Лекция 8 Преобразователи с сетевой коммутацией. Общие сведения Основными силовыми электронными устройствами являются преобразователи, осуществляющие преобразование электроэнергии – изменение одного или нескольких ее параметров (напряжение, частота, число фаз и т.п.) посредством электронных силовых приборов, без существенных потерь мощности. К преобразователям переменного/постоянного относятся выпрямители- преобразователи переменного тока в постоянный и инверторы - преобразователи постоянного тока в переменный, а также обратимые преобразователи, сочетающие те и другие преобразователи

Силовые преобразователи подразделяют на типы (рис.8.1.): преобразователи переменного/постоянного тока(преобразующие переменный ток в постоянный или наоборот); преобразователи с преобладанием свойств источника напряжения (с низким полным внутренним сопротивлением для гармоник тока на стороне постоянного тока, которое обеспечивается, например подключением конденсатора параллельно шинам постоянного тока; преобразователи с преобладанием свойств источника тока (имеющие высокое полное сопротивление для гармоник и сглаженный ток на стороне постоянного тока, который обеспечивается, например последовательно включенным с главной цепью постоянного тока реактором)

преобразователи переменного тока (преобразующие постоянный ток в постоянный); преобразователи постоянного тока(преобразующие постоянный ток в постоянный). Прямые преобразователи осуществляют непосредственное (без промежуточных звеньев) преобразование электроэнергии внешнего источника в электроэнергию с требуемыми параметрами. Непрямые преобразователи содержат промежуточные звенья преобразователей переменного или постоянного тока (выпрямитель с бестрансформаторным входом, инвертор повышенной частоты с трансформаторным выходом и выходным выпрямителем, преобразующим напряжение повышенной частоты в напряжение постоянного тока

Рис.8.1.Классификация основных схем электронных силовых преобразователей

По основным выполняемым функциям некоторые виды силовых электронных преобразователей относят к электронным силовым регуляторам или силовым электронным прерывателем. По виду используемых силовых ключей и способов их коммутации преобразователи разделяют: не полностью управляемые относятся диоды, управляемость ограничивается включением под воздействием прямого напряжения, и обычные, традиционные тиристоры – преобразователи с сетевой коммутацией; полностью управляемые относятся все электронные ключи, включение и выключение которых осуществляется подачей на их управляющий вход токов или напряжений.

Коммутацией в электронном преобразователе называют переход тока с одного или нескольких одновременно проводящих ключей на другой ключ в течение конечного интервала времени, когда выключаемый и включаемый ключи одновременно находятся в проводящем состоянии. Коммутация диодов возможна под воздействием переменного напряжения, например электрической сети. Для тиристоров такая коммутация обеспечивается в результате изменения полярности напряжения внешнего источника.

Преобразователи можно классифицировать по: номинальной мощности (малой, средней, большой); рабочим напряжению и токам (низкого или высокого напряжения, малых и больших токов); значениям частоты входного или выходного напряжения 9низкочастотные, высокочастотные); числу фаз (однофазные, трехфазные, многофазные); модульному принципу исполнения (многоячейковое, многоуровневое и др.); способам коммутации тиристоров (с конденсаторной коммутацией, коммутацией LC-контуром, коммутацией под воздействием резонансных процессов в нагрузке и др.); наличию резонансных цепей для снижения коммутационных потерь, способам регулирования

Выпрямители ВЫПРЯМИТЕЛЬ – преобразователь переменного напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые-на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип электронного силового выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентильных приборов проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии.

Процессы при выпрямлении определяются: видом вентильного прибора и способом его управления; характером нагрузки на стороне постоянного тока; техническими характеристиками источника энергии переменного тока. Принимаются основные допущения при рассмотрении принципа выпрямления: на стороне переменного тока включен источник напряжения синусоидальной формы со стабильной частотой; нагрузка представляется сосредоточенными элементами; дополнительные потери в схеме выпрямления отсутствуют.

Рис.8.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Рис.8.3.Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой а-схема; б-диаграммы напряжения и тока

Рис.8.5. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя а-при активной нагрузке; б- при активно-индуктивной нагрузке

Рис.8.6.Однофазный мостовой выпрямитель Рис.8.7.Трехфазный выпрямитель со средней точкой

Рис.8.13.Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрямителя: 1-при активной нагрузке; 2- при активно-индуктивной нагрузке Многомостовые схемы. Основное назначение – это уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и улучшение формы тока, потребляемого из питающей сети (рис.8.14).

Рис.8.14.Трехфазные двухмостовые выпрямители с параллельным соединением мостов

Рис.8.15.Диаграммы тока и напряжения двухмостового выпрямителя с параллельным соединением мостов

Разность мгновенных значений напряжения воспринимается в уравнительным реактором, две обмотки которого расположены на одном магнитопроводе : На рис двухмостовая схема с последовательным соединением мостов Принцип образования 12-фазной схемывыпрямления основан на использовании трансформаторов с разными схемами соединения обмоток. Схемы 18- и 24-фазные получают путем параллельного соединения трех и четырех мостов. Рис.8.16

Характеристики выпрямителей

Искажение входных токов выпрямителей.

Рис.8.17.Выпрямители с фильтром: а - индуктивным; б - емкостным; в – Г-образным

Индуктивные фильтры применяются в выпрямителях средней и большой мощности, а емкостные – в выпрямителях малой мощности при высоком сопротивлении нагрузки. Отрицательное влияние выпрямителя на качество напряжения сети проявляется в искажении его входных токов. Особенно заметно это наблюдается при соизмеримости мощностей выпрямителя и источника переменного тока. Если мощность сети значительно превышает мощность полностью загруженного выпрямителя, то несинусоидальность потребляемого им тока практически не сказывается на напряжении сети. Снижение гармонических составляющих токов и напряжения может быть обеспечено с помощью резонансных LC-фильтров, настроенных на основной ряд гармоник токов выпрямителя.

Рис.8.18.Двухполупериодный тиристорный выпрямитель а-эквивалентная схема; б-диаграммы напряжения и тока

Рис.8.19.Внешние характеристики выпрямителей а-однофазного двухполупериодного или мостового; б-трехфазного мостового; I, II, III – области режимов работы

2.Использование в выпрямителе трансформатора с отпайками на различные напряжения. Вместо увеличения угла управления при регулировании выходного напряжения переключают тиристорную схему на отпайку обмотки трансформатора с более низким напряжения. Способ обеспечивает грубое регулирование выпрямленного напряжения. Наличие механических переключающих устройств снижает его надежность и долговечность. 3.Использование схемы с нулевым диодом (рис.8.20.).Принцип действия подобен принципу действия однофазной двухполупериодной схемы. Наличие нулевого диода изменяет характер электромагнитных процессов, протекающих в схеме.

Рис.8.20.Однофазный выпрямитель с нулевым диодом а-схема;б-диаграммы напряжения и тока

Инверторы, ведомые сетью При инвертировании поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Преобразователь, работающий в этом режиме, - инвертор, ведомый сетью, коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети (зависимый инвертор). Принцип действия рассмотрим на схеме (рис.8.21 ). Наличие источников переменного и постоянного тока и управляемого тиристора позволяет организовать реверсирование потока электроэнергии (однофазный преобразователь на тиристоре может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме). Ток протекает от сети в аккумуляторную батарею и обратно в сеть переменного тока.

Рис.8.21.Однополупериодный обратимый преобразователь а-схема; б- диаграммы напряжения и тока в выпрямительном режиме; в- диаграммы напряжения и тока в инверторном режиме

Рис.8.22.Однофазный мостовой преобразователь

Рис.8.23.Диаграммы тока и напряжения Рис Векторные диаграммы

Рис.8.25.Однофазный мостовой инвертор а-схема; б-диаграммы напряжения и тока на элементах схемы при непрерывном токе в реакторе; в-диаграммы напряжения и тока на элементах схемы при прерывистом токе в реакторе

Рис.8.26.Трехфазный мостовой инвертор а-электрическая схема; б-диаграммы тока и напряжения на элементах схемы

Рис.8.27.Входные характеристики однофазного инвертора

Прямые преобразователи частоты с естественной коммутацией тиристоров. Преобразованием частоты называется процесс преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. Прямые преобразователи частоты (с однократным преобразованием электроэнергии) называют преобразователями с непосредственной связью или циклоконверторами. Число фаз входного и выходного напряжения в преобразователях с непосредственной связью является существенным признаком классификации, определяющим структуру построения схемы преобразователя (рис.8.28.).

Рис.8.28.Преобразователь частоты с непосредственной связью а-схема; б-диаграммы напряжения и тока при активной нагрузке