значение напряжения на нагрузке, где — действующее значение фазового напряжения на вторичных обмотках трансформатора. Как и в трехфазном мостовом выпрямителе, в схеме рис.. Качество выходного напряжения в схемах с параллельным и последовательным соединением мостов (рис. 2) идентично.

На рис. 3 показаны также токи вторичных обмоток обоих комплектов (они имеют одинаковую форму в каждой из схем рис. 2). При соединении вторичных обмоток в звезду ток соответствует рис.. Ток в обмотках, соединенных в треугольник, имеет прямоугольную форму, показанную на рис. 3 (ток). В первичную обмотку трансформируется сумма токов обеих вторичных обмоток. Временная диаграмма тока приведена на рис. 3; она представляет собой ступенчатую фигуру, больше приближающуюся к синусоиде, чем первичные токи ранее рассмотренных преобразователей.

Рис. 3. Временные диаграммы напряжений и токов в двенадцатипульсных выпрямителях

Поэтому 12-ти пульсные преобразователи по отношению к сети являются нагрузкой, свойства которой близки к линейной.

Два 12-пульсных выпрямителя, каждый из которых состоит из двух трёхфазных мостов, при питании от трёхфазной системы напряжений через трансформатор, имеющий сдвиг по фазе векторов напряжений одноимённых фаз вторичных обмоток на угол 15⁰, работают в 24-пульсном режиме. При этом выходы обоих преобразователей соединяются параллельно через третий уравнительный реактор. Аналогично можно получить 36-пульсных режим при помощи трех 12-пульсных выпрямителей.

Выпрямители с большим числом пульсности схемы имеют малые пульсации выпрямленного напряжения и незначительные искажения потребляемого тока. Однако некоторая не симметрия в управлении, обусловленная большим количеством вентилей, высокая стоимость и т.д. затрудняют реализацию указанных преимуществ на практике.

Расчетные величины для выпрямителей приведены в табл.2

                                                                                                                                                                  

                                                       

Таблица 2                                              Расчётные величины для выпрямителей

№№	Наименование схемы	Ток вентилей	Выпрямленое напряжение		Среднее значение Uобр max/Udi 0	Действ. ток вентилей IV/Id
			Udi 0 /U 2	Коэф. пульсации q
1   2 3 4     5 6     7   8	Однополупериодная с нулевым диодом Двухполупериодная нулевая 2-полупериодная мостовая 3-фазная нулевая с соединением вторичных обмоток в зигзаг 3-фазная мостовая Две трехфазные звезды со средней точкой и с уравнительным реактором 12-пульсная с параллельным соед. мостовых схем 12-пульсная с последовательным соед. мостовых схем	0,5   0,5 0,5 0,33     0,33 0,17     0,17   0,33	0,45   0,90 0,90 1,17     2,34 1,17     2,34   2-2,34	1,21   0,48 0,48 0,19     0,042 0,042     0,011   0,011	3,14   3,14 1,57 2,09     1,045 2,09     1,045   1,05	0,71   0,71 0,71 0,58     0,58 0,29     0,29   0,58

 

 

В настоящее время промышленностью выпускаются преобразовательные устройства  типа ВАК 13 с номинальным выпрямленным напряжением от 75 до 850 В, номинальным выпрямленным током от 6,3 до 25 кА для питания электролизных ванн в цветной металлургии и химической промышленности с напряжением питающей сети 6 - 35 кВ. Для питания контактной сети городского электрифицированного транспорта с сетевым напряжением питающей сети 6 - 10 кВ выпускаются преобразователи типа ВАКЛЕ с номинальным выпрямленным напряжением 600 В и номинальным выпрямленным током 1000 и 2000 А. Питание контактной сети метрополитена осуществляется преобразователями типа УВКМ с напряжением 825 В и номинальным током 1600 и 3200 А. Для менее мощных потребителей выпускаются преобразователи типа ПАК с номинальным выпрямленным напряжением 24 В и номинальным током от 125 до 208 А. Промышленность также выпускает выпрямительные устройства типа ВА3 и УЗА с номинальным выпрямленным напряжением от 30 до 280 В и номинальным выпрямленным током от 32 до 250 А, которые применяются для зарядки аккумуляторных батарей и т.д. В электроэнергетике, например для плавки гололеда на линиях электропередачи, применяется выпрямительное устройство типа ВУКН с номинальным выпрямленным напряжением (регулируемым) 14 кВ и номинальным выпрямленным током 1200 А.

 

Лекция 4

Инверторы, ведомые сетью

Инвертор, ведомый сетью (зависимый инвертор), передает энергию от источников постоянного тока в сеть переменного тока, напряжение и частота в которой заданы другими более мощными источниками тока.

Однофазная нулевая схема зависимого инвертора представлена на рис.1 Сравнение ее со схемой управляемого выпрямителя  показывает полную идентичность их элементов; различие заключается только в том, что вместо нагрузочного резистора   в инверторе включен источник энергии постоянного полярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя.

Поэтому одна и та же вентильная схема может использоваться и в выпрямительном, и в инверторном режимах. Речь идет не столько о различных преобра­зователях, сколько о выпрямительно-инверторном преобразователе, способном функционировать в двух названным режимах, отличающихся направлением потока энергии. В выпрямителе энергия из сети переменного тока поступает в цепь постоянного тока (U_d, i_d), в инверторе  из сети постоянного тока (U_d, i_d) в сеть переменного тока. Напряжение u_d и ток i_d в инверторе называется входными.

Вернемся к временным диаграммам рис.2. На интервале  полярность u _d (t) и направление i_d (t) совпадают, следовательно, мощность передается из цепи переменного тока в нагрузку. На интервале  ток течет в прежнем направлении, а напряжение u_d меняет знак, следовательно, цепь постоянного тока возвращает энергию в сеть переменного тока. Очевидно, что в инверторном режиме второй интервал, при котором энергия передается в сеть переменного тока, должен быть длиннее первого, т.е. ( —0)> (  ) или

                                                    .                                       (1)

Выражение (1) - это первое условие осуществления инверторного режима. Второе  условие — это работа цепи постоянного тока в режиме источника энергии, для этого полярность напряжения U_d и направление тока I_d должны быть противоположны.

Подключение источника Е_н минусом к катодам тиристоров приводит к возрастанию длительности протекания тока через тиристоры инвертора , и при  осуществляется режим непрерывного тока. На (рис.3,а) представлены временные диаграммы при работе зависимого инвертора без учета процессов коммутации (X_a=0). Сравнение диаграмм (рис.3 и 2) показывает, что в этих диаграммах различны только значения угла управления: <   в выпрямителе и    инверторе. В момент  подается управляющий импульс на тиристор VI, при открывании тиристора u_d=e₂, ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и цепь постоянного тока L_d,E_и. При этом напряжение u_d и ток i_d имеют одно направление и энергия передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. В момент  изменяется полярность е₂=u_d, начинается передача энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. Протекание тока через V1 при отрицательном напряжении на аноде обеспечивается приложением к катоду отрицательного потенциала источника Е_и. В момент  управляющий импульс подается на V2, и процесс повторяется.

На (рис.4,а) показана полная регулировочная характеристика вентильного преобразователя в режиме непрерывного тока. При  и преобразователь является выпрямителем, при

— осуществляется инверторный режим.

Рис. 4 Регулировочная характеристика выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме непрерывного тока (а), регулировочная (б), входная и ограничительная (в) характеристики ведомого сетью инвертора

При рассмотрении инверторов, используются обозначения:  (показан на рис.3, а) — угол опережения и E_d =—E_d — противо-ЭДС инвертора. Подставив в уравнение регулировочной характеристики , получим Е_d = E_d0 cos  = -E_d0 cos  = -E . Зависимость    называется регулировочной характеристикой ведомого сетью инвертора (рис.4,б); она представляет собой симметричное отображение части характеристики (рис.4,а).

При отсутствии потерь в дросселе L_d среднее значение

напряжения U  = U_d должно быть равно напряжению источника Е_и.

При увеличении Е_и>Е_d  возрастает ток I_d. Учтем влияние анодных индуктивностей на коммутационные процессы. Временные диаграммы представлены на рис.3,б. Индуктивности трансформатора X_а

препятствуют нарастанию и спаду анодных токов, поэтому на протяжении угла коммутации  VI и V2 открыты одновременно при этом u_d (t)=O. Как и в управляемом выпрямителе коммутационное падение напряжения U_x уменьшает положительную часть u_d, среднее значение U_d с ростом I_d и  уменьшается, а U_d   = U _d увеличивается.

Среднее значение напряжения U_d рассчитаем по формуле

                                                (2)

поскольку данное выражение справедливо в режиме непрерывное тока при любом . Подставив в (2) , получим

или                                                                 (3)

Зависимость U_d  =f (I_d) (рис. 4, в) называется входной характеристикой инвертора (ток I_d— входной ток, напряжение U_d-входное напряжение). Выражение (3) позволяет связать напряжение источника Е_и со средним значением U .

При увеличении Е_и. при =const увеличивается I_d и уве­личивается мощность, передаваемая в сеть переменного тока. Если при увеличении Е_и необходимо поддерживать I_d=const, надс увеличить , т. е. уменьшить  ; при этом также возрастает мощность, передаваемая со входа инвертора в сеть переменного тока. Максимальное значение инвертируемой мощности достигается при   ( =0). Однако этот режим в реальных инверторах на однооперационных тиристорах, как показывается ниже, неосуществим и углы управления ограничены значениями

Рассмотрим кривую анодного напряжения на тиристоре V1 на временных диаграммах (рис.3,б). Для осуществления надежного запирания тиристора после того, как через него проходил ток, необходимо, чтобы в течение интервала, длительность которого не менее t_в, к тиристору было приложено обратное напряжение. Время выключения t_в является паспортным параметром тиристора.

По диаграммам (рис.3,б) видно, что отрицательное анодное напряжение поддерживается на тиристоре на интервале длительностью ()• Следовательно, надежное запирание тиристоров выполняется при условии , ограничивающем угол . При невыполнении этого условия тиристор при появлении на аноде положительного напряжения вновь включится в работу без управляющего сигнала. Одновременная проводимость двух тиристоров инвертора приведет к короткому замыканию трансформатора и источника постоянного тока, дальнейшая коммутация тиристоров окажется невозможной и возникнет аварийный режим, называемый опрокидыванием инвертора.

Как видно из рассмотренного описания работы инвертора, коммутация вентилей, т.е. выключение одного из них при отпирании другого и переход на него тока i_d, осуществляется,

как и в выпрямителе, за счет переменного напряжения сети. Если это напряжение почему-либо исчезнет, например при коротком замыкании в сети, коммутация окажется невозможной и произойдет опрокидывание инвертора. Эта зависимость работы инвертора от напряжения сети отражена в его названии: инвертор, ведомый сетью, или зависимый инвертор.

В режиме I_d=0 угол коммутации , , максимальное значение E_d, при котором возможна коммутация, . При увеличении тока I_d растет угол коммутации , увеличивается   и уменьшается .  Зависимость называется ограничительной характеристикой ведомого инвертора, она показана на семействе входных характеристик (рис.4,в).

Устойчивая работа инвертора без опасности опрокидывания возможна только при выборе таких значений тока I_d и угла , которые соответствуют значениям U_d, лежащим ниже ограничительной характеристики OX:

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

 

 

Лекция 5