Преобразователи электроэнергии

Выпрямители. Выпрямление — преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Принцип электронного силового выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентильных приборов проводить однонаправленный ток. Процессы при выпрямлении определяются:

· видом вентильного прибора и способом его управления;

· характером нагрузки на стороне постоянного тока;

· техническими характеристиками источника энергии переменного тока.

При рассмотрении принципа выпрямления примем следующие основные допущения:

· на стороне переменного тока включен источник напряжения синусоидальной формы со стабильной частотой;

· в качестве вентильных приборов рассматриваем диод VD или тиристор VS с «идеальными» характеристиками (см. § 12.2);

· нагрузка представляется сосредоточенными элементами;

· дополнительные потери в схеме выпрямления отсутствуют.

Для более детального представления зависимости процессов выпрямления от различных факторов рассмотрим однофазную мостовую схему выпрямления с активной нагрузкой R_d (рис. 12.11, а).

На временных диаграммах здесь и далее будем использовать в качестве временного параметра угол ∂ = ωt, где ω — угловая частота источника переменного напряжения.

Однофазный неуправляемый выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, работает следующим образом. Предположим, что в первом полупериоде начало вторичной обмотки питающего трансформатора (помечено точкой) положительно по отношению к концу обмотки (интервал 0—π на рис. 12.11, б). В этом случае открыты диоды VD1 и VD3 и протекание тока по контуру, отмеченному на рис. 12.11, а пунктирной линией, пройдет через вторичную обмотку трансформатора, вентили VD1 и VD3 и сопротивление нагрузки R_d (в этом случае ключ К замкнут). В результате к нагрузке будет приложено напряжение вторичной обмотки u₂. Диоды VD2 и VD4 в этом интервале закрыты, так как к ним прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора, являющееся для них обратным. Смена полярности напряжения на обмотке трансформатора приводит к тому, что открывается вторая пара диодов (VD2 и VD4), а диоды VD1 и VD3 закрываются (интервал π —2 π на рис. 12.11, б). Таким образом, диоды схемы работают попарно, пропуская через сопротивление нагрузки обе полуволны переменного тока. Выпрямленное напряжение представляет собой однополярные полуволны питающего переменного напряжения. Ток в активной нагрузке R_d полностью повторяет форму кривой выпрямленного напряжения. На рис. 12.11, в, г и д представлены токи в диодах VD1, VD3, обмотке трансформатора i₂ и обратное напряжение на диодах VD1, VD3.

На процессы выпрямления существенное влияние оказывает характер нагрузки на стороне постоянного тока, в частности наличие индуктивности в нагрузке выпрямителя. Подобный режим встречается в случае включения в цепь нагрузки индуктивного фильтра (размыканием ключа К) или определяется самим характером потребителя (например, обмотки возбуждения электрических машин). Чем больше индуктивность L_d, тем меньше переменная составляющая в кривой i_d и тем больше сглажен выпрямленный ток.

При наличии в нагрузке реактора со значительной индуктивностью L_d (L_d = ∞) ток нагрузки является идеально сглаженным и имеет вид прямой линии, параллельной оси времени. На процессе переключения диодных групп это явление не скажется, так как при смене полярности напряжения на вторичной обмотке идеального трансформатора ток может мгновенно менять свое направление. Таким образом, ток в диодах имеет вид прямоугольных блоков длительностью π (рис. 12.11, е, ж).

При замене диодов VP в схеме на рис. 12.11, а на тиристоры VS получаем управляемый выпрямитель. Управляющие импульсы должны подаваться одновременно на два тиристора схемы, расположенных диагонально.

Рассмотрим работу управляемого выпрямителя на активную нагрузку (рис. 12.12, а, б, в). Например, в момент времени ∂₁ (рис. 12.12, а) на тиристоры VS1 и VS3 поданы управляющие импульсы. Тиристоры отпираются, и в интервале ∂₁—∂₂ ток протекает через сопротивление нагрузки R_d. В момент π ток проходит через нуль, и тиристоры VS1 и VS3 запираются. В интервале π —∂₂ все тиристоры закрыты. Далее, в момент ∂ = ∂₂ подаются управляющие импульсы на следующую пару тиристоров — VS2 и VS4. Тиристоры VS2 и VS4 работают аналогично тиристорам VS1 и VS3, но только со сдвигом на π (интервал ∂₂—2 π). Интервал времени 0 - ∂₁ принято называть углом управления α.

