УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ К ИСТОЧНИКУ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR CONNECTION OF CONTROLLED VOLTAGE RECTIFIER TO SOURCE OF AC VOLTAGE

Устройство относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный и, наоборот, постоянного тока в переменный с использованием полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов - в мостовой схеме.
Управляемые выпрямители напряжения, которые также известны под названиями: активные выпрямители или четырехквадрантные преобразователи, применяются в качестве выпрямителя для питания потребителей постоянного тока или, вместе с автономными инверторами, в составе преобразователей частоты. У любых управляемых выпрямителей напряжения каждое вентильное плечо может проводить ток в обоих направлениях и представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа с односторонней проводимостью и диода, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. В анодную группу наиболее распространенного мостового управляемого выпрямителя напряжения входят вентильные плечи, у которых аноды диодов соединены с отрицательным выходным зажимом выпрямителя, а в катодную группу - вентильные плечи, у которых катоды диодов соединены с положительным выходным зажимом выпрямителя. К выходным зажимам такого выпрямителя подключены выходной конденсатор, являющийся обязательным элементом любого управляемого выпрямителя напряжения, и нагрузка. Катод диода каждого вентильного плеча анодной группы соединен с анодом диода вентильного плеча одной из катодных групп и с одним из входных зажимов выпрямителя. Входные зажимы выпрямителя соединены с источником напряжения переменного тока. Эти выпрямители, под действием поступающих на электронные ключи сигналов, преобразуют энергию переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе. В этом случае такие выпрямители работают в выпрямительном режиме, как и простейшие, составленные только из диодов, выпрямители тока. При изменении направления потока энергии в нагрузке, когда она не потребляет энергию, а отдает ее, переходя в генераторный режим, такие выпрямители способны, под действием управляющих сигналов, преобразовывать энергию постоянного тока, поступающую от нагрузки к выходу управляемого выпрямителя напряжения, в энергию переменного тока. Эта энергия передается с входных зажимов выпрямителя в источник напряжения переменного тока. В этом случае такие выпрямители работают в инверторном режиме.
После подключения входных зажимов выпрямителя к источнику переменного тока выходной конденсатор сначала заряжается в неуправляемом режиме, через диоды, до амплитудного значения напряжения источника. При этом имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника, диоды и ЭДС выходного конденсатора. Ток и ЭДС конденсатора в неуправляемом режиме направлены встречно. Дальнейший процесс заряда конденсатора происходит в управляемом режиме путем управления моментами включения и отключения электронных ключей с частотой, которая во много раз превосходит частоту источника. При этом обеспечивается близкая к синусоиде форма входного тока выпрямителя. Во время включенного состояния электронных ключей имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника и ЭДС выходного конденсатора. В управляемом режиме при включенном состоянии электронных ключей ток и ЭДС конденсатора направлены согласно. Когда ключи отключаются, то входные токи управляемого выпрямителя переходят на диоды, при этом ток и ЭДС конденсатора в неуправляемом режиме направлены встречно, как в неуправляемом режиме. Для ограничения входного тока выпрямителя в неуправляемом режиме и скорости нарастания тока короткого замыкания в управляемом режиме при замыкании электронных ключей в указанной короткозамкнутой цепи должны содержаться токоограничивающие элементы. Они защищают диоды, электронные ключи и конденсаторы управляемого выпрямителя от разрушения под действием сверхтоков.
Известно устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока, в котором имеются токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя.
У известного устройства (аналога) в качестве токоограничивающего элемента используется индуктивный элемент, индуктивное сопротивление которого на частоте источника напряжения во много раз превосходит активное сопротивление этого элемента. Схемы аналога приведены в [1, рис.25.3] для однофазного и в [2] для трехфазного вариантов управляемого мостового выпрямителя напряжения.
Роль индуктивного элемента, полностью или частично, может играть токоограничивающий реактор, включаемый на входе управляемого выпрямителя напряжения, а также индуктивное сопротивление коммутации синхронного генератора или индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора, которые предназначены именно для питания указанного выпрямителя. Индуктивность индуктивного элемента должна быть не больше такой, которая обеспечивает достижение максимального значения производной заданной синусоиды входного тока выпрямителя в управляемом режиме его работы.
Недостаток аналога заключается в том, что индуктивное сопротивление такого индуктивного элемента оказывается слишком малым для ограничения пускового тока, возникающего при подключении управляемого выпрямителя напряжения с незаряженным выходным конденсатором к источнику переменного нерегулируемого напряжения. Большой входной ток выпрямителя, являющийся, по сути, током короткого замыкания источника на токоограничивающие индуктивные элементы, может вывести из строя диоды выпрямителя, внутренние проводники выходного конденсатора и соединительные провода. Способ подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику, используемый в аналоге, может безопасно применяться при постепенном увеличении напряжения источника по мере заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения. Такой процесс может быть осуществлен, например, при питании управляемого выпрямителя напряжения непосредственно от синхронного генератора, в частности от генераторов ветроэлектрических станций.
Известно также устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа, принципиальная схема которого приведена в [3, стр.2].
Известное устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока содержит токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя, каждая из которых соединяет входной зажим указанного устройства, подключенный к одному из выходных зажимов упомянутого источника напряжения, с выходным зажимом указанного устройства, подключенным к одному из входных зажимов управляемого выпрямителя напряжения, причем каждая токоограничивающая цепь содержит индуктивный элемент, дополнительный токоограничивающий элемент, а также первый и второй выключатели, первые зажимы которых подключены к входному зажиму указанного устройства, а второй зажим второго выключателя через дополнительный токоограничивающий элемент подключен ко второму зажиму первого выключателя и соединен с первым зажимом индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства.
В прототипе в качестве дополнительных токоограничивающих элементов применены пусковые резисторы, а вторые зажимы вторых выключателей непосредственно подключены к первым зажимам индуктивных элементов.
Первоначальное подключение известного управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока осуществляется одновременным замыканием первых выключателей во всех токоограничивающих цепях при разомкнутом состоянии вторых выключателей. Благодаря совместному действию индуктивностей индуктивных элементов и активных сопротивлений пусковых резисторов максимальное значение токов, поступающих от источника через токоограничивающие цепи на входы управляемого выпрямителя напряжения, удается снизить до безопасного значения. После окончания неуправляемого процесса заряда выходного конденсатора, когда входной ток управляемого выпрямителя напряжения падает до нулевого значения, первые выключатели размыкаются, а вторые - замыкаются. При этом входные зажимы управляемого выпрямителя напряжения оказываются подключенными к выходным зажимам источника напряжения переменного тока через замкнутые вторые выключатели и индуктивные элементы. Управляемый выпрямитель напряжения готов к работе в управляемом режиме.
Основные недостатки известного устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения заключаются в следующем.
1. В пусковых резисторах выделяется большая энергия в виде тепла, и возникает проблема его отвода. Чем больше токоограничивающее влияние пусковых резисторов и, следовательно, отношение активного сопротивления пускового резистора к модулю комплексного сопротивления, состоящего из указанного активного сопротивления и индуктивного сопротивления (на частоте источника напряжения) индуктивного элемента, тем ближе суммарные потери энергии в пусковых резисторах за время заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения к электрической энергии, запасенной в этом конденсаторе.
2. Чем больше отношение активного сопротивления пускового резистора к модулю комплексного сопротивления, состоящего из указанного активного сопротивления и индуктивного сопротивления индуктивного элемента, тем ближе входная вольт-амперная характеристика управляемого выпрямителя напряжения к линейной. (У указанной вольт-амперной характеристики фазное напряжение холостого хода равно фазному напряжению источника, а ток короткого замыкания равен отношению этого напряжения к модулю указанного комплексного сопротивления.) При этом пропорционально возрастанию напряжения выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения снижается его зарядный ток. Время заряда этого конденсатора велико. Оно составляет несколько значений постоянной времени, которая примерно равна произведению емкости выходного конденсатора на удвоенное сопротивление пускового резистора.
3. Напряжение выходного конденсатора после отключения пусковых резисторов первыми выключателями и замыкания вторых выключателей равно амплитудному значению линейного напряжения источника. Если на завершающей стадии заряда это напряжение было меньше, чем после включения вторых выключателей, то управляемый выпрямитель напряжения не сможет какое-то время работать в управляемом режиме. Входящие в состав управляемого выпрямителя напряжения диоды станут заряжать выходной конденсатор до нового, повышенного, амплитудного значения линейного напряжения источника.
4. Частота коммутации электронных ключей управляемого выпрямителя напряжения в десятки и сотни раз больше частоты источника, от которого питается управляемый выпрямитель напряжения. Поэтому пульсации (отклонения от заданной синусоиды) входного тока управляемого выпрямителя напряжения не превосходят допустимых пределов. Но пульсации напряжения на зажимах этого источника могут во много раз превосходить допустимые нормы. И этот недостаток проявляется тем сильнее, чем больше фазная индуктивность внутреннего сопротивления источника по отношению к индуктивности индуктивного элемента рассматриваемого устройства. (Если эти индуктивности равны между собой, то указанные пульсации достигают половины напряжения выходного конденсатора, а это напряжения должно превосходить амплитудное значение линейного напряжения источника.) При работе источника (генератора или трансформатора) только на управляемый выпрямитель напряжения этот недостаток не учитывается. Он проявляется в том случае, когда помимо управляемого выпрямителя напряжения источник питает другие потребители электроэнергии (в частности, устройства управления управляемым выпрямителем напряжения), особенно по отношению к потребителям с низким значением входной индуктивности. При этом возникают дополнительные потери мощности, дополнительный нагрев и ухудшение характеристик потребителей электроэнергии, а также электромагнитные помехи, ухудшