Общие сведения о преобразователях. Однофазные выпрямители. Фильтры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Общие сведения о преобразователях. Однофазные выпрямители. Фильтры

1. Особенности и классификация полупроводниковых силовых преобразователей энергии

Электрическая энергия, вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.

Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного её вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники). К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся:

1. Выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном (регулируемые электродвигатели).

2. Инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии дает постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).

3. Преобразование частоты - преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых приводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т.д.

4. Преобразование числа фаз - в ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.

5. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразование постоянного напряжения). Подобное преобразование необходимо, например, на ряде подвижных объектов, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а для питания потребителей требуется более высокое напряжение (например, источники питания радиотехнической и электронной аппаратуры).

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках (металлоотделители, намагничивающие установки), регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

Преобразователи на тиристорах принято делить на две группы: ведомые и автономные. В первых периодический переход тока с одного вентиля на другой (коммутация тока) осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника. Если таким источником является сеть переменного тока, говорят о преобразователе, ведомом сетью. К таким преобразователям относятся: выпрямители, ведомые сетью (зависимые) инверторы, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, преобразователи переменного напряжения. Если внешним источником напряжения, обеспечивающим коммутацию, является машина переменного тока (например, синхронный генератор или двигатель), преобразователь называют ведомым машиной.

Автономные преобразователи выполняют функции преобразования формы или регулирования напряжения (тока) путем изменения состояния управляемых силовых ключевых элементов под действием сигналов управления. К автономным преобразователям относятся импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения, некоторые виды инверторов напряжения.

Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей (выпрямителей и инверторов) используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Форма выходного напряжения и тока определяется линейной частью схемы и фазовой модуляцией угла регулирования.

Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться ведущим способом преобразования электрической энергии, однако способы преобразования претерпели значительные изменения и их разновидности стали гораздо многочисленнее.

Появление новых силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению вентильных преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры (GTO - gate turn off thirystor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - IGBT - insolated gate bipolar transistor) успешно перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются, а стоимость с ростом выпуска снижается. Поэтому они успешно вытеснили обычные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Область применения импульсных преобразователей напряжения с повышенными классами приборов также расширилась. Быстро развиваются мощные импульсные регуляторы как для повышения, так и для понижения постоянного напряжения питания; импульсные преобразователи часто используются в системах утилизации энергии возобновляемых источников (ветер, солнечная радиация).

Большие вложения делаются в производство энергии с использованием энергосберегающих технологий, когда возобновляемые первичные источники используются либо для возврата энергии в сеть, либо для подзарядки накопителя (аккумулятора) в установках с повышенной надежностью энергоснабжения. Появляются новые классы преобразователей для электроприводов с вентильно-индукторными двигателями (SRD - switched reluctance drive). Эти преобразователи представляют собой многоканальные (число каналов обычно от трёх до восьми) коммутаторы, обеспечивающие поочередно подключение обмоток статора двигателя с регулируемыми частотой и напряжением. Импульсные преобразователи получают широкое распространение в источниках питания бортовой аппаратуры, зарядных устройствах, сварочных агрегатах и целом ряде новых применений (пускорегулирующие устройства осветительных установок, электрофильтры и пр.).

Помимо совершенствования элементной базы силовых преобразовательных цепей на стратегию решения схемотехнических задач оказало огромное влияние развитие микроконтроллерных устройств и цифровых методов обработки информации.

2. Топология выпрямителей разных типов. Особенности их расчета

преобразователь однофазный выпрямитель фильтр

Выпрямители с идеальными вентилями и трансформаторами

Общие сведения

Основные показатели работы выпрямителя:

1. Внешняя характеристика - зависимость выпрямленного (выходного) напряжения от тока нагрузки Наклон внешней характеристики для реальных выпрямителей определяется внутренними сопротивлениями выпрямительных элементов - вентилей и обмоток трансформаторов, а также зависит от характера нагрузки (индуктивная, ёмкостная, противоЭДС) и длительности процесса перехода тока с одного вентиля на другой (коммутация тока).

2. Коэффициент использования преобразовательного трансформатора отношение расчетной мощности трансформатора, определяющей его габариты, к мощности постоянной составляющей на выходе выпрямителя. Здесь

3. Коэффициент мощности отношение активной мощности, потребляемой от сети переменного тока, к полной кажущейся мощности.

4. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения отношение амплитуды n-ой гармоники (обычно наиболее низкочастотной) в кривой выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Расчет выпрямителя в большинстве случаев проводится из условий обеспечения заданных напряжений и . Задаются напряжение и частота питающей сети и f. Расчет сводится к определению токов и напряжений, необходимых для выбора типа и числа вентилей, а также для электрического расчета трансформатора (числа витков обмоток и размеров магнитопровода).

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры. Выбор типа фильтра определяется характером нагрузки, диапазоном изменения тока нагрузки, а также типом вентилей. Для маломощных выпрямителей с вентилями и трансформатором, имеющими относительно большое внутреннее сопротивление, обычно применяют фильтры с ёмкостным входом; мощные выпрямители работают с индуктивными или резонансными фильтрами. При расчете выпрямителей, имеющих на выходе фильтр, необходимо учитывать влияние последнего на процессы в выпрямителе (форма тока и длительность его протекания в цепях вентилей и обмоток трансформатора, пульсации выходного напряжения).

Все выпрямители (кроме однофазных двухполупериодных при чисто индуктивной нагрузке) потребляют из сети несинусоидальный ток. В кривой тока, потребляемого m-фазным выпрямителем, имеются высшие гармоники с частотами , где частота сети; k =1, 2, 3…

Например, 2, 4, 5, 7… при m=3 и 5, 7, 11, 13… при m=6.

Однофазная однолупериодная схема выпрямления

Ток в вентиле, нагрузке и вторичной обмотке трансформатора однонаправленный (рис.1а). В первичной цепи ток переменный, его рабочая составляющая (без учета намагничивающего тока трансформатора) : .

Здесь мгновенные значения токов; коэффициент трансформации; время, рад.

Рис.1. Схемы выпрямителей а - однофазная однополупериодная; б - однофазная нулевая; в - однофазная мостовая; г - трехфазная нулевая; д - трехфазная мостовая; расчетное сопротивление нагрузки выпрямителя,

Магнитная система трансформатора подмагничивается постоянной составляющей вторичного тока. Соотношения, приведенные в табл. 1, показывают, что расчетная мощность трансформатора в этой схеме велика. Схема применяется для маломощных выпрямителей с ёмкостными фильтрами.

Таблица 1

Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей

В двухполупериодных схемах (рис.1б,в) через нагрузку ток протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В схеме рис.1б выведена средняя точка вторичной обмотки трансформатора, а вентили анодами (или катодами) присоединяются к концам обмотки (нулевая схема). В схеме другого типа (рис.1в) вентили собираются в мост (мостовая схема). В двухполупериодных схемах отсутствует поток подмагничивания магнитопровода трансформатора.

Схемы выпрямления трёхфазного тока

Здесь также применяются два типа схем: схемы с выводом нулевой точки (рис.1г) вентильных обмоток трансформатора (нулевые схемы) и мостовые схемы (рис.1д). В нулевой схеме, когда вентили соединены вместе катодами, а анодами присоединены к обмоткам трансформатора, в любой момент времени проводит ток тот вентиль, потенциал анода которого наиболее высок по отношению к нулевой точке вентильных обмоток. В мостовой схеме во внекоммутационный период ток проводят одновременно два вентиля: один из катодной группы, другой из анодной. При этом из катодной группы (VD1, VD3, VD5) проводит тот вентиль, потенциал анода которого наиболее низок, а из анодной группы (VD2, VD4, VD6) тот, потенциал катода которого наиболее отрицателен. В нулевой схеме кривая напряжения на нагрузке формируется из отрезков синусоид фазных напряжений.

Нулевая схема с точки зрения частоты и пульсации выпрямленного напряжения обеспечивает режим трехфазного выпрямителя (m=3), а мостовая - шестифазного выпрямителя ().

Хотя нулевая схема имеет в 2 раза меньшее число вентилей, чем мостовая, она имеет ряд недостатков по сравнению с мостовой:

1) наличие в магнитопроводе трансформатора постоянного потока вынужденного подмагничивания, в результате чего резко увеличивается намагничивающий ток;

2) отношение максимального значения обратного напряжения на вентилях к среднему значению выпрямленного напряжения в 2 раза выше;

3) отношение расчетной мощности трансформатора к мощности нагрузки больше (как видно из табл.1) примерно на 30%;

4) коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения выше более чем в 4 раза, что требует использования более громоздких фильтров.

Поэтому трехфазная нулевая схема используется лишь в простых выпрямителях средней мощности при невысоком напряжении.

3. Пульсации выпрямленного напряжения и тока. Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе выпрямителя , рис.2, имеет пульсации. Порядок гармонических составляющих n кратен числу фаз выпрямления m: где k_г = 1,2,3,… - кратность гармоник.

Амплитуды составляющих определяются разложением кривой в ряд Фурье. При идеальных вентилях и трансформаторе и непрерывной кривой выпрямленного тока (на входе фильтра индуктивность) (эта формула не относится к случаю, когда m=1).

Следовательно, коэффициент пульсаций для гармоники порядка n: .

При фазовом регулировании выпрямленного напряжения, когда включение каждого вентиля задерживается на угол б, коэффициент пульсаций

Рис.2 Пульсации в кривой выпрямленного напряжения

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и тока применяются фильтры. Расчет сглаживающих фильтров производится с учетом гармонических n=m, т.е. при k_г=1. Эквивалентная схема Г-образного фильтра имеет вид:

В кривой напряжения можно выделить постоянную составляющую, которая не должна ослабляться фильтром, и переменную составляющую, которая должна замыкаться в контуре и . На сопротивлении имеет место падение напряжения от переменной составляющей тока. Для переменной составляющей тока сопротивление параллельной ветви фильтра должно быть много меньше сопротивления цепи нагрузки, а сопротивление звена должно быть много больше сопротивления нагрузки.

Заданными величинами при расчете фильтра являются коэффициенты пульсаций на входе и на выходе задается потребителем).

Коэффициент сглаживания фильтра

При

Простой индуктивный фильтр, используемый главным образом в мощных выпрямителях, имеет следующий вид, рис.4

Такой фильтр, рис. 4а, как и Г-образный фильтр с индуктивным входом при сглаживает выходной ток выпрямителя, в связи с чем токи вентилей в обмотках трансформатора приобретают прямоугольную форму (что, в частности, сказывается на расчетных показателях выпрямителя).

Амплитудное значение тока n - ой гармоники, протекающего через и

Следовательно, коэффициент сглаживания откуда требуемая индуктивность сглаживающего реактора

В магнитопроводе реактора необходимо предусмотреть воздушный зазор для устранения возможного насыщения за счет протекания через обмотку постоянной составляющей тока нагрузки.

Простой ёмкостный фильтр, рис. 4б, используется главным образом при относительно малых токах. Этот фильтр применяется чаще всего на выходе однополупериодной или двухполупериодной схемы выпрямления. Такой фильтр сильно изменяет режим работы выпрямителя, так как вентили включаются лишь на весьма короткое время, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора превышает пульсирующее напряжение на конденсаторе.

Требуемая емкость фильтра при заданном коэффициенте пульсаций q:

для однополупериодной схемы выпрямления

для двухполупериодной схемы выпрямления

коэффициент пульсаций q выбирается обычно в диапазоне 0,01-0,1.

Для получения лучшего сглаживания выходного напряжения после ёмкостного фильтра подсоединяют еще Г-образное звено LC (рис.5). Получающийся П-образный фильтр состоит из двух звеньев: звена С1 и Г-образного звена . Для фильтра , приняв , можно записать:

Размещено на Allbest.ru