Из рис. 12.12, а видно, что ток в активной нагрузке R_d полностью повторяет форму кривой выпрямленного напряжения.

При введении в нагрузку кроме резистора R_d реактора L_d со значительной индуктивностью будем считать, что схема работает с идеально сглаженным током (L_d = ∞). Пусть в момент ∂₁ (рис. 12.12, г) подаются управляющие сигналы на тиристоры VS1 и VS3 и они вступают в работу. Как видно из рис. 12.12, г, где изображены кривые выпрямленного напряжения u_d и выпрямленного тока i_d, ток через тиристоры (VS1 и VS3) не обрывается в момент прохождения фазного напряжения через нуль (момент ∂ = π), как это было в случае чисто активной нагрузки, а продолжает течь вплоть до момента коммутации на следующую пару вентилей (момент ∂ = ∂₂). Это обусловлено тем, что в индуктивности L_d накапливается в первом полупериоде энергия, которая поддерживает протекание тока i_d после смены знака напряжения. Характерно, что в кривой выпрямленного напряжения u_d появляются участки положительного и отрицательного напряжений (рис. 12.12, г). На рис. 12.12, д, е представлены кривые напряжения на тиристорах VS1 и VS3 и тока i₂ в обмотке трансформатора при активно-индуктивной нагрузке.

Практический интерес может представлять также нагрузка в виде ЭДС постоянного тока, включенная с обратной для вентильного ключа полярностью. Такие схемы выпрямления называются схемами с противоЭДС в цепи нагрузки. Они применяются в устройствах заряда аккумуляторных батарей, в системах рекуперации (возврата) электроэнергии из источника постоянного тока в сеть переменного тока и др. Конденсатор фильтра большой емкости на выходе выпрямителя в некоторых режимах работы может рассматриваться как источник противоЭДС.

Основные параметры выпрямителей. Силовая часть выпрямителя в общем случае состоит из следующих основных узлов (рис. 12.13): трансформатора Тр; блока силовых полупроводниковых ключей В; выходного фильтра Ф.

Выпрямитель и его основные силовые элементы характеризуются следующими параметрами:

· действующим значением входного напряжения (в большинстве случаев источником переменного тока является напряжение синусоидальной формы с угловой частотой со и действующим значением U);

· числом фаз m источника переменного тока;

· средним значением выходного напряжения U_d;

· средним значением выходного тока I_d;

· коэффициентом пульсаций выходного напряжения К_пu, характеризующим переменную составляющую напряжения U_п на стороне постоянного тока;

· коэффициентом гармоник (искажения) по току К_гi — отношением действующего значения всех высших гармоник I_n к действующему значению основной (первой) гармоники периодической функции переменного тока I_i (входного тока выпрямителя);

· коэффициентом амплитуды (крест-фактор) входного тока К_m — отношением максимального (пикового) значения несинусоидального тока к действующему значению этого тока I;

· коэффициентом мощности χ — отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем Р_вх, к полной мощности S, составляющими которой в общем случае являются активная, реактивная и мощность искажения. При синусоидальном входном напряжении U реактивная мощность Q₁ определяется коэффициентом сдвига cosφ₁ между входным напряжением и первой гармоникой тока, а мощность искажения Т зависит от коэффициента гармоник (искажения) тока К_{г i}.

Классификация выпрямителей. Выпрямители обычно классифицируют: по мощности; напряжению; числу фаз напряжения, подаваемого на схему выпрямления; способу регулирования выходного напряжения; виду силовых электронных ключей.

Классификация по мощности и напряжению весьма условна. Обычно выпрямители по мощности различают: маломощные — до 1 кВт, средней мощности — до 100 кВт и мощные — свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого — до 250 В, среднего — до 1000 В и высокого — свыше 1000 В.

По числу фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители делятся на однофазные, трехфазные и многофазные.

Под схемой выпрямления, как правило, понимают схему соединения полупроводниковых элементов и трансформатора: с одним диодом (однофазный однополупериодный); со средней точкой (однофазный двухполупериодный и трехфазный); мостовые.

Отдельно выделяют класс выпрямителей с многофазной схемой выпрямления (шесть, двенадцать и более фаз вторичной обмотки трансформатора). Однако изготовление многофазных трансформаторов связано с конструктивными и технологическими трудностями, поэтому в большинстве случаев многофазные схемы получают путем последовательного или параллельного включения трехфазных выпрямителей, имеющих разные схемы соединения обмоток трансформаторов. Такие схемы называют многофазными эквивалентными или комбинированными.

В связи с повышением рабочих частот преобразования в целях улучшения массогабаритных показателей электронных устройств получили практическое применение, особенно в источниках вторичного питания, многозвенные структуры (схемы с непрямым преобразованием электроэнергии). В такой структуре переменное напряжение подается непосредственно (без входного трансформатора) на вентили выпрямителя, выходное напряжение которого преобразуется инвертором в переменный ток повышенной частоты и затем снова выпрямляется. Использование согласующего трансформатора повышенной частоты на выходе инвертора улучшает массогабаритные показатели выпрямителя в целом.

Иногда в качестве классификационного признака используется тип выходного фильтра (емкостной, индуктивный и др.), а также другие второстепенные признаки.

По способу регулирования в самом общем виде выпрямители разделяются на управляемые и неуправляемые. В управляемых выпрямителях основным регулируемым параметром, как правило, является среднее значение выходного напряжения U_d. Регулирование выходного напряжения может осуществляться:

· на стороне переменного тока;

· на стороне постоянного тока;

· непосредственным управлением ключевыми элементами схемы.

Неуправляемые выпрямители выполняются на диодах и не содержат каких-либо регулирующих устройств. Первые два способа реализуются введением в схемы регуляторов переменного или постоянного тока. Это позволяет регулировать напряжение в схеме на диодах.

Наибольшее распространение получил третий способ. Задержка момента подачи импульса приводит к соответствующей задержке включения тиристора и уменьшению среднего значения выходного напряжения. Современные системы управления выполняются, как правило, на основе микропроцессоров, программа которых определяет алгоритм формирования импульсов управления.

Следует отметить, что в выпрямителях большой мощности с глубоким регулированием выходного напряжения предпочитают использовать первый способ регулирования, так как он практически не влияет на коэффициент мощности и гармонический состав токов и напряжений. В отдельных случаях оказывается целесообразным комбинированное регулирование, сочетающее первый и третий способы.

Мощные выпрямители выполняются на основе комбинированных трехфазных схем, соединяемых последовательно при высоких напряжениях или параллельно для получения больших токов (рис. 12.14).

В настоящее время широко применяются многоуровневые схемы, которые по своей топологии близки к комбинированным.

Инверторы. Инвертирование — преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «inversio» — переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в силовой электронике был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При этом поток энергии меняет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь инвертором, ведомым сетью. Последнее обусловлено тем, что коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его также иногда называют зависимым инвертором.

Принцип действия инвертора, ведомого сетью, рассмотрим на примере простейшей схемы, представленной на рис. 12.15. Допустим, что элементы схемы идеальные (см. § 12.2), а внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи АБ равно нулю.

Если вывод «плюс» батареи АБ соединен с катодом тиристора VS (как показано на рис. 12.15 штриховой линией), то схема может работать в выпрямительном режиме на нагрузку в виде противоЭДС. В этом режиме включение тиристора VS возможно при условии превышения ЭДС сети e_ab ЭДС, задаваемой аккумуляторной батареей. На рис. 12.15, б представлены диаграммы напряжений и тока, иллюстрирующие работу схемы в выпрямительном режиме. При допущении равенства нулю внутренних сопротивлений источников переменного и постоянного токов можно считать, что их напряжения равны ЭДС, т.е. e_ab = u_ab и E_d = U_d.

При подаче на тиристор управляющего импульса в момент ∂ = ∂₁ определяемый углом управления α, тиристор включается и из сети в батарею АБ начинает поступать ток i_d. Благодаря сглаживающему реактору L_d, ток i_d будет плавно изменяться во времени, увеличиваясь, пока u_ab > U_d, и уменьшаясь при U_d > u_ab. В момент ∂₃ (соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 12.15, б) ток i_d становится равным нулю, а тиристор VS выключается. Протекание через тиристор тока i_d на интервале от ∂₂ до ∂₃, когда U_d > u_ab, обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе L_d. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток i_d направлен встречно ЭДС).

Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить тиристор VS или батарею АБ так, чтобы катод тиристора был соединен с выводом «минус» батареи. Рассмотрим инверторный режим более подробно.

Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети e_ab направлена навстречу току i_d. На рис. 12.15, в представлены диаграммы напряжений и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент ∂₁ на тиристор VS подать управляющий импульс, то тиристор включится, поскольку вплоть до момента ∂₂ напряжение u_ab по абсолютному значению меньше напряжения U_d. Под воздействием разности напряжений U_d - u_ab в цепи начнет протекать ток i_d, противоположный по знаку напряжению сети u_ab. Наличие в схеме сглаживающего реактора L_d ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать через тиристор после того, как напряжение u_ab по абсолютному значению будет больше напряжения U_d и станет равным нулю в момент ∂₃, соответствующий равенству заштрихованных областей на рис. 12.15, в.

Схемы зависимых инверторов по существу не отличаются от схем управляемых выпрямителей. Поэтому они могут рассматриваться как схемы реверсивных преобразователей, способных передавать электрическую энергию из сети в источник постоянного тока (выпрямительный режим) и наоборот (инверторный режим). Для этого необходимо изменить полярность источника постоянного тока по отношению к тиристорам и изменить алгоритм формирования импульсов управления.

Основные характеристики инверторов, ведомых сетью. При анализе нормальных режимов работы инвертора важно знать следующие основные его характеристики: входную и ограничительную.

Входная характеристика представляет собой зависимость входного напряжения инвертора U_d от среднего значения входного тока I_d.

Входное напряжение инвертора при допущении равенства нулю падения напряжения в тиристорах и активных сопротивлениях схемы можно представить в виде суммы двух составляющих. Первая составляющая входного напряжения — это напряжение холостого хода U_d0, равное входному напряжению при мгновенной коммутации вентилей, т.е. при угле коммутации γ = 0. Второй составляющей является среднее значение падения напряжения ΔU на интервалах коммутации. В отличие от выпрямителей, у которых падение напряжения вычитается из напряжения холостого хода, в ведомых инверторах эти составляющие суммируются. На рис. 12.16 представлены входные характеристики однофазного инвертора при различных углах β, (β = π - α), из которых видно, что они в отличие от внешних характеристик выпрямителя, представленных на рис. 6.16 в правой полуплоскости, имеют возрастающий характер (напряжение увеличивается с ростом тока). При этом внешние характеристики выпрямителя являются продолжением входных характеристик инвертора при условии равенства углов α и β.

При увеличении входного напряжения U_d растет ток I_d, и поэтому увеличивается угол коммутации γ, т.е. при неизменном значении угла опережения β уменьшается угол δ выключения тиристоров, определяющий восстановление их запирающей способности. Минимально допустимое значение угла δ_min определяется частотой сетевого напряжения и типом тиристоров.

Напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при I_d = 0 (т.е. на холостом ходу) одинаковы для выпрямительного и инверторного режимов и зависят от угла β или α. Эту зависимость обычно называют регулировочной характеристикой. Рассматриваемые преобразователи обладают свойством обратимости, т.е. путем изменения углов управления и переключения полярности источника постоянного тока можно переходить от выпрямительного режима к инверторному и наоборот. В выпрямительном режиме энергия поступает от сети переменного тока в источник (для данного случая — приемник) постоянного тока. Ограничительная характеристика определяется минимально допустимыми значениями угла восстановления запирающей способности тиристоров δ_min в инверторном режиме.

В электроэнергетике средних и больших мощностей применяются в основном трехфазные комбинированные инверторы, аналогичные по схемотехнике мощным выпрямителям. Основной целью повышения числа фаз выпрямителей и инверторов является улучшение гармонического состава потребляемого переменного тока и снижение уровня пульсаций выходного напряжения. Внедрение мощных полностью управляемых силовых приборов облегчило решение этой задачи посредством использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, перспективными считаются многоуровневые модульные схемы преобразователей, которые в сочетании с ШИМ открыли новые возможности улучшения технико-экономических показателей мощных преобразователей высокого напряжения.

Автономный инвертор (самокоммутируемый, независимый) — инвертор, в котором коммутация вентилей осуществляется либо выключением и включением полностью управляемых приборов (транзисторов и запираемых тиристоров), либо с помощью устройств принудительной коммутации, входящих в состав схемы преобразователя и создающих коммутирующее напряжение, обеспечивающее выключение не полностью управляемых приборов (тиристоров). В автономных инверторах выходные параметры (форма, частота напряжения) определяются схемой инвертора и его системой управления в отличие от зависимых инверторов, выходные параметры которых соответствуют параметрам сети.

В настоящее время не существует единой общепринятой системы классификации схем автономных инверторов. Наиболее часто их классифицируют по следующим признакам:

· характеру электромагнитных процессов, протекающих в схеме;

· способу коммутации тиристоров или схеме включения коммутирующих элементов;

· схеме преобразования (конфигурации соединений элементов силовой части).

В стандарте МЭК на термины силовой электроники для автономных инверторов приводятся следующие определения:

· инвертор напряжения — инвертор, питаемый от цепи постоянного тока с преобладающими свойствами (характеристиками) источника напряжения;

· инвертор тока — инвертор, питаемый от цепи постоянного тока с преобладающими свойствами источника тока.

Автономные инверторы используются преимущественно в автономной энергетике малой и средней мощности.

Преобразователь частоты предназначены для преобразования тока одной частоты в ток другой частоты с возможным изменением значения напряжения и числа фаз.

Преобразователи частоты классифицируются по мощности, напряжению, числу фаз входного и выходного напряжений, схеме преобразования и т.п. Преобразователи частоты выполняются с фиксированным соотношением частот входного и выходного напряжений и с переменным их соотношением или с регулируемой частотой. Преобразователи с регулируемой частотой нашли широкое применение в области электропривода для регулирования скорости асинхронных двигателей.

При классификации преобразователей частоты выделяют два основных типа:

· преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (непрямые преобразователи);

· преобразователи с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки, которые в литературе иногда называются преобразователями с неявно выраженным звеном постоянного тока.

Преобразователем частоты с непосредственной связью называется прямой преобразователь, т.е. преобразователь, в котором энергия источника переменного тока передается в нагрузку непосредственно на проводящих интервалах силовых ключей схемы преобразователя. Наиболее широкое практическое применение такие преобразователи, выполненные на тиристорах, находят в электроприводе для управления низкоскоростными двигателями очень большой мощности. Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режиме.

Чаще всего такие преобразователи выполняются с естественной коммутацией тиристоров и поэтому имеют частоту выходного напряжения меньшую, чем частота питающей сети. Это обстоятельство обусловило их широкое применение в области электропривода для частотного регулирования скорости двигателей путем изменения частоты выходного напряжения в диапазоне низких частот (ниже частоты промышленной сети).

Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном приведена на рис. 12.17.

Переменное напряжение U₁ с частотой f₁ поступает на вход выпрямителя В. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на вход автономного инвертора АИ, имеющего выходное напряжение U₂ с частотой f₂. В преобразователях данного типа частота выходного напряжения не зависит от частоты питающей сети и может быть как больше, так и меньше этой частоты.

Следует отметить, что преобразователи частоты с инвертором тока в настоящее время в основном применяются для управления синхронными двигателями очень большой мощности. При этом инвертор выполняется на тиристорах, коммутация которых происходит под воздействием нагрузки, т.е. синхронного двигателя, обмотки которого непосредственно подключаются к тиристорному мосту инвертора тока. Напряжение этих обмоток позволяет обеспечить естественную коммутацию тиристоров. Такая коммутация называется электромашинной.

В преобразователях малой и средней мощности с регулируемой в широком диапазоне частотой выходного напряжения, предназначенных обычно для питания электродвигателей, звено АИ выполняется, как правило, по схеме инвертора напряжения.

Преобразователи постоянного тока. Преобразователями постоянного тока называются преобразователи постоянного тока в постоянный. Преобразователи постоянного тока выполняют различные функции в системах электропитания: согласование уровней напряжения источника и потребителя электроэнергии, обеспечение гальванической развязки, повышение качества параметров и др. В электроприводе преобразователи постоянного тока часто выполняют функции регуляторов напряжения или тока.

Преобразователи постоянного тока в энергетике в основном используются в качестве промежуточных звеньев преобразователей других параметров. Поэтому, как правило, они создаются на относительно небольшие мощности и выполняют в системе вспомогательные функции. Более широкую область применения они находят в электроприводе постоянного тока. В настоящее время во всех преобразователях все силовые электронные ключи работают в импульсных режимах, что позволяет иметь высокий КПД преобразователя в целом.

Среди основных типов преобразователей постоянного тока различают:

· преобразователи с прямой передачей энергии в нагрузку;

· преобразователи с накоплением энергии в промежуточных элементах схемы с последующей передачей в нагрузку. Функции таких накопителей обычно выполняют индуктивные накопители (реакторы).