Преобразователь напряжения постоянного тока. Тиристорные преобразователи постоянного тока

2.1 Неуправляемые выпрямители

2.1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

На первичную обмотку (рис.9,а) подаётся синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке также будет синусоидальное напряжение

На рисунке 9,б показана диаграмма напряжений на трансформаторе и тока нагрузки.

На рисунке 9,в – диаграмма выпрямленного напряжения. Среднее выпрямленное напряжение равно

Геометрически среднее значение выпрямленного напряжения может быть представлено высотой прямоугольника (косая правая штриховка) с основанием, равным периоду 2π и площадью, равной площади, которая ограничивается кривой выпрямленного напряжения (косая левая штриховка).

Среднее значение тока нагрузки .

Во вторичной обмотке будет протекать пульсирующий ток , содержащий постоянную составляющую (рис.9,г).

На рисунке 9,д представлен первичный ток в предположении, что коэффициент трансформации , а ток холостого хода равен нулю.

Заштрихованные площади на диаграмме тока равны, что указывает на отсутствие постоянной составляющей тока. Таким образом, ток первичной обмотки отличается от тока вторичной обмотки на постоянную составляющую , т.е.

Магнитный поток будет иметь постоянную составляющую, которая будет увеличивать насыщение. Это вызывает возрастание намагничивающего тока и необходимость в завышении расчётной мощности трансформатора.

2.1.2 Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке 10,а. Трансформатор с двумя вторичными обмотками, имеющими равное число витков. Напряжения вторичных полуобмоток равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на 180˚. Нагрузка включается между средней (нулевой) точкой трансформатора и катодами вентилей.

Работа схемы на активную нагрузку . Ключ К замкнут. Напряжение вторичной полуобмотки

При полярности (без скобок) в течение времени 0 ÷ θ 1 проводит V1, V2 – выключен.

В следующий полупериод θ 1 ÷ θ 2 (полярность в скобках) V1- закрывается, ток нагрузкиначинает проходить через открывшийся V2.

Переход тока нагрузки с V1 на V2 носит название процесса коммутации. Так как переход тока произошёл под действием питающего напряжения , такая коммутация называется естественной и осуществляется в точках перехода через нуль вторичных напряжений.

Временные диаграммы напряжений и токов на различных участках схемы показаны на рисунке 10б, в, г, д.

Ток и напряжения ,пульсируют по величине с частотой в два раза превышающей частоту сети (т=2).

Подмагничивание трансформатора постоянным током отсутствует.

Количественные соотношения.

Средние значения выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока .

1) Максимальное обратное напряжение на вентиле

2) Максимальное значение тока вентиля

3) Среднее значение тока вентиля равно половине тока нагрузки

4) Действующее значение токов вентиля и вторичной обмотки

5) Коэффициенты будут равны

6) Токи трансформатора ,

где - коэффициент трансформации

7) Мощности обмоток трансформатора ,

где - номинальная мощность выпрямленного тока

8) Фактическая мощность, выделяемая в нагрузке

9) Коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора

Мощность трансформатора должна быть завышена на 20 % по сравнению с мощностью нагрузки.

Работа схемы на ОВ МПТ. Ключ К разомкнут. Форма тока через вентили (пунктир на рис.10,в) представляет собой прямоугольные импульсы длительностью 180 0 с амплитудой .

Ток поддерживается постоянным за счёт запаса электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности L В. Ток первичной обмотки также имеет прямоугольную форму (рис.10,г пунктир).

Формы кривых выпрямленного и обратного напряжений остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку (рис.10,б,д).

В связи с этим изменения количественных соотношений коснётся только токов. Обычно при выводе расчётных соотношений принимают L В = ∞. Однако они справедливы для .

1). Максимальное значение тока вентиля становится равным .

2). Действующие токи через вентиль и вторичную обмотку трансформатора будут

3). Действующий ток прямоугольной формы в первичной обмотке

4). Мощности трансформатора

Так как для постоянного тока, не содержащего пульсаций, мощности и равны, поэтому коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора будет равен К Пр = 1,34.

Таким образом, наличие достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки приводит к увеличению расчётной мощности трансформатора, но улучшает использование вентилей по току.

Работа выпрямителя на якорь МПТ.

Э.д.с. якоря направлена навстречу напряжению (рис.11,а). В связи с этим ток будет определяться разностью напряжения выпрямителя и э.д.с. Предположим вначале, что ключ К (рис.11,а) замкнут .

Откуда следует, что ток якоря из-за односторонней проводимости вентилей может проходить при условии , т.е. когда мгновенное выпрямленное напряжение больше э.д.с. двигателя. Вентили включаются в моменты и выключаются в моменты (рис.11,б). В результате выпрямленный ток якоря будет иметь прерывистый характер.

Первичный ток носит также прерывистый характер (рис.11,г ) и равен нулю, когда =0. Поэтому величины токов в элементах схемы также изменяются.

Форма и величина выпрямленного и обратного напряжения остаются прежними.

При включении достаточно большой индуктивности якоря цепи (ключ К разомкнут). Наличие противо э.д.с. приводит только к изменению среднего значения выпрямленного тока (при = I d ; ).

В данном режиме возможно протекание в якорной цепи тока даже при .

2.1.3. Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 12).

замкнут). В положительный полупериод напряжения ток проходит через вентили по пути , а вентили закрыты. В следующий полупериод вентили V1, V3 запираются, а вентили V2, V4 открываются. Ток протекает всегда по двум последовательно включённым вентилям.

Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.10, б, в, г , д). Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

¾ среднее выпрямленное напряжение

¾ коэффициент схемы

¾ максимальное значение обратного напряжения на вентилях

¾ максимальное значение тока вентиля

¾ среднее значение тока вентиля

¾ действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора:

¾ коэффициент превышения расчётной мощности К Пр =1;

¾ коэффициенты использования вентиля по напряжению и току

.

Основные схемы трёхфазных неуправляемых выпрямителей.

Основные достоинства трёхфазных схем по сравнению с однофазными следующие:

1) меньшая величина высших гармоник в кривой выпрямленного напряжения К П и кривой тока, потребляемого из сети ;

2) большая частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя, что приводит к снижению габарита и массы силовых фильтров;

3) лучшее использование трансформатора и вентилей;

2.1.4. Трёхфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой (рис. 13, а).

В момент времени ток начинает проводить вентиль V1 , присоединенный к фазе «а» . Через время 2π/3 () V1 запирается, а V2 открывается. Происходит коммутация тока нагрузки с вентиля V1 на V2. В точке 3 (рис. 13,в ) , вентиль V2 запирается, V3 начинает проводить ток и т.д.

Естественная коммутация тока нагрузки с вентиля на вентиль происходит в точке пересечения синусоид фазных напряжений. Поэтому точки 1, 2, 3 называются точками естественной коммутации вентилей.

Каждый вентиль проводит ток в течение 2π/3 каждого периода напряжения питающей сети.

Выпрямленное напряжение представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений (рис.13,г). При активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет по форме кривую напряжения . Частота пульсаций ,в три раза больше частоты сетевого напряжения (m = 3).

В непроводящую часть периода к вентилю прикладывается обратное напряжение (рис.13,е), которое формируется из фазных напряжений закрытого и проводящих вентилей.

Когда проводит V2 к вентилю V1 приложено линейное напряжение , в момент включения V3 подаётся напряжение . Соответствующие напряжения на рисунке 13,в заштрихованы.

Форма первичного тока (рис.13,ж), построенная по кривым фазных токов вторичной обмотки, отклоняется от синусоиды.

За начало отсчёта примем момент прохождения напряжения фазы «а» (рис.13,в) максимального значения.

Среднее значение выпрямленного напряжения найдём путём интегрирования напряжения на вторичной обмотке в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:

Пределы интегрирования соответствуют времени проводящего состояния вентиля. Для схемы (рис. 13,а)

m = 3; тогда .

Среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке

.

Коэффициент схемы .

Коэффициент пульсации для ν – й гармоники равен , а частота пульсаций .

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения

Действующее значение напряжения вторичной обмотки, находим из выражения для :

Максимальное значение тока вентиля

Среднее значение тока вентиля .

При прохождении тока через вентиль и вторичную обмотку создаётся вынужденный поток (постоянная составляющая) подмагничивания сердечника. Эти потоки составляют 20-25 % от основного потока трансформатора. Это вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и соединяют в зигзаг (рис.13,б). При этой схеме на каждом стержне располагаются по две полуобмотки разных фаз, в которых токи протекают в противоположных направлениях. В результате постоянная составляющая магнитного потока становится равной нулю.

Токи первичных обмоток содержат только переменные составляющие, так как постоянные составляющие токов не трансформируются.

При работе на реальную нагрузку (ключ К на рис.13,а разомкнут) изменяется форма токов (становятся прямоугольными) в вентиле, нагрузке и в обмотках трансформатора (пунктир на рис.13,д,ж).

Соотношения для токов будут

Расчётные мощности обмоток

2.1.5. Трёхфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) (рис.14,а)

В момент времени Θ 1 (рис.14,б) в катодной группе проводить V1, а в анодной – V6. Переход тока с вентиля на вентиль в обеих группах происходит в точках естественной коммутации К 1 , К 2, K 3 ,…, А 1 , А 2 , А 3 и т.д.

Порядок вступления в работу вентилей соответствует их номерам и показан на рисунке 14,б.

Потенциал общих катодов по отношению к нулевой точке трансформатора изменяется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей фазных напряжений , , .

Мгновенное выпрямленное напряжение (рис.14,г ) равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, заключённым между верхней и нижней огибающими (рис.14,б).

Пульсации выпрямленного напряжения и тока при активной нагрузке происходят c шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через вентиль показана на рисунке 14,в,г . При активной нагрузке и работе выпрямителя на ОВ (пунктирная линия на рис.14,в).

Обратное напряжение имеет форму как в нулевой схеме, но в 2 раза меньшей амплитуды. Среднее выпрямленное напряжение при m = 6

Коэффициент схемы .

Выражение для справедливо для активной и индуктивной нагрузки. Остальные соотношения с индуктивной нагрузкой обмотки. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки.

Максимальный ток вентиля .

Средний ток вентиля .

Действующее значение тока вентиля .

Действующие значения тока обмоток, а также расчётные мощности обмоток трансформатора .

Коэффициенты использования элементов схемы .

Сравнительный анализ различных схем выпрямления приведён в таблице 1, рисунок 16.

2.1.6. Многомостовые схемы (рис. 15)

Можно выделить многомостовые схемы с одним трансформатором и многомостовые с двумя и более трансформаторами, имеющие разные группы соединения обмоток.

Основное назначение многомостовых схем - это уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и улучшение формы тока, потребляемого из питающей сети, приближение её к синусоидальной.

На рисунке 15,а,б представлены два варианта двух мостовых схем с параллельным соединением мостов. Первая состоит из трёхобмоточного трансформатора, соединённого по схеме Υ/Υ-Δ и двух трёхфазных мостов. Вторая схема имеет два двухобмоточных трансформатора, один из которых соединён по схеме Υ/Υ, а другой – по схеме Δ/Υ, и два трёхфазных моста.

Союз Советских

Социаттистических

f61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) 3айвлен923,08.76 (2I) 2399215/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) ОПУбликовано 050278,6толлетень № 5 (45) Дата оп бликовании описании 2601.78 (51) N. Кл.

ГввтхвРвтввннкн 88кнтвт

0888тв МнннвтР88 ССОР

88 двлнк вввбрвтвннй

8 втнрктнй (53) УДК 621.316.722 (088 ° 8) P2) Авторы изобретении

Э.Н.Гречко, В.Б.Павлов, О.С.Якимов и О.И.Фирсов (78) 3аивитель

Институт электродинамики AH Украинской ССР (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТСЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям постоянного напряжения, обеспечивающим управляемое питание нагрузки постоянным током.

Известны тиристорные преобразователи постоянного напряжения,которые классифицируют как преобразователи с последовательной коммутацией и независимым контуром перезаряда коммутирующего конденсатора (1, Г2) и (31 .

Наиболее близким к изобретению является преобразователь (3 3, содержащий силовой тиристор, включенный последовательно с ним линейный дроссель связанный через дополнительный дроссель с катодом дополнительного тиристора и анодом диода, причем анод дополнительного тиристора и катод диода. соединены между собой и с общей точкой коммутирующего конденсатора и -вспомогательного, дросселя, включенного последовательно со вспомогательным диодом.

Недостатком известной схемы является то, что для раскачки напряжения на коммутирующей емкости до напряжения большего, чем напряжение источника питания, в цепи протекания рабочего тока нагрузки необходимо включать индуктивность с пониженной добротностью с целью рассеивания необходимой энергии на коьетутирующем конденсаторе, что естественно приводит к ухудшению энергетических показателей схемы. В то же время, так как не осуществляется необходимая раскачка напряжения в достаточной мере на коммутирующем конденсаторе, то ста80 вится под угрозу процесс принудитель-, ной коммутации главного тиристора преобразователя. Таким образом, энергетические показатели узла коммутации преобразования в значительной т6 степени влияют на надежность его работы.

Целью изобретения является повышение надежности преобразователя, а также улучшение его энергетических по.80 казателей.

Указанная цель достигается тем, что линейный и дополнительный дроссе.ли выполнены с промежуточным отводом, причем промежуточный отвод линейного дросселя соединен с концом дополнительного дросселя, промежуточный отвод которого соединен с катодом до- полнительного тиристора.

Схема преобразователя представЗ0 лена на чертеже.

Преобразователь содержит источник питания 1, силовой тиристор 2, нагрузку 3, шунтированную обратным диодом 4, дополнительный тиристор 5, шунтированный полуобмоткой дополнительного линейного дросселя 6 и диодом 7, линейный дроссель 8, коммутирующий конденсатор 9, вспомогательный линейный дроссель 10 и вспомогательный диод 11.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном положении коммутирующий конденсатор 9 заряжен до напряжения, несколько превышающего напряжение источника питания 1. Пусть от- i5 крыт силовой тиристор 2, и к нагрузке приложено напряжение питания. Для коммутации тока нагрузки подается импульс управления на дополнительный тиристор 5, в результате чего к. у3 обмотке Ю линейного дросселя 8 че-. рез обмотку% дополнительного дросселя 6 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора 9. Величина индуктивности обмотким, дополнительного дросселя 6 выбирается, исходя из условия ограничения резкого броска тока через тиристор 5 в момент подачи на него отпирающего импульса до величины тока нагрузки, протекающего через линейный дроссель 8. По сравнению с индуктивностью обмотки W дросселя 8 величина индуктивности обмотки Ю дросселя 6 значительно меньше, поэтому Фактически все напряжение коммутирующего конденсатора 9 прикла- 35 дывается к обмотке w дросселя 8.

Непосредственно на дросселе 8 за счет магнитной связи обмоток Uf и W наводится напряжение, превышающее напряжение источника питания. Выбор 40. числа витков обмотки W линейного дросселя 8 приводится, исходя из необходимого обратного напряжения, прикладываемого к силовому тиристору 2, от величины которого, как известно, в значительной степени зависит время восстановления тиристоров. Тиристор

2 при этом восстановит управляющие свойства. Ток нагрузки 3 замкнется через диод 4. В дальнейшем конденсатор 9 через тиристор 5, обмотку дросселя 6 и обмотку Ф, дросселя

8 перезарядится до обратного напряжения, после чего начнется новый перезаряд конденсатора через обмотку

w, дросселя 8, обе обмотки W, и А дросселя 6 и диод 7 до исходной полярности напряжения на пластинах. Необ-. ходимое обратное восстанавливающее.напряжение для тиристора 5 создается за счет падения напряжения на обмот- 60 ке W дросселя 6 и падения напряжег ния на диоде 7. По окончанию перезаряда конденсатора 9 до исходной полярности, начнется доэаряд конденсатора через вспомогательный дрос@ель

10 и диод 11. Если обозначить напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 в момент начала доэаряда через О;... то можно сделать вывод, что это йапряжение будет несколько меньше напряжения источника питания за счет конечных добротностей дросселей 8 и 6. Поэтому при дальнейшем доэаряде конденсатора 9 от источника питания через вспомогательный линейный дроссель 10 будем иметь некоторое превышение напряжения на коммутирующем конденсаторе над величиной напряжения источника питания, однако оно не будет существенным из-за того,что

РазниЦа (Е - UeÄ) то же не особенно велика и, кроме того, контур дозаряда коммутирующего контура также имеет конечные добротности элементов.

Таким образом, практически можно говорить о том, что конечное напряжение дозаряда конденсатора равно величине напряжения источника питания.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного тока в постоянный, содержащий силовой тиристор, включенный последовательно с ним линейный дроссель, связанный через дополнительный дроссель с катодом дополнительного тиристора и анодом диода, причем анод дополнительного тиристора и катод диода соединены между собой и с общей точкой коммутирующего конденсатора и вспомоГательного дросселя, включенного последова-. тельно со вспомогательным диодом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и.Улучшения энергетических показ,ателей, линейный и дополнительный дроссели выполнены с промежуточным отводом, причем промежуточный отвод линейного дросселя соединен с концом до-, полнительного тиристора.

Источникч информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Глазенко T.д. Принципы построения и расчета тиристорных широтноимпульсных преобразователей систем электропривода постоянного тока.

Книга Устройства преобразовательной техники..Вып.2, . Наукова думка, К., 1969. с. 194-205.

2. Бирзиенко Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока, М., Энергия, 1974,с. 182-183.

3. Жа net R., Efecttonichet G eiehstготпз1еИе f Й » йе Ge windigkeitstev u ф elaktr1s&e Treibfolhc tete.-Sfeenee

Ze1tlhvift . 19бб, Мб, S.729-73Ъ

Составитель И. Галиева

Техред Н.Андрейчук

Корректор C.Ямалова

Редактор В. Фельдман

Филиал ППП йатент, r. Ужгород, ул. Проектная 4

Закаэб07/49 Тираж Н8

Подписное

I1HHHIIH Государственного комитета Совета Министров СССР

IIo делам иэобретений и открытий

113035,Иосква,)K-35, Раушская наб., д. 4/5