книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей

т. e. к классической задаче вариационного исчисления. К оптималь­

мощности искажения, желательно также достигнуть снижения до минимума ее абсолютного значения при Ud =0, так как в этом

режиме из-за снижения до нуля активной составляющей первич­ ного тока возрастает удельный вес высших гармоник, т. е. сни­ жается коэффициент искажения первичного тока. Этому крите­ рию соответствует выбор значения ка =0,55. Очевидно, что в

рассматриваемом случае оптимальным будет некоторое промежу­ точное значение ka (например, £в=0,48), удовлетворяющее в

наибольшей степени каждому из указанных критериев.

С увеличением числа вентильных групп задача оптимального выбора коэффициентов ka) существенно усложняется. Начинать

ее решение в таких случаях целесообразно с определения ‘kaf, ми­

нимизирующих среднее значение мощности искажения (4.25), пос­ ле чего необходимо приступить к поиску близких к полученным решений, которые дают наименьшее значение мощности искаже­ ния при U*, = U.

Рассмотрим еще один пример, в котором, несмотря на доста­ точно большое число вентильных групп (Àf„c=4), определение оптимальных значений коэффициентов kaj оказывается сравни­

тельно несложным. Упрощение связано с тем, что на выбор зако­ на управления в данном случае накладывается дополнительное условие: коэффициент сдвига выпрямителя на всем диапазоне ре­ гулирования выпрямленного напряжения должен оставаться рав­ ным единице или, что то же самое, реактивная мощность выпря­ мителя —

О* = — (sin kai а + sin kaz а + sin ka3a + sin a) 4

при любом значении выпрямленного напряжения должна быть равна нулю. Это требование выполнимо только при условии, что'

должны отпираться с опережением момента естественной комму­ тации, т. е. принудительно). Таким образом, в данном случае, как и в рассмотренном, требуется определить значение лишь одного коэффициента — Ааа = — k — ka.

Выпрямленное напряжение схемы в рассматриваемом случае равно

Приступая к определению действующего значения первич­

Учитывая, что угол сдвига 1-й гармоники первичного тока cp(i)= 0, для мощности искаже­ ния согласно (2.62) получим выражение

щее значение первичного тока, кривая которого построена на рис. 4.8, б, равно

Рис. 4.8. Первичный ток четьцрехэле-

от выпрямленного напряжения

изображена на рис. 4.9 пунктирной кривой.

Важным достоинством синтезированного закона управления (для наглядности он изображен в графическом виде на рис. 4.10, а) является то, что в выпрямительном режиме весь диапазон регу­

0.2 0,4 0.6 0,3

Рис. 4.9. Мощность искажения четырехэле­ ментного выпрямителя однофазного тока при различных законах двухзонного управ­ ления

лирования выпрямленного напряжения перекрывается при изме­ нении углов отпирания всех вентилей от 0 до 90°, а в инвертор­ ном режиме — от 90 до 180°, т. е. характеристика управления и все рабочие характеристики выпрямителя симметричны относи­

вующая рассмотренному закону управления и рассчитанная по формуле (2.64) с учетом выражении (4.26), (4.27), (4.29), (4.33) и (4.35). Участок зависимости, изображенной на рис. 4.10, б пунк­ тирной кривой, соответствует управлению с ограничением угла <Х4= —ai во втором интервале регулирования на уровне 90°. Син­ тезированный закон управления может быть реализован и в од­ номостовой схеме с двумя нулевыми вентилями (рис. 4.2, в) .

На основе схемы, изображенной на рис. 4.2, в, при Добавлении к ней такого же комплекта вентилей может быть выполнен ревер-

сивный преобразователь (закон управления, показанный на рис. 4.10, а, соответствует именно такому преобразователю), важ­ ным достоинством которого является отсутствие уравнительных токов между двумя комплектами при согласованном управлении их вентилями и при отсутствии токоограничивающих реакторов

Рис. 4.10. Оптимальный закон управления вентилями четырехэЛементного выпря­ мителя однофазного тока (а) и его коэффициент мощности (б)

(эта особенность реверсивных выпрямителей с принудительной коммутацией впервые была отмечена в работе [77]). Такие дос­ тоинства схемы на рис. 4.2, в, как простота, высокий коэффициент мощности и благоприятный гармонический состав при описанном оптимальном законе управления вентилями, отсутствие необхо­ димости в установке токоограничивающих реакторов при реали­ зации реверсивного варианта преобразователя и некоторые дру­ гие позволяют сделать вывод о перспективности использования этого выпрямителя в промышленности и на электрифицированном транспорте.

4.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПРИ ПООЧЕРЕДНОМ УПРАВЛЕНИИ ТРЕХФАЗНЫМИ МОСТАМИ

В сложных трехфазных многомостовых выпрямителях можно осу­ ществлять поочередное управление как отдельными вентильными группами, так и трехфазнымн мостами. При управлении вентиль­ ными группами достигается более высокий коэффициент сдвига, однако существенно снижается коэффициент искажения первич­ ного тока из-за появления в нем четных гармоник (2-й, 4-й и др.), отсутствующих при симметричном управлении вентилями трех-

фазных мостов. В связи с этим применение поочередного управле­ ния отдельными вентильными группами в многомостовых выпря­ мителях нельзя считать целесообразным: коэффициент мощности выпрямителя повышается в этом случае незначительно, а гармо­ нический состав первичного тока заметно ухудшается. При пооче­ редном управлении мостами характеристики оказываются более благоприятными. При поочередном управлении полностью одно­ типными мостами снижается как реактивная мощность, так и мощ­ ность искажения. Несколько иными получаются характеристики при поочередном управлении мостами, образующими так назы­ ваемую эквивалентную многофазную (двенадцати-, двадцатиче­ тырехфазную и т. д.) схему: в первичных токах таких выпрями­ телей при поочередном управлении появляются отдельные высшие гармоники (5-я, 7-я, 17-я, 19-я и др.), характерные для трехфаз­ ных одномостовых схем, но одновременно снижаются амплитуды других, канонических для этих схем гармоник. В целом характе­ ристики выпрямителей с однотипными и с неоднотипными трех­ фазными мостами, отличаясь в деталях, в среднем оказываются одинаковыми. Из этого следует вывод, что миогомостовые выпря­ мители с поочередным управлением нецелесообразно выполнять по эквивалентным многофазным схемам, поскольку усложнение конструкции выпрямителя не дает в этом случае никакого эф­ фекта.

Различные разновидности поочередного управления в миогомостовых выпрямителях подробно рассмотрены в (13, 14, 73—76}. В связи с тем, что многие из этих разновидностей не перспектив­ ны, ниже рассматривается только случай поочередного управления в выпрямителях с однотипными мостами. В отличие от предыду­ щих исследований анализ характеристик выполнен в общем виде (для произвольного числа поочередно управляемых мостов N пс), а также с учетом ограничения минимальных (am,n) и максималь­ ных (атах=я—amin) значений углов отпирания вентилей.

Если угол отпирания вентилей изменяется в данный Момент

Ua = Udocos a*.

Выпрямленное напряжение у каждого из мостов, начиная с пер­ вого до (2—1)-го включительно, равно

Ud Udo COS СХщах = ^do COS OCmin> а у каждого из остальных мостов —

Ud Udo COS OJ]TIin.

Суммируя эти напряжения, получим общее выражение для вып­ рямленного напряжения всей схемы:

Наибольшего значения выпрямленное напряжение достигает в ре­ жиме z= 1 и аг= ат 1п:

в § 4.3, по его кривой, построенной путем суммирования мгновен­ ных значении первичных токов отдельных мостов. Полный диапа­ зон изменения угла az, amin ^ a z^ J t—amin, распадается на пять интервалов, для каждого из которых значение первичного тока определяется отдельно. Результаты такого анализа приведены в табл. 4.1. Используя выражения (4.38) и формулы табл. 4.1, можно по формуле (2.64) рассчитать коэффициент мощности выпрямите­ ля (коэффициент искажения ku0 в этом случае равен 3/я). Расчеты целесообразно выполнять на ЭВМ в следующем порядке. По за­

(символ INT в этом выражении означает выделение целой части заключенного в скобки числа), а затем вычисляется угол отпира­ ния вентилей

В зависимости от полученного значения угла az действующее зна­ чение первичного тока выпрямителя вычисляется по одной из пяти

сплошными линиями. На этом же рисунке пунктирными линиями изображены аналогичные зависимости, соответствующие a m in = 0 . Из рисунка видно, что ограничение минимальных и максимальных значений углов отпирания вентилей приводит к заметному сниже­ нию коэффициента мощности. В целом коэффициент мощности при поочередном управлении трехфазными мостами не намного выше, чем у каскадных выпрямителей однофазного тока с соответствую­ щим числом поочередно управляемых двухфазных вентильных групп (рис. 4 . 4 ) .

Используя выражения (3.34), определяющие коэффициенты

Фурье для гармоник первичного тока трехфазиой мостовой схемы при симметричном управлении ее вентилями, несложно получить аналогичные выражения для миогомостового выпрямителя с по­ очередным управлением:

Рис. 4.11. Коэффициент мощности трехфаз­ ных многомостовых выпрямителей при по­ очередном управлении мостами

sin kaz \ sin kccmin

Используя эти выражения, можно рассчитать амплитуды гармоник как первичного тока, так и выпрямленного напряжения. Для рас­ чета реактивной мощности (2.57) и мощности искажения (2.62) предварительно определяется из (4.41) угол сдвига 1-й гармоники первичного тока:

Шпс —1) sin ocmtti + sin a z

Ш а с —2 2 + 1 ) COS (Xmin + COS CLZ

4.6. УЛУЧШЕНИЕ (ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ПЕРВИЧНОГО ТОКА ТРЕХФАЗНЫХ МНОГОМОСТОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПРИ РАЗДЕЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ

Для улучшения гармонического состава первичного тока и вып­ рямленного напряжения широко применяют так называемые эк­ вивалентные многофазные схемы, представляющие собой после­ довательное или параллельное соединение двух и более трехфаз­ ных мостовых (либо других шестипульсных) схем, имеющих раз­ личные, но определенным образом подобранные схемные углы О/. С этой же целью применяется раздельное управление, характе­ ризующееся постоянством разности углов отпирания вентилей от­ дельных мостов. Эти два способа имеют много общего, но есть

В этих выражениях коэффициенты Фурье для гармоник первич­ ного тока трехфазного мостового выпрямителя зависят от значе­ ний углов 0 и а. Определим теперь коэффициенты Фурье для гармоник первичного тока двухмостового выпрямителя, полагая,