книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей

стики любого простого выпрямителя вполне однозначно опреде­ ляются следующими схемными параметрами: числом фаз питаю­ щей сети т, числом фаз выпрямления (числом вторичных фаз трансформатора) т>, коэффициентом трансформации трансфор­ матора ki и углом схемы 0, под которым подразумевается угол между векторами напряжений одной из фаз питающей сети и ка­ кой-либо из вторичных фаз (эти фазы можно выбирать произволь­ но, но обычно выбирают такие фазы, угол сдвига между которыми минимален). Угол схемы, как это было показано в [7], является обобщенным параметром, характеризующим не только схему сое­ динения вторичных обмоток трансформатора, но одновременно и первичных.

Заметим,, что все перечисленные схемные параметры фактиче­ ски характеризуют собой трансформатор простого выпрямителя. Схемные параметры т, т2 и /гт являются для простых выпрями­ телей основными, так как они определяют все интегральные пока­ затели и характеристики выпрямителя (среднее значение выпрям­ ленного напряжения, действующие значения первичного тока и его гармонических составляющих и т. д.). Угол 0 на них влияния не оказывает, от него зависят только начальные фазы высших гармоник первичного тока и выпрямленного напряжения.

1.3. СЛОЖНЫЕ (МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ) СХЕМЫ

Говоря об образовании сложных схем выпрямления путем после­ довательного или параллельного соединения простых, обычно предполагают, что эти виды соединения выполняются на стороне постоянного тока, а на стороне переменного тока все простые схе­ мы включаются параллельно (при этом не существенно, имеет ли каждая простая схема собственный трансформатор или один мно­ гообмоточный трансформатор является общим для всех простых

схемы, образующие сложную, соединены на стороне переменного тока параллельно.

Для образования сложных схем выпрямления используются в основном простые радиальные схемы катодного и анодного типов с одинаковыми схемными параметрами т, гп2 и kT. Углы 0 объе­ диняемых простых схем могут быть одинаковыми или разными,

иэто существенно сказывается на ряде интегральных показателен

ихарактеристик сложных схем. Связано это с влиянием углов 0 на результат сложения высших гармоник первичных токов прос­ тых схем и гармоник их выпрямленных напряжений. Подбирая определенное сочетание углов 0 простых схем, можно (при опре­ деленных законах управления вентилями) добиться полного иск­ лючения (взаимокомпенсации) отдельных высших гармоник из состава первичного тока и выпрямленного напряжения сложного

выпрямителя. Таким образом, углы 0 простых схем, входящих в состав сложных, являются для последних, как и схемные пара­ метры т, m2 и /гт, основными.

Очевидно, что набор схемных параметров, характеризующих сложную схему выпрямления следует дополнить еще дпумя: чис­ лом Nnc последовательно и числом JV„P параллельно соединенных простых схем (при этом общее число простых схем, входящих в состав сложной, равно произведению этих чисел). Заметим, что параллельное соединение простых схем часто приходится осуще­ ствлять с помощью уравнительных реакторов (если не одинаковы либо углы 0 простых схем; либо углы отпирания их вентилей).

Сложные схемы выпрямления применяются при создании мощ­ ных выпрямительных установок, рассчитанных на большие токи и выпрямленные напряжения, из типовых блоков относительно не­ большой мощности. При этом часто реализуются эквивалентные многофазные выпрямители, состоящие из простых схем с различ­ ными схемными углами 0. Все сложные схемы обладают еще од­ ним важным свойством, заключающимся в возможности осущест­ вления в них раздельного управления вентилями входящих в их состав простых схем. При таком управлении регулирование вып­ рямленного напряжения удается осуществлять при высоком зна­ чении коэффициента мощности и улучшенном гармоническом сос­ таве первичного тока и выпрямленного напряжения, что невоз­ можно в простых схемах выпрямления.

1.4. СХЕМЫ С НУЛЕВЫМИ ВЕНТИЛЯМИ

Схемы с нулевыми вентилями, впервые предложенные Г И. Бабатом [28], благодаря своим особым свойствам и достаточно боль­ шому разнообразию типов давно заслуживают выделения их в самостоятельный класс. Веским доводом в пользу этого является также и то, что схемы с нулевыми вентилями являются промежу­ точным звеном, связывающим два вида вентильных преобразова­ телей—выпрямители и широтно-импульсные преобразователи пос­ тоянного тока (ШИП). Действительно, многие способы (законы) управления с многократным включением вентилей, при которых характеристики выпрямителей оказываются весьма сходными с ха­ рактеристиками обычных ШИП, могут быть реализованы только в схемах с нулевыми вентилями. В последнее время схемы с ну­ левыми вентилями (или подобные им), управляемые с многократ­ ным включением вентилей, по аналогии с непосредственными пре­ образователями частоты нередко называют «непосредственными ШИГЬ.

Схемы с нулевыми вентилями могут быть простыми и сложны­ ми. Первые образуются из простых схем обычного типа (§ 1.2) путем шунтирования нагрузки диодом или управляемым венти­ лем. Сложные .схемы с нулевыми вентилями могут быть двух ти­ пов: схемы, состоящие из поледовательно или параллельно соеди-

•ценных простых схем, каждая из которых имеет собственный ну­ левой вентиль, и схемы £ одним общим нулевым вентилем, шунти­ рующим нагрузку сложного выпрямителя.

Характерным для выпрямителей с нулевыми вентилями яв­ ляется то, что в них при соответствующих способах управления вентилями можно получить любые режимы и характеристики, свой­ ственные обычным выпрямителям. Это позволяет рассматривать обычные схемы выпрямления как частную разновидность соответ­ ствующих схем с нулевыми вентилями, а любые характеристики ■обычных схем получать пз характеристик схем с нулевыми вен­ тилями при соответствующих способах (законах) управления вен­ тилями. Такой метод анализа характеристик выпрямителей ока­ зался весьма эффективным и широко используется в последующих главах.

Главная особенность схем с нулевыми вентилями заключается в том, что в них, как н в сложных схемах обычного типа, при применении специальных способов управления вентилями может быть получен высокий коэффициент мощности. В гл. 3 и 4 будет показано, что именно в схемах с нулевыми вентилями достигаются наиболее высокие значения коэффициента мощности при мини­ мальном усложнении схемы силовой части выпрямителя.

Как показано в § 1, в один класс со схемами с нулевыми вен­ тилями могут быть включены и мостовые схемы выпрямления.

1.5. МОСТОВЫЕ СХЕМЫ

Широко распространены такие мостовые схемы как однофазная, трехфазная, а:'так>хе аналогичные им схемы с большим числом фаз могут быть получены путем преобразования сложных двухэлемент­ ных схем, представляющих собой последовательное соединение двух простых схем анодного и катодного типа, углы 0 которых от­ личаются друг от друга на 180° Такое преобразование, впервые описанное в [2], показано на рис. 1.3 и заключается в соединении между собой эквипотенциальных точек и в последующем слиянии двух одинаковых источников э. д. с. (или двух одинаковых вто­ ричных обмоток трансформатора) в одни источник (в одну об­ мотку). Если исходные простые схемы имеют четное число фаз, то преобразование каскадной схемы в мостовую можно осущест­ вить и в случае, когда углы 0 простых схем одинаковы. Этот спо­ соб преобразования показан на рис. 1.4.

Исходная каскадная схема и получаемая из нее мостовая эк­ вивалентны, как отмечалось в [2], по величине и форме выпрям­ ленного напряжения и по режиму работы вентилей (к этому мож­ но добавить, что они эквивалентны также по форме и величине потребляемого из сети тока) и различаются лишь рёжимом работы вторичных обмоток трансформатора: в каскадной схеме по ним протекает однонаправленный ток, а в мостовой схеме — в обоих направлениях. Однако не менее важным отличительным признаком

тилем, в которой собственно нулевой вентиль отсутствует, a era функцию выполняют основные (фазные) вентили.

Мостовые схемы описываемого типа обладают всеми свойст­ вами сложных двухэлементных каскадных схем: в них можно осу­ ществлять раздельное управление вентилями катодной и анодной групп (поочередное, несимметричное и другие виды управления), в результате чего может быть повышен коэффициент мощности выпрямителя. В мостовых схемах можно реализовать именно те

схема на самом деле является двухфазной; это подтверждается и тем, что она может быть получена путем преобразования двух последовательно соединенных двухфазных нулевых схем, см. рис. 1,3, a и 1.4, а). Таким свойством, и это отмечено в [2], обладают все мостовые схемы с четным числом фаз, а удвоение пульсаций выпрямленного напряжения имеет место только в мостовых схе­ мах с нечетным числом фаз выпрямления.

Наряду с описанными «сложными» мостовыми схемами суще­ ствует и другая, менее известная, разновидность мостовых схем, которая может быть получена путем преобразования одиночной

простой схемы типа изображенной на рис. 1.1, г. Такое преобра­ зование показано на рис. 1.5, а и заключается в слиянии двух противофазных источников э. д. с. (или двух противофазных вто­ ричных обмоток трансформатора) путем выполнения перекрестных уравнительных соединений. Так как при таком преобразовании появляются новые (нулевые) контуры для тока нагрузки, то оче­ видно, что образующаяся мостовая схема (рис. 1.5,6) будет эк­ вивалентна исходной схеме только при условии, что нагрузка в последней зашунтирована нулевым вентилем (на рис. 1.5, а он по­ казан пунктиром).

Мостовая схема на рис. 1.5,6 обладает всеми свойствами прос­ тых схем с нулевыми вентилями: в ней нельзя осуществлять раз­ дельное управление вентилями катодной и анодной групп (так, цепь тока нагрузки оказывается разомкнутой, если включить од­

Рис. 1.6. Преобразование простои двухфаз­ ной схемы в однофазную мостовую

новременно вентили VII и V23, тогда как в «сложной» шестифаз­ ной мостовой схеме цепь тока нагрузки, как видно из рис. 1.3, 6, при отпирании этих же вентилей замкнута), однако можно приме­ нять такие же способы управления с многократным включением вентилей, которые возможны в простых (однотактных) схемах с нулевыми вентилями.

Интересно, что однофазная (т. е. фактически двухфазная) мос­

также и из одиночной простой двухфазной схемы типа изобра­ женной на рис. 1.1, г таким же способом, каким была получена простая шестнфазная мостовая схема (это преобразование пока­ зано на рис. 1,6).

кацией, приведенной в [2], предлагается заметно расширить класс простых (одноэлементных) схем: ввести новую разновидность та­ ких схем — кольцевые схемы, а к известным схемам радиального типа (катодным и анодным) добавить схемы с двумя источниками э. д. с. и с двумя группами вентилей (схема катодно-анодного типа). Что касается кольцевых схем, то среди них можно выделить две известные их разновидности — одно- и многокольцевые.

Все простые схемы являются однотактными, кратность пульса­ ций их выпрямленного напряжения всегда равна числу фаз вып­ рямления. Важнейшим свойством всех простых схем является возможность непосредственного применения к ним закона пер­ вичных токов (известный закон М. А. Чернышева [7J получен для частного случая т = 3, однако соответствующие зависимости мож­ но получить и для других значений т), позволяющего определять мгновенное значение первичного тока любой фазы по мгновенно­ му значению тока нагрузки вне зависимости от конкретного спо­ соба соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора. С одной стороны, закон первичных токов позволяет упростить классификацию схем выпрямления (вместо множества схемных признаков и количественных параметров, характеризующих раз­ личные схемы соединения обмоток трансформаторов, закон пер­ вичных токов позволяет ограничиться четырьмя общими пара­ метрами — т, т2, кг н 0), с другой стороны, он по существу яв­ ляется весьма эффективным средством анализа и расчета выпря­ мителей, причем не только простых, но и сложных. Из закона пер­ вичных токов выводится еще одно важное свойство простых вып­ рямителей, сформулированное в виде теоремы о. коэффициенте мощности [9] ( эта теорема, как и закон первичных токов, дока­ зана для частного случая т = 3, однако есть основания считать, что ока справедлива и для произвольного значения т ).

В следующий класс предлагается объединить всевозможные сложные схемы, получаемые путем последовательного или парал­ лельного, а в общем случае — путем последовательно-параллель­ ного соединения простых схем первого класса. Простые схемы, входящие в состав сложных, на стороне переменного тока, как правило, включены параллельно, поэтому мгновенное значение первичного тока сложной схемы равно сумме мгновенных значений первичных токов простых схем независимо от того, как они соеди­ нены на стороне постоянного тока. Из этого следует аналогичное правило определения синусных и косинусных составляющих лю­ бой гармоники первичного тока сложной схемы. Интересно, что мгновенное и среднее значение выпрямленного напряжения слож-

noii схемы (a также величина любой его гармоники) также опре­ деляются путем суммирования соответствующих напряжении всех входящих в ее состав простых схем: при последовательном соеди­ нении простых схем это очевидно; при параллельном соединении мгновенное значение выпрямленного напряжения определяется как среднеарифметическое напряжений всех параллельно соединенных схем, т. е. в виде суммы всех напряжений, деленной на число па­ раллельно соединенных простых схем.

Одним из важнейших свойств сложных схем выпрямления яв­ ляется возможность осуществления в них раздельного управления вентильными группами входящих в их состав простых схем. Выше уже говорилось, что, применяя такие способы управления (пооче­ редное, несимметричное и др.), можно улучшить коэффициент мощности и гармонический состав первичного тока и выпрямлен­ ного напряжения. Получаемые при этом результаты существенно зависят от того, являются ли простые схемы, входящие в состав сложной, однотипными (т. е. имеющими одинаковые схемные па­ раметры т, /п2; /ет и 0) пли разнотипными (формально все схем­ ные параметры могут отличаться друг от друга, но, как правило, отличными друг от друга бывают только углы 0 простых схем). Это различие представляется достаточно важным и его целесооб­ разно отразить в классификации выпрямителей.

Целесообразность выделения в отдельный класс схем с нуле­ выми вентилями и включения в этот класс мостовых схем была ь достаточной мере обоснована в § 1.4 и 1.5. Все схемы этого вида

вичный ток любой из фаз и выпрямленное напряжение равны нулю. При расчете сложных схем с нулевыми вентилями, как и сложных схем обычного вида, на основании закона первичных токов могут быть определены первичные токи простых схем, об­ разующих сложную, а первичный ток сложной схемы находится затем путем суммирования первичных токов простых схем. Таким же способом можно рассчитать первичный ток мостовых схем сложного типа. В связи с этим следует отметить, что в [2] была предпринята попытка непосредственно применить закон первич­ ных токов к расчету сложных мостовых схем. С этой целью автор настоящей работы предлагает рассматривать такие мостовые схе­ мы как простые (типа изображенной на рис. 1.5, а), в которых каждая ветвь включает по одному вентилю из анодной и катодной групп п источник линейной э. д. с. Однако автор недоучел, что эти источники в сложных мостовых схемах соединены друг с дру­

до тех пор, пока все вентили мостовой схемы отпираются с оди­

управление вентильными группами, при котором углы отпирания, вентилей катодной и анодной групп не одинаковы, то такую схе­ му уже нельзя представить в виде структуры, изображенной на рис. 1.5, а, следовательно, нельзя к иен применить непосредствен­ но закон первичных токов. Заметим, что на невозможность непо­ средственного применения закона первичных токов к мостовым схемам указывалось п в [3].

Существенным отличием предлагаемой классификации схем выпрямления является то, что выделяемые в отдельные классы схемы связывает не только сходство структурных признаков, но

иглубокие закономерности функционирования этих схем.

1.7.СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯМИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Поиски путей улучшения энергетических показателей выпрями­ телей привели к разработке большого числа различных способов управления вентилями, многие из которых были подробно изучены и систематизированы в работах О. А. Маевского [13] и других авторов. В последующие годы были разработаны новые способы управления с принудительной коммутацией вентилей, сопоставле­ ние которых с ранее известными приводит к некоторым обобщаю­ щим выводам относительно их систематизации.

Каждый способ управления характеризуется наличием одного или нескольких независимо изменяющихся параметров. С этой точки зрения обычное симметричное управление вентилями, харак­ теризующееся изменением одного, одинакового для всех вентилей угла отпирания а, является однопараметрическим. При естествен­ ной коммутации на диапазон изменения этого угла накладывают­

зоне). При принудительной коммутации ограничений на измене­ ние угла а нет, поэтому обычное симметричное управление при ес­ тественной коммутации следует рассматривать лишь как частный случай аналогичного способа управления с принудительной ком­ мутацией. Соответственно, изучать свойства и характеристики выпрямителей при этом способе управления следует именно при принудительной коммутации — так будет достигнута наибольшая общность выводов. Из сказанного следует, что при систематиза­ ции способов управления вентилями не следует их связывать с типом используемых вентилей, наоборот, всегда следует исходить из предположения, что вентили рассматриваемых схем являются полностью управляемыми (т. е. управляемыми и по отпираншо и по запиранию).

Важнейшим свойством выпрямителей с однопараметрнческим [управлением является однозначное соответствие всех их характе-

рпстик. Это означает, что, например, определенному значению выпрямленного напряжения соответствует вполне определенное значение коэффициента мощности, коэффициента искажения пер­ вичного тока и т. д.

Примером двухпараметрического управления является извест­ ное управление с двукратным включением вентилей. При естест­ венной коммутации [29] возможность повторного на протяжении одного периода включения вентилей появляется лишь при условии, что первое включение произведено с задержкой а\ не менее 60° (в трехфазной схеме выпрямления). Если эго условие выполнено, то углы ai и ао при первом и втором включении можно в опреде­ ленном диапазоне изменять независимо друг от друга. При при­ нудительной коммутации [30, 31] эти углы могут изменяться не­ зависимо друг от друга в более широких пределах.

При двухпараметрическом управлении одному и тому же зна­ чению выпрямленного напряжения могут соответствовать различ­ ные сочетания углов а.\ и ао, которым, в свою очередь, соответ­ ствуют различные амплитудные спектры гармоник первичного тока и выпрямленного напряжения, т. е. различные рабочие ха­ рактеристики. В каждом конкретном случае между углами со и 02 устанавливают определенную функциональную связь, которую называют законом управления (регулирования). Подбирая опре­ деленные законы управления, можно видоизменять амплитудные спектры первичного тока и выпрямленного напряжения, добиваясь при этом минимизации амплитуд одной или нескольких гармоник, или же минимизации мощности искажения, получения максималь­ ного коэффициента мощности и т. д. Так, в работах [32, 33] на основе двухпараметрического управления решается задача исклю­ чения из состава первичного тока определенных гармоник при лю­ бом значении выпрямленного напряжения выпрямителя, в работах [34, 35]— задача регулирования реактивной мощности выпрями­ теля, осуществляемого параллельно с регулированием выпрямлен­ ного напряжения и независимо от него.

К двухпараметрическому относятся и многие разновидности управления с многократным включением вентилей [36], а также управление с однократным включением вентилей, осуществляе­ мое в схемах с нулевыми вентилями (этот способ управления ха­ рактеризуется тем, что в процессе регулирования изменяется за­ держка как при отпирании каждого фазного вентиля, так и при его запирании). В гл, 3 показано, что все эти способы, а также и обычное симметричное (однопараметрическое) управление можно рассматривать как частные случаи одного общего способа управ­ ления — управления с многократным включением вентилей. Такое объединение оказалось весьма эффективным: оно позволило уп­ ростить и существенно снизить трудоемкость анализа характери­ стик сложных схем выпрямления при различных законах управ­ ления вентилями.

В сложных (многоэлементных) схемах возможны и другие