Преобразователи естественной коммутации, составленные из статических элементов, таких, как трансформаторы, реакторы, конденсаторы и вентили, могут применяться для передачи энергии как в одном, так и в обоих направлениях между цепями переменного и постоянного тока или между двумя цепями переменного тока разных частот. Вентили могут быть управляемыми или неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми- полупроводниковые диоды. Раньше наиболее часто использовались управляемые и неуправляемые вентили с ртутными катодами. Вентили с ртутным катодом все еще применяются в некоторых устройствах, например в блоках питания радиопередатчиков.

Коммутация, необходимая для обеспечения требуемого потока энергии в желаемом направлении, возникает в преобразователе с естественной коммутацией вследствие изменения междуфазного напряжения. При использовании таких преобразователей для связи систем переменного и постоянного тока напряжение в системе переменного тока должно поддерживаться генераторами достаточной мощности. Если обе соединяемые системы являются системами переменного тока, то в зависимости-от конкретных условий может оказаться достаточным, чтобы генераторы были только в одной системе. В других случаях генераторы могут быть в обеих системах переменного тока.

С учетом вышесказанного преобразователи с естественной коммутацией могут быть подразделены на две большие группы: 8

преобразователи, обеспечивающие передачу потока энергии между системами переменного и постоянного тока;

преобразователи, обеспечивающие передачу потока энергии между двумя системами переменного тока, ра-,-ботающими при различных напряжениях или частотах (специальные преобразователи).

За некоторыми исключениями, в настоящей главе рассматриваются преобразователи первой группы.

Краткое описание преобразователей с естественной коммутацией, соединяющих системы переменного и постоянного тока. Преобразователи, относящиеся к этой группе, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Для снижения потребления реактивной мощности можно присоединить шунтирующий диод на стороне постоянного тока управляемого преобразователя. В неуправляемых преобразователях или в управляемых преобразователях, имеющих шунтирующий диод, энергия может передаваться только из системы переменного тока в систему постоянного тока, т. е. такие преобразователи могут работать только в выпрямительном режиме. Управляемые преобразователи могут передавать энергию в обоих направлениях. Когда энергия передается из системы переменного тока в систему постоянного тока, преобразователь работает в выпрямительном режиме, при передаче энергии в противоположном направлении преобразователь работает в инверторном режиме.

В зависимости от типа источника переменного тока различают однофазные и трехфазные преобразователи. Основными параметрами преобразовательной схемы являются число возможных направлений тока и число пульсаций. В зависимости от того, проходит ли ток в вентильной обмотке преобразовательного трансформатора только в одном направлении или в том и другом направлениях, различают однонаправленные и двухна-правленные схемы. Число пульсаций - это отношение частоты низш1ей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя к частоте напряжения на стороне переменного тока.

Схемное выполнение преобразователей с естественной коммутацией характеризуется так называемыми коммутационными группами. Коммутационная группа содержит все вентили, которые в нормальных рабочих ; условиях коммутируют между собой независимо от вен-

тилей других групп. Данный преобразователь моисет иметь несколько коммутационных групп, которые могут соединяться параллельно или последовательно.

На рис. 2Л-2.3 даны примеры основных однофазных схем. Схема, показанная на рис. 2.1, обозначена 1Ф1Н1П (однофазная, однонаправленная, однопульсная), схема

Up n ±

о

Рис. 2.1. Преобразовательная схема 1Ф1Н1П.

Рис. 2.2. Преобразовательная схема 1ФШ2П.

на рис. 2.2-1Ф1Н2П (однофазная, однонаправленная, двухпульсная) и схема на рис. 2.3-1Ф2Н2П (однофазная, двухнаправленная, двухпульсная или однофазная мостовая схема). В схемах могут использоваться либо

t М 1\

f [t (f и

Рис. 2.3. Преобразовательная схе- Рис. 2.4. Преобразовательная

ма 1Ф2Н2П.

схема ЗФШЗП.

неуправляемые преобразователи-диоды Д, либо управляемые- тиристоры Т. К зажимам постоянного тока может быть присоединен шунтирующий диод До, показанный на рисунках пунктирной линией. Управляемые преобразователи, выполняемые по схемам 1Ф1Н2П и 1Ф2Н2П, при отсутствии шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме.

На рис. 2.4-2.7 приведены некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей. На рис. 2.4 дана схема типа ЗФ1НЗП. Вентили этой схемы (Дь Дг, Дз или Ти Тг, Ts) образуют единую коммутационную группу. Изменяя число сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, можно получить несколько вариантов показанной на рис. 2.4 однонаправленной схемы. Их общей особенностью будет соединение обмоток в звезду, что характерно для однонаправленных

)5 0C0

Рис. 2.5. Преобразовательная схема ЗФ1Н6П с уравнительным реактором.

лого ОС

\Upt\upz \ Up3

,t f t

Л

Рис. 2.6. Преобразовательная схема ЗФ2Н6П.

схем. Например, увеличивая число вентильных обмоток преобразовательного трансформатора до шести и соединяя их в звезду или объединяя нулевые точки вентильных обмоток нескольких преобразовательных трансформаторов различных коммутационных групп, можно увеличить число фаз на стороне вентильных обмоток и, следовательно, путем такого развития схемы, показанной на рис. 2.4, увеличить число пульсаций преобразователя. Особенности таких схем будут рассмотрены более подробно при решении задач.

На рис. 2.5 показано параллельное соединение двух различных коммутационных групп (/ и II). Разность мгновенных значений напряжений двух групп прикладывается к уравнительному реактору Li. Известно несколько вариантов этой схемы, мало различающихся между

собой. Увеличивая число обмоток уравнительного реактора, можно увеличить число параллельно соединенных коммутационных групп. Интересно отметить, что схема, показанная на рис. 2.5, соответствует схеме ЗФ1Н6П, если исключить уравнительный реактор Li и соединить нулевые точки обмоток. Это шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис. 2.4.

На рис. 2.6 показана схема ЗФ2Н6П, известная под названием трехфазной мостовой схемы. В этой схеме также имеются две коммутационные группы: I и П. Группы соединены последовательно, а выходное напряжение преобразователя равно сумме выходных напряжений Udi и U(j2 обеих коммутационных групп.

Как и в однофазных схемах, на стороне постоянного тока преобразователей, представленных на рис. 2.4-2.6, могут быть присоединены шунтирующие диоды. Потребление реактивной мощности в схеме ЗФ2Н6П может быть также уменьшено при несимметричном управлении обеими коммутационными группами.

Управляемые преобразователи без шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме. Следует

добавить, что при наличии уравнительного реактора преобразователи, имеющие схему соединения ЗФ2Н6П, могут соединяться параллельно (параллельная работа последовательно соединенных коммутационных групп).

На рис. 2.7 показана схема, часто применяемая в электроприводе. Две последовательно соединенные коммутационные группы соединяются встречно-параллельно через уравнительные реакторы. Таким способом на стороне постоянного тока может быть получено напряжение любой полярности и при любом направлении

Рис. 2.7. Схема двух встречно-параллельно соединенных преобразователей, обеспечивающая работу в четырех квадрантах.

тока. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы по контуру, составленному из двух преобразова- телей, не проходил слишком большой постоянный ток, который мог бы вызвать повреждение оборудования (так называемый уравнительный ток). Уравнительный ток может быть отрегулирован посредством пофазного управления преобразователями. Представленный здесь принцип может быть применен также к преобразователям с другими схемами соединений; это ведет к возникновению значительного числа дополнительных вариантов.

Схема пригодна также и для получения напряжений переменной частоты посредством периодического изменения углов включения вентилей преобразователей.

Порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией, предназначенных для передачи энергии между цепями переменного и постоянного тока. Для проектирования требуются следующие исходные данные:

напряжение, частота и мощность КЗ в сети переменного тока;

напряжение на стороне постоянного тока (или необходимый диапазон его изменения); преобразуемая мощность;

некоторые дополнительные данные (пульсации выпрямленного напряжения или тока, содержание гармоник тока на стороне переменного тока, коэффициент мощности).

При проехстировании должны быть выполнены следующие расчеты:

после того как выбрана наиболее подходящая схема преобразователя, определяется действующее значение напряжения вентильной обмотки преобразовательного трансформатора, исходя из требуемого наибольшего значения выпрямленного напрял^ения;

вычисляются действующие значения токов в обмотках преобразовательного трансформатора и производится его расчет. Нагрузка трансформатора, работающего на преобразователь, несинусоидальна и различна для сетевых и вентильных обмоток, поэтому вводится понятие о расчетной мощности трансформатора. Используя это понятие, можно рассчитывать преобразовательный трансформатор принципиально так же, как рассчитываются обычные силовые трансформаторы. Расчетная - - . 13

мощность определяется по формуле >5тр= {Sp-\-Ss)f2,

где

Sp=UpIpnp и Ss=UsIsns.

Здесь и, I - действующие значения напряжений и токов трансформатора; п - число обмоток; индекс р соответствует сетевым (первичным) о'бмоткам, а индекс S - вентильным (вторичным) обмоткам трансформатора;

при некоторых схемах преобразователей в вентильных обмотках преобразовательного трансформатора протекают токи только в одном направлении (пульсирующие токи). Это может привести к нарастанию неском-пенсированной (остаточной) намагниченности стержней магнитопровода преобразовательного трансформатора. Лучше избегать схем, при использовании которых возможны такие явления. Если же такое решение все таки необходимо, то действие пульсирующей нагрузки должно быть проверено расчетом и должны быть приняты меры по уменьшению ее неблагоприятного влияния (например, ввести третичные обмотки);

вычисляются действующее и среднее значения токов в каждом элементе преобразователя;

вычисляются напряжения на вентилях преобразователя. После получения результатов расчетов выбираются вентили;

определяются коэффициент мощности и содержание высших гармоник тока на стороне переменного тока преобразователя. С учетом содержания высших гармоник тока коэффициент мощности l=Pp/Sp записывается в виде

X=v cos ф,

где v-lpillp--коэффициент искажения, равный отношению действующего значения тока основной гармоники к действующему значению всего тока; ф - угол сдвига фазы основной гармоники тока /pi относительно напряжения;

определяется содержание гармоник высших токов ia в цепи постоянного тока;

определяются параметры защитных устройств и устройств, обеспечивающих равномерное распределение 14

токов и напряжений в параллельно и последовательно соединенных вентилях, если таковые имеются.

Некоторые основные соотношения, используемые при расчетах. Вентили обладают нелинейными характеристиками, поэтому при анализе процессов в схемах преобразователей методы теории линейных цепей имеют ограниченное применение. Из-за нелинейности характеристик вентилей режимы работы и характеристики преобразовательных схем довольно сильно зависят от вида нагрузки. С учетом этих особенностей проводимые далее соотношения будут справедливы только для заданных типов нагрузок и в ограниченных диапазонах режимов. В электротехнике разработаны методы расчетов при двух широко используемых видах нагрузок. В первом случае на выводы преобразователя со стороны постоян-

3 5 7 10 3 5 7 100 3 S 1 рад

Рис. 2;8. Диаграммы для расчета выпрямительной схемы 1Ф1Н1П с конденсаторным фильтром.

ного тока включается сглаживающий конденсатор большой емкостью. Она служит для ограничения в заданных пределах пульсаций напряжения постоянного тока. Этот способ сглаживания имеет довольно ограниченное значение для силовой электроники, так как он может быть применен лишь при небольших мощностях. Во втором случае к выводам преобразователя со стороны постоянного тока присоединяется нагрузка, состоящая из последовательно соединенных резистора, реактора и противо-ЭДС (любой или любые два из этих элементов могут отсутствовать). Основные соотношения, относящиеся к этим двум случаям, будут рассмотрены ниже.

Расчет схемы выпрямителя со сглаживающим конденсатором. При наличии сглаживающего конденсатора

5 1 1

S 7 10

5 7 100

д S 7 рав

Рис. 2.9. Диаграммы для расчета однофазных двухпульсных выпрямителей с конденсаторными фильтрами.

ток, протекающий через вентили и обмотки трансформатора, будет несинусоидальным. Значение выпрямленного напряжения сильно зависит от нагрузки. Необходимо знать характерные значения токов в трансформаторе и диодах, а также связь между нагрузкой и пульсацией выходного напряжения в установившемся режиме. Наконец, должны быть определены переходные сверхтоки возникающие при включении преобразователя. Все эти вычисления довольно громоздки и приводят к трансцендентным уравнениям [1], на основе которых построены; семейства кривых, показанные на рис. 2.8-2.12. Использование этих кривых проиллюстрировано ниже при решении задач.

Расчет преобразователей с нагрузкой, состоящей и.ч последовательно соединенных реактора, резистора и про-тиво-ЭДС [1-10]. При нагрузке преобразователей этого типа следует различать режимы непрерывной и прерывистой проводимостей преобразователя. В режиме прерывистой проводимости выпрямленный ток периодически спадает до нуля. Каждый раз вентили включаются при нуле тока в цепи подобно тому, как это происходит при пуске. В режиме непрерывной проводимости ток в цепи выпрямленного тока не снижается до нуля и переводится с одного вентиля на другой за короткие интервалы коммутации.

Схепа napanempY А

3 51-10 3 5 1 100 3 5 7 1000рад

Рис. 2.10. Диаграммы для расчета однофазных выпрямительных: