Сильноточная электроника: Учебно-методическое пособие

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроники и электроники

СИЛЬНОТОЧНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебно-методическое пособие для студентов

специальностей 10.01, 10.02, 10.04

МИНСК 2004

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В электротехнике и электроэнергетике широко используется различного вида преобразователи рода тока и параметров электрической энергии. В зависимости от степени связи между источниками питания и нагрузкой они подразделяются на два класса:

зависимые или ведомые сетью преобразователи;

независимые или автономные преобразователи.

Более широкая классификация идет по выполняемой функции:

выпрямители (управляемые и неуправляемые);

инверторы;

преобразователи частоты;

преобразователи числа фаз;

преобразователи постоянного тока;

регуляторы-стабилизаторы переменного и постоянного тока и ряд других преобразователей специального назначения.

При такой классификации нужно иметь ввиду, что группы преобразователей по роду выполняемой операции могут принадлежать одновременно к зависимым и независимым (инверторы, преобразователи частоты и др.), либо только к одному классу, например, выпрямители, относящиеся только к зависимым преобразователям.

Ниже рассматриваются принципы построения некоторых преобразователей, получивших наиболее широкое применение.

1. ЗАВИСИМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

1.1 Выпрямители

Выпрямители называются устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в пульсирующий одного направления. По числу фаз выпрямления подразделяются на однофазные и многофазные (трех, -шести, -двенадцатифазные).

Однофазные схемы обычно применяют для устройства малой (до 1,0–1,5 кВт) и средней (до 10 кВт) мощности. Принципиальные схемы однофазных выпрямителей приведены на рис. 1.1 а, б, в, где а – однофазная однополупериодная;

б – двухполупериодная с выводом средней точки трансформатора;

в – двухполупериодная мостовая.

В выпрямителях средней и большой (свыше 10 кВт) мощности  обычно применяют трехфазные схемы, наиболее распространенными из которых являются трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали трансформатора (рис. 1.2 а) и трехфазная мостовая (рис. 1.2 б).

Диаграммы, поясняющие принцип работы, для схем оговоренных выше, не приводится по причине их общеизвестности. Единственное заметим соотношение между напряжениями  для схемы рис. 1.2 а где  – среднее значение напряжения на нагрузке;

 – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

θ

Отдельно рассмотрим принцип работы еще двух схем выпрямления, получивших достаточно широкое распространение в устройствах большой мощности.

Шестифазная схема выпрямления с выводом нейтрали трансформатора, векторные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке приведены на рис. 1.3. Для этой схемы заметим соотношение между напряжениями  с обозначением величин, приведенных ранее.

В энергетических установках с большими токами со значениями до килоампер (примером могут быть тяговые подстанции для городского электротранспорта) применяется схема выпрямителя «звезда»-двойная «звезда» с уравнительным реактором. Основной особенностью такой схемы является практически постоянный по форме ток нагрузки без применения фильтров. Форма тока не зависит от величины тока нагрузки. Принципиальная схема  приведена на рис. 1.4 а. Временные диаграммы для напряжений на обмотках и токов вентилей и нагрузки, поясняющие принцип работы и особенности схемы приведены на рис. 1.4 б. Поскольку основной нагрузкой тяговых подстанций являются электродвигатели постоянного тока большой мощности (100-200 кВт) в сопротивлении нагрузки всегда присутствует реактивная составляющая сопротивления от индуктивности . Следовательно, нагрузка носит всегда активно-индуктивный характер. Полуобмотки реактора симметричные . Особенностью по отношению к другим схемам выпрямления являются наличие критической точки, определяемая значением тока . При , когда сопротивление уравнительного реактора () невелико, выпрямитель представляет собой обычную шестифазную схему. При токах  получается две схемы «звезда» с выводом нейтрали трансформатора, включенных параллельно и работающих на общую нагрузку , . Величина  обычно невелика и составляет (3 –5)%. Такое изменение режима работы цепи и наличие критической точки показано на внешней характеристике выпрямителя  рис. 1.4 в. Увеличение напряжения  при малых нагрузках является недостатком и устраняется схемными решениями.

Соотношение параметров для трансформатора, вентилей и нагрузки в зависимости от схемы выпрямления и характера нагрузки неуправляемых выпрямителей приведены в приложении 1.

1.2 Особенности работы выпрямителей при наличии реактивных элементов в нагрузке.

При наличии реактивных элементов процессы значительно отличаются от работы на активную нагрузку. Не ставя себе целью рассмотрение различных схем выпрямления, остановимся только на основных положениях.

Работа выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку рассмотрена на примере наиболее простой однополупериодной схемы выпрямления. Схема цепи и временные диаграммы тока и напряжения приведены на рис. 1.5. а, б.