книги / Энергетические характеристики управляемых выпрямителей

двух- и многопараметрическне способы управления, хорошо из­ вестными примерами которых являются поочередное и несиммет­ ричное. Под поочередным обычно понимают такое управление,, при котором регулирование выпрямленного напряжения сложной' схемы осуществляют путем симметричного изменения углов отпи­ рания вентилей сначала одной из последовательно включенных' простых схем, затем второй, третьей и т. д. При таком управлении" весь диапазон регулирования выпрямленного напряжения распа­ дается на отдельные зоны регулирования, число которых равно числу последовательно включенных простых схем выпрямления. Однако часто поочередным называют и управление, при котором" углы отпирания вентилей изменяются одновременно (но в общем" случае неодинаково) сразу у нескольких простых схем. Чтобы избежать путаницы в терминологии, имеет смысл объединить все эти способы управления под другим общим названием — «раз­ дельное управление вентильными группами», а конкретные раз­ новидности раздельного управления различать по числу зон ре­ гулирования выпрямленного напряжения, как это предлагается в- [37] пли по другим признакам. В этой связи следует упомянуть так называемое двухзонное управление [37, 38], при котором- в ряде случаев удается существенно улучшить гармонический сос­ тав первичного тока выпрямителей.

При поочередном и ряде других разновидностей симметрич­ ного раздельного управления выпрямленные напряжения отдель­ ных простых схем, входящих в состав сложной, неодинаковы,, поэтому эти виды управления могут применяться только в слож­ ных схемах последовательного типа. Более универсальным яв­ ляется другой вид раздельного управления — несимметричное, ко­ торое можно применять как в схемах последовательного типа, так< и параллельного. При несимметричном управлении вентили каж­ дой из вентильных групп отпираются с разными углами, поэтому первичные токи отдельных простых схем, образующих сложную,, несимметричны по фазам. Однако благодаря тому, что углы отпи­ рания вентилей изменяются по определенным циклам, согласован­ ным друг с другом, несимметрия первичных токов простых схем при их суммировании полностью устраняется. Сопоставительный анализ множества различных разновидностей симметричного tr несимметричного раздельного управления показывает, что в схе­ мах последовательного типа любой разновидности симметричного* раздельного управления можно поставить в соответствие опреде­ ленную разновидность несимметричного и наоборот, причем ха­ рактеристики выпрямителя в обоих случаях оказываются совер­ шенно одинаковыми. Более того, две соответствующих друг другу разновидности симметричного и несимметричного раздельного уп­ равления характеризуются одним и тем же законом управления-, т. е. функциональной связью между углами отпирания вентилей (при этом надо лишь помнить, что при симметричном раздельном управлении имеются в виду углы отпирания вентилей, принадле-

жащнх различным вентильным группам независимо от того, к *сакпм вторичным фазам они относятся, тогда как при несиммет­ ричном раздельном управлении — углы отпирания вентилей раз­ личных вентильных групп, относящиеся к какой-либо одной из •вторичных фаз). Таким образом, симметричное и несимметрич­ ное раздельное управление можно рассматривать как две разно­ видности одного и того же способа управления, которые отли­ чаются лишь способом и возможностями их технической реализа­ ции (симметричное раздельное управление, как уже говорилось, неосуществимо в схемах параллельного типа; в ряде случаев, в от­ личие от несимметричного управления, при его осуществлении приходится ограничивать диапазон изменения углов отпирания вентилей, чтобы обеспечить их устойчивую коммутацию).

Практически несимметричное раздельное управление не имеет ■каких-либо особых преимуществ перед симметричным: в схемах последовательного типа они взаимозаменяемы, в схемах же парал­ лельного типа для осуществления несимметричного управления необходимо предусматривать установку уравнительных реакторов

.•значительной мощности, в результате чего параллельные схемы утрачивают свои преимущества перед последовательными. В свя­ зи с этим в последующих главах несимметричное управление спе­ циально не рассматривается, тем более, что характеристики вып­ рямителей, полученные для различных законов симметричного раздельного управления, можно отнести и к соответствующим за­ конам несимметричного управления.

Изложенное позволяет сделать вывод, что все многообразие технически целесообразных способов управления вентилями вып­ рямителей сводится по существу к двум основным видам — к уп­ равлению с многократным включением вентилей н раздельному управлению вентильными группами в сложных схемах. Более де­ тально особенности этих видов управления раскрыты в после­ дующих главах.

Гл а в а 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

ИХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

2.1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При исследовании выпрямителей применяются раз­ личные аналитические методы (метод кусочно-линейной аппрок­ симации, гармонического анализа, переключающих функций, не­ прерывного и дискретного преобразований Лапласа и др. [6]), предназначенные в основном для анализа конкретных схем вып­ рямления с заданным способом управления вентилями. Использо­ вание этих методов позволяет успешно решать частные задачи, но мало способствует развитию общих представлений о свойствах выпрямителей. Более того, высокий уровень формализации и от­ влечение от физической сути процессов при применении многих из этих методов часто приводит к ошибкам, которые трудно обна­ ружить, если отсутствуют надежные ориентиры. Так, используя метод коммутационных функций, авторы работы [39] пришли к выводу, что коэффициент мощности выпрямителя при управлении с многократным включением вентилей возрастает с повышением кратности, тогда как на самом деле он снижается — это вполне убедительно и несложно доказано в [12]. Кстати, и в этой работе, содержащей ряд важных обобщений, получены результаты, из которых следует, что коэффициент мощности выпрямителя зависит от того, как соединены первичные обмотки трансформатора — треугольником или звездой. Такой же ошибочный вывод получен и в работах некоторых других исследователей, например в [40]. Причины появления подобных ошибок связаны в основном с от­ ступлением от основ методологии научных исследований (каждый полученный результат должен быть тщательно и всесторонне про­ верен), в то же время многие такие ошибки легко обнаруживают­ ся при сопоставлении полученных результатов с известными и твердо установленными общими свойствами выпрямителей.

Представления об общих свойствах выпрямителей формируют­ ся на основе наиболее общих закономерностей, устанавливающих связь характеристик выпрямителей со структурой их схем и спо­ собами управления вентилями. К таким общим закономерностям «относятся закон первичных токов М. А. Чернышева [7], теорема о коэффициенте мощности простых выпрямителей О. А. Маевского

Подставляя эти выражения в соответствующие уравнения системы (2.3), получим:

вольная, /-я, то, с учетом того, что ее напряжение отстает от нап­ ряжения 1-н первичной фазы на угол

В том случае, когда током нагружены одновременно несколько вторичных фаз, первичные токи в соответствии с принципом на­ ложения должны определяться в виде алгебраической сумхмы сос­ тавляющих, обусловленных токами каждой из вторичных фаз. В общем случае, когда нагружены все т 2 вторичные фазы, пер­ вичные токи должны определяться по формуле

вичные обмотки трансформатора соединены звездой, однако они справедливы и для любой другой схемы соединения этих обмоток, если выдержано условие (2.2).

, Суть закона первичных токов сводится к тому, что мгновенные значения первичных токов полностью и однозначно определяются

мгновенными значениями токов вторичных фаз и общими схем­ ными параметрами т, пц, кТ и 0 и не зависят от того, каким спо­ собом соединены первичные и вторичные обмотки трансформато­ ра. На основании закона можно утверждать, что первичные токи у выпрямителей с неодинаковыми схемами соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора будут одинаковыми, если у них одинаковы схемные параметры т. т2, kT и 0.

Зависимость (2.8) названа М. А. Чернышевым «законом пер­ вичных токов многофазных мутаторов», однако, если внимательно проследить вывод этого выражения, нетрудно заметить, что вен­ тильная часть схемы фактически не рассматривалась, и если шила речь об анодных токах вентилей, то на самом деле имелись в виду токи вторичных фаз трансформатора. В ряде случаев анодные токи вентилей действительно равны токам вторичных обмоток транс­ форматоров, однако это не всегда так. Например, при одновре­ менном включении в любой мостовой схеме двух противофазных вентилей их токи, равные току нагрузки, могут быть отличны от нуля, тогда как ток вторичной обмотки трансформатора, к кото­ рой они подключены, равен нулю. Таким образом, выражение (2.8) и более общее выражение (2.10) правильнее было бы назвать «законом первичных токов многофазных трансформаторов». В этом смысле выражения (2.8)—(2.10) носят самый общий характер* т. е. они могут быть применены для расчета первичных токов вып­ рямителей с как угодно сложной схемой выпрямления, а также многих других устройств с трансформаторами по заданным токам вторичных фаз.

Вто же время, говоря о применимости закона первичных токов

красчету любых схем выпрямления, следует иметь в виду, что

для выполнения таких расчетов зависимостей (2.8) — (2.10) в об­ щем случае недостаточно, так как заданным является ток нагруз­ ки выпрямителя, а не токи вторичных фаз. Поэтому в дополнение к зависимостям (2.8) —(2.10) необходимо еще иметь зависимости» позволяющие рассчитать токи вторичных фаз по заданному току нагрузки. В общем виде такие зависимости могут быть установ­ лены только для простых схем выпрямления (в том числе и для простых схем с нулевым вентилем), да и то лишь при допущении о мгновенной коммутации вентилей. Действительно, только в этих схемах и только при мгновенной коммутации в любой момент вре­ мени может быть включен только один вентиль, в связи с чем ток нагруженной вторичной фазы всегда равен току нагрузки. Это позволяет в выражениях (2.8), (2.9) заменить токи вторичных фаз током нагрузки id и говорить о возможности непосредственного применения закона первичных токов к схемам выпрямления этих классов.

Если же учитывать конечную длительность коммутации, т. е. допустить возможность одновременной работы двух и более вен­ тилей, то закон первичных токов не может быть непосредственно применен даже для расчета простых схем выпрямления, так как

распределение тока нагрузки выпрямителя по двум и более вто­ ричным фазам зависит от ряда факторов, в том числе и от способа управления вентилями, следовательно, общих для любых способов управления зависимостей, связывающих токи вторичных фаз с током нагрузки, получить в этом случае уже нельзя. Невозможно получить такие зависимости и для сложных схем выпрямления (даже при допущении о мгновенности коммутации), поскольку в таких схемах в любой момент времени ток проводят не менее двух вентилей и распределение тока нагрузки между ними (или соче­ тание номеров одновременно открытых вентилей) также зависит от способа управления вентилями. В то же время закон первичных токов непосредственно применим для каждой из простых схем, входящих в состав сложной схемы выпрямления. Это позволяет найти составляющие первичного тока сложной схемы, обуслов­ ленные нагрузкой отдельных простых схем. Однако суммирование этих составляющих опять-таки должно производиться с учетом способа управления вентилями выпрямителя.

С увеличением числа первичных фаз математическое выраже­ ние закона первичных токов становится более сложным. Это мож­ но показать па примере при т —4. Уравнения (2.3) в этом случае принимают вид:

тО

а из уравнений системы (2.4) получаются только два независимых уравнения:

1

Последнее связано с тем, что частные коэффициенты трансформа