книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей

гается, что перед началом коммутации открыты и нагружены то­

ние демпфирующего конденсатора Uдн больше линейного напря­ жения коммутирующих фаз. В момент времени, когда напряжение демпфирующего конденсатора снизится до амплитуды линейного

к этому моменту снизиться до нуля, замыкается через соответст­ вующие вентили диодного моста (на рис. 3.19, а они не показаны) и демпфирующий конденсатор, заряжая последний. При правиль­ ном выборе длительностей cpKi и сркг (рис. 3.19,6) первого и вто­ рого этапов коммутации демпфирующий конденсатор к концу

емкость демпфирующего конденсатора Сд. Расчеты выполняются на ЭВМ одним‘из численных методов. По результатам таких рас­ четов на рис. 3.16 пунктирными линиями построены характеристи­ ки 1/*лк( к ш) = {/;„(*„). Из рис. 3.16 видно, что при работе демп­

фирующего конденсатора с чередованием в процессе коммутации режимов разряда и заряда уровень коммутационных перенапряже­ ний оказывается существенно ниже, чем при его работе в режиме непрерывного заряда (или непрерывного разряда) в процессе коммутации. Особенно наглядно снижение уровня коммутацион­ ных перенапряжений видно на рис. 3.18, б, на котором пунктир­ ными линиями изображены зависимости Ü*K( ®н) = U*H( <?„) для

рассматриваемого случая.

-3.9. ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ РЕЗОНАНСНЫХ ФИЛЬТРОВ И УЗЛА ОГРАНИЧЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ

Выпрямитель с принудительным запиранием вентилей, с узлом ограничения коммутационных перенапряжений и резонансными фильтрами на стороне переменного тока представляет собой дос­ таточно сложную систему, исследование которой аналитическими методами является очень сложной и трудоемкой задачей. Поэто­ му для того, чтобы получить хотя бы общее представление о взаи­ мовлиянии резонансных фильтров и узла ограничения коммута­ ционных перенапряжений на ЭВМ были просчитаны отдельные режимы работы несколько упрощенной модели такого выпрямителя.

Расчетная модель выпрямителя представляла собой трехфазнын мост, выполненный на запираемых тиристорах и подключен­ ный к трехфазному источнику синусоидального напряжения через индуктивные сопротивления. Управление выпрямителем — с дву­ кратным включением вентилей по закону a t= —а2=ц. Параллель­ но зажимам переменного тока трехфазного моста подключены два •трехфазных резонансных фильтра, настроенных соответственно на 5-ю и 7-ю гармоники, и узел ограничения коммутационных 'пере­ напряжений в виде диодного трехфазного моста с демпфирующим конденсатором, подключенным к зажимам его постоянного тока. "Отвод избыточной энергии от демпфирующего конденсатора осу­ ществляется после завершения коммутации тока в. фазах, в про­ цессе же самой коммутации демпфирующий конденсатор заря­ жается спадающим током фаз.

Для выполнения расчетов была разработана несложная прог­ рамма расчета на ЭВМ многоэтапного переходного процесса; пре­ дусматривающая решение на каждом этапе соответствующей сис­ темы дифференциальных уравнений методом Рунге—Кутта и фик­ сацию с заданной точностью границ этапов по заданному условию. Программа рассчитана на многократное повторение расчетов в одном и том же интервале 0 ^ ш ^ 2 л /3 с осуществлением, в кон-

ны кривые напряжений соответствующих фаз сети, а также токи этих фаз и напряжение демпфирующего конденсатора при отсут­ ствии резонансных фильтров. Все расчеты были выполнены для

сети и резонансных фильтров в начале расчета принимались рав­ ными нулю. Общая длительность расчетов составляла 12—15 цик­ лов по 120°, т. е. 4—5 периодов питающего напряжения.

Рис. 3.20. Расчетные диаграммы напряжения демпфирующего конденсатора и первичных токов трехфазиого мостового выпрямителя с фильтрами 5-й и 7-й

.гармоник при управлении с двукратным включением вентилей при а=20° (а) и а=27° (б)

Как показано на рис. 3.20, каждый 120°-ный расчетный интер­ вал делится на 8 этапов, границы между которыми показаны вер­ тикальными пунктирными линиями. 1-й этап — этап естественной коммутации. Перед его началом ток нагрузки замыкается через,

.пару противофазных вентилей тиристорного моста, например,, через вентили УЗ и V6. В начале 1-го этапа отпирается вентиль. VI, его ток начинает нарастать, а ток вентиля УЗ — снижаться..

Заканчивается 1-й этап запиранием вентиля V3. 2-й этап является внекоммутационным, на его протяжении ток нагрузки протекает через вентили VI и V6. В конце 2-го этапа принудительно запи­ рается вентиль V6 и отпирается вентиль V4, в результате чего ток нагрузки начинает замыкаться через противофазные вентили VI и V4, а токи нагруженных фаз А и В — через диодный мост и демпфирующий конденсатор. В конце 3-го этапа ток демпфирую­ щего конденсатора снижается до нуля и вентили диодного моста запираются. На 4-м этапе ток нагрузки продолжает протекать через тиристоры VI и V4, а токи фаз сети равны токам резонанс­ ных фильтров. В начале 5-го этапа отпирается вентиль V2 и начи­ нается естественная коммутация тока с вентиля V4 на вентиль V2. По своему характеру процессы, происходящие на 5-м—8-м этапах, аналогичны процессам на 1-м—4-м этапах.

Из приведенных на рис. 3.20 диаграмм видно, что резонансные •фильтры оказывают существенное влияние на форму тока, потреб­ ляемого преобразователем из сети, которая заметно улучшается, приближаясь к синусоидальной. Заметный на рисунках опере­ жающий сдвиг кривых фазных токов относительно соответствую­ щих напряжений обусловлен тем, что фильтры генерируют в сеть реактивную мощность.

Благодаря резонансным фильтрам существенно снижается и уровень коммутационных перенапряжений, определяемый прира­ щением напряжения демпфирующего конденсатора «д на 3-м и 7-м этапах. Так, на рис. 3.20, а коммутационное приращение этого напряжения в 2,3 раза меньше, чем в случае отсутствия резонанс­ ных фильтров, на рис. 3.20,6 — оно меньше в 1,7 раза. Соответ­ ственно мощность коммутационных перенапряжений снижается в 2,5 и 1,9 раза.

Следует отметить, что переходные процессы в описываемом пре­ образователе даже при весьма значительных возмущающих воз­ действиях (кроме указанных проводились также расчеты пере­ ходных процессов при внезапном набросе тока нагрузки преобра­ зователя) протекают достаточно спокойно, чему, видимо, способ­ ствует относительно большая емкость демпфирующего конденса­ тора. Напряжение последнего в переходных процессах колеблется около установившегося значения, причем положительные откло­ нения напряжения значительно меньше отрицательных и не пре­ вышают 2—3%. Не отмечено в переходных процессах существен­ ного повышения напряжения на конденсаторах резонансных филь­ тров.

Г л а в а 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛОЖНЫХ

ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПРИ РАЗДЕЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ ВЕНТИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ

4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

рямления, особенно если они выполнены из однотипных простых схем. Одновременно с этим возрастает и число разновидностей этого способа управления, среди которых, помимо хорошо извест­ ного поочередного управления, заслуживает внимания так назы­ ваемое двухзонное управление [37, 38], а также управление, при котором из состава первичного тока выпрямителя можно исклю­ чить те или иные высшие гармоники [32, 33]. Кроме того, в слож­ ных схемах выпрямления появляется возможность комбинировать раздельное управление вентильными группами с многократным включением вентилей в течение периода (при естественной комму­ тации только с одно- и двукратным включением), что дает допол­ нительный эффект. Применение управления с принудительной коммутацией позволяет при умеренной сложности схем выпрям­ ления достигнуть таких результатов, которые при раздельном управлении с естественной коммутацией могут быть получены

только в очень сложных схемах.

Исследованию характеристик сложных выпрямителей с раз­ дельным управлением посвящено очень много работ, в большей части из них [13, 32, 33, 40, 73—76 и др.] анализируются в основ­ ном двух- и четырехмостовые схемы с поочередным управлением при естественной коммутации. Наряду с этим в работах [12, 34, 35, 37, 38, 48 и т. д.] рассмотрены и другие разновидности раздель­ ного управления, в том числе и с принудительной коммутацией.

Характеристики выпрямителей в перечисленных работах оп­ ределяются, как правило, путем анализа отдельных схем при ка­ ком-либо одном законе управления вентилями. В то же время в отдельных работах для определения ряда характеристик исполь­ зуют и обобщенные методы анализа. Так, в [12, 37, 38] применен метод расчета коэффициента мощности выпрямителя, не требую­ щий предварительного разложения кривой первичного тока в ряд Фурье, в [75, 76] — метод расчета гармоник выпрямленного пап-

ряжения по известным гармоникам первичного тока. Первые по­ пытки достигнуть более высокого уровня обобщения путем ис­ пользования при анализе основных структурныхпараметров вып­ рямительных схем предприняты в работах (37, 38].

Проводимый в дальнейшем анализ не претендует на исчерпы­ вающее изложение свойств и характеристик всего многообразия сложных схем выпрямления и способов управления вентилями. Главная его цель — определить характеристики некоторых наи­ более. распространенных схем при наиболее эффективных для них законах управления вентилями, а также продемонстрировать на этих примерах высокую эффективность обобщенного анализа (см.

§2.7), уже успешно примененного в гл. 3.

4.2.РАЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ РАЗДЕЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ

Реализация многих законов раздельного управления требует ус­ ложнения лишь системы управления вентилями. Очевидно, чтонаибольший интерес представляют такие законы, при которых системы управления вентилями не оказываются чрезмерно слож­ ными.

Одним из основных узлов современных систем управления вен­ тилями является функциональный преобразователь «управляющее напряжение — угол сдвига фазы отпирающих импульсов» (т. е. •фазосдвигающее устройство — ФСУ), имеющий, как правило, линейную характеристику. На основе таких же ФСУ желательно строить и системы раздельного управления. В этом случае каждый конкретный закон управления можно задать в виде системы за­ висимостей

вентильных групп сложного выпрямителя. Эти зависимости долж­ ны задаваться для каждого из дискретных участков (зон), на ко­ торые разбивается весь диапазон регулирования выпрямленного напряжения, поскольку в различных зонах коэффициенты Kj

могут иметь разные значения. Изменение углов а/ у всех вентиль­ ных групп ограничено одними и теми же предельными значениями amitv и ашах, выбор значений которых производится с учетом кон­ кретных особенностей выпрямителя. В дальнейшем, когда это спе­ циально не оговаривается, углы принимаются равными соответ­ ственно 0 и 180° (или —180°).

Зависимости (4.1) удобно задавать в графическом виде. На рис. 4.1, а приведены такие зависимости, соответствующие пооче­ редному управлению в четырехэлементном выпрямителе. По оси ординат на этом графике откладываются углы отпирания венти­ лей отдельных вентильных групп, а по оси абсцисс — напряже­ ние управления в относительных единицах, -причем значениям

С/у* = 1,0 и —1 соответствуют такие же численные значения вып­ рямленного напряжения t/d*, выраженного в долях напряжения Udo (заметим, что в общем случае напряжения Uy* и Ud* равны друг другу только в указанных трех точках).

Весь диапазон регулирования при поочередном управлении разбивается на число отдельных зон z, равное числу поочередно управляемых элементов схемы (z=Nnc), при этом все зоны имеют

Рис. 4.1. Рациональные законы раздельно­ го управления сложными выпрямителями

одинаковую протяженность и в пределах каждой из них угол отпирания изменяется только у вентилей одной из групп. Поочеред­ ное управление, как известно, позволяет снизить потребляемую ■выпрямителем реактивную мощность. Если поочередно управляе­ мые элементы являются однотипными (т. е. имеют одинаковые схемные параметры), то достигается также и некоторое снижение мощности искажения.

Представляют также интерес отдельные законы раздельного управления, характеризующиеся одновременным изменением уг­ лов отпирания сразу у нескольких вентильных групп. Для зависи­ мостей, изображенных на рис. 4.1,6, характерно постоянство раз­ ности углов отпирания вентилей для любой пары вентильных групп. При таких законах управления, подбирая определенные значения разностей углов отпирания, можно добиться полного

исключения из состава первичного тока выпрямителя той ил» иной группы высших гармоник [32, 34]. Реактивная мощность сни­ жается при этом незначительно. Другими свойствами обладают за­ коны регулирования, один из которых применительно к четырех­ элементному выпрямителю изображен в графическом виде на рис. 4.1, в. При таком управлении, названном двухзонным [37],. происходит снижение амплитуд всех высших гармоник, т. е. сни­ жается мощность искажения выпрямителя при относительно не­ большом снижении реактивной мощности.

Таким образом, при одних законах раздельного управления' можно добиться существенного снижения реактивной мощности (поочередное управление), при других — в основном мощности: искажения (двухзонное управление), при третьих — полного иск­ лючения тех или иных гармоник первичного тока. Комбинируя ха­ рактерные признаки перечисленных законов (рис. 4.1, г), можно повысить эффект снижения мощности искажения за счет умень­ шения эффекта снижения реактивной мощности и наоборот.

При применении принудительной коммутации поочередное уп­ равление становится неэффективным, поскольку реактивную мощ­ ность в этом случае выгоднее снижать за счет осуществления опе­ режающей коммутации у половины вентильных групп. Весьма эффективным оказывается в этом случае двухзониое управление,, показанное на рис. 4.1, д, поскольку при полной компенсации реак­ тивной мощности оно обеспечивает в то же время существенное снижение мощности искажения выпрямителя.

4.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ОДНОФАЗНОГО ТОКА ПРИ ПООЧЕРЕДНОМ УПРАВЛЕНИИ

Анализ характеристик проведем для выпрямителя, состоящего' из произвольного числа N„c последовательно соединенных двух­ фазны^ нулевых схем (рис. 4.2,а). Если Nnс — число четное, то такой схеме эквивалентен также выпрямитель, состоящий из NnJ2 последовательно включенных однофазных мостовых схем (рис.. 4.2,6), каждая из которых может быть представлена в виде пос­ ледовательного соединения двух двухфазных нулевых схем катод-' ного и анодного типов. Последние являются однотипными, т. е.. взаимозаменяемыми, поскольку число фаз выпрямления т* = 2 яв­ ляется четным.

Анализ показывает, что и одномостовая схема с двумя нуле­

конфигурацию и другое число вентилей, в ней непосредственно неприменимы законы управления вентилями, используемые в пер­ вых двух схемах, тем не менее, в ней всегда можно подобрать такой способ управления вентилями, при котором все характери­ стики будут в точности соответствовать характеристикам схем,

ПО