Управляемые вентильные преобразователи известных нам типов обладают весьма низкими значениями коэффициента мощности, особенно при глубоком регулировании выходного напряжения. Стремление к устранению этого недостатка привело к разработке большого числа преобразователей с повышенным коэффициентом мощности. Для того чтобы достичь предельного значения , необходимо создать вентильный преобразователь, потребляющий от сети ток синусоидальной формы, синфазный с напряжением сети. В полном виде такая задача до настоящего времени неразрешима, однако ряд современных разработок обеспечивает получение весьма высоких значений коэффициента мощности Существующие преобразователи с повышенным коэффициентом мощности можно разделить на два класса:
1) ВП с естественной коммутацией вентилей;
2) ВП на полностью управляемых вентилях или с искусственной коммутацией
однооперационных тиристоров.
Из числа преобразователей с естественной коммутацией вентилей рассмотрим выпрямитель с нулевым вентилем. Однофазная мостовая схема выпрямителя с нулевым (шунтирующим) вентилем приведена на (рис.1, а), на (рис. 1, б, в) приведены временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (полагаем Lн большой). В момент подаются управляющие импульсы на тиристоры VI и V4, ток протекает через нагрузку, и к нагрузке приложено напряжение . При этом полярность Ud и направление id совпадают, следовательно, энергия передается от сети в нагрузку. Диод заперт приложенным к нему напряжением ud. На этом этапе процессы в схеме развиваются, как и в обычном выпрямителе, для которого диаграммы представлены на (рис.1,б).
|
|
В момент полярность напряжения Ud(t)=U1(t) изменяется и открывается шунтирующий диод V0. Ток нагрузки замыкается через диод
V0 , id(t)=i0(t) и энергия, накопленная в индуктивности, рассеивается на
сопротивлении RH. При включении диода Vo ток через тиристоры VI и V4 прекращается и i1(t)= 0. В момент включаются тиристоры V3 и V2 и процессы в схеме повторяются.
Таким образом, первичный ток i1 прерывается при перемене знака
напряжения и1. Фазовый сдвиг 1-й гармоники тока (показан на рис. 1,впунктиром) относительно напряжения сети u1 равен , т. е. меньше значения в обычном выпрямителе при том же угле управления (рис. 1, б)
Кривая выходного напряжения выпрямителя имеет такой же вид, как при работе выпрямителя на активную нагрузку, и не содержит участков с отрицательным напряжением. Среднее значение:
Уменьшение длительности протекания тока i1уменьшает угол сдвига , при этом cos и повышаются.
В многофазных схемах выпрямителя повышение коэффициента мощности достигается в многомостовых несимметричных схемах. На (рис. 2, а)представлена схема двухмостового выпрямителя.
|
|
Первый из вентильных комплектов ВК1 собран на тиристорах, второй ВК2 - на диодах. Выходное напряжение выпрямителя является суммой
выходных ЭДС ВК1 и ВК2; его среднее значение с учетом того, что Ed=Edocos ,
определяется следующим образом:
Ed=Ed,BK1+Ed,BK2=Ed0,BKcos +Ed0,BK=Ed0 ,
Г де Ed0,BK=Ed0 /2; Ed0=2.34E2
Потребляемый из сети ток i1 является суммой двух токов: тока i1BK1, потребляемого управляемым комплектом ВК1, 1-я гармоника которого сдвинута относительно напряжения U1 на угол (рис. 2, б) и тока
неуправляемого комплекта ВК2 i1BK2, 1-я гармоника которого синфазна напряжению U1 (рис. 2, в) (длительность коммутационных процессов считаем равной нулю). Результирующий ток, потребляемый двухмостовым выпрямителем из сети, показан на (рис. 2, г), фазовый сдвиг его 1 -й гармоники относительно напряжения = . На (рис. 3) приведена схема четырехмостового несимметричного выпрямителя, выходное напряжение которого равно сумме выходных напряжений четырех вентильных комплектов: управляемых ВК1 и ВКЗ и неуправляемых ВК2 и ВК4.
На ВК1 подают управляющие импульсы с углом управления 1, а на ВКЗ - с углом управления . Среднее значение выходной ЭДС четырехмостового выпрямителя равно:
Ed=EdBB1+EdBK2+EdBB3+EdBB4=Ed0
где Ed0=4Ed0BK
Ток, потребляемый преобразователем из сети, состоит из суммы токов, потребляемых четырьмя вентильными комплектами. При этом токи, потребляемые ВК2 и ВК4, не имеют фазового сдвига относительно напряжения, а токи ВК1 и ВКЗ сдвинуты на углы и соответственно.
При Еd > Еd0 / 2 выходное напряжение регулируется путем изменения угла управления ВК1 , а угол управления ВКЗ . Фазовый сдвиг основной гармоники тока, потребляемого четырехмостовым выпрямителем из сети, вызван фазовым сдвигом тока ВК1 на угол . Путем несложных вычислений можно получить:
При Ed Ed0 /2 выходное напряжение выпрямителя регулируется с помощью изменения угла управления ВКЗ 3, угол управления ВК1 (при пренебрежении коммутационными процессами и рассмотрении
идеальных вентилей ). Фазовый сдвиг основной гармоники тока, потребляемого четырехмостовым преобразователем из сети. Равен в этом режиме
Повышение коэффициента мощности с помощью многомостовых несимметричных выпрямителей широко применяется при использовании преобразователей большой мощности, где оправданно использование составных схем выпрямления. Разработано большое число подобных преобразователей и режимов управления ими. Достоинством подобных способов повышения коэффициента мощности является то, что силовые схемы преобразователей при этом не содержат дополнительных элементов и капитальные затраты на создание таких преобразователей не увеличиваются по сравнению с симметричными преобразователями той же мощности.
Однако в вентильных преобразователях с естественной коммутацией вентилей недостижима полная синфазность основной гармоники потребляемого из сети тока и питающего напряжения, поэтому значения cos = 1 не могут быть получены. Сохраняется всегда и несинусоидальность тока, потребляемого из сети, хотя при применении многих многомостовых преобразователей значения весьма близки к 1
Лучшими параметрами обладают выпрямители на полностью управляемых вентилях (транзисторах и двухоперационных тиристорах).
|
|
При мощности более 10МВа применяют обычные мощные инверторы с узлами искусственной коммутации УИК (рис.4). В нужный момент к тиристору прикладывается обратное напряжение от предварительно заряженного конденсатора УИК.
|
Лекция 6
|
|
Импульсы токов вентилей, а следовательно и первичных токов транзистора симметричны относительно синусоид напряжения. Поэтому при любом .
( - раз сдвиг 1й гармоники тока, относительно напряжения сети). В этом случае коэффициент мощности ниже 1 только из-за несинусоидальных токов.
Осциллограмма для вентильного преобразователя этого типа представлена на (рис.5)
ЛЕКЦИЯ 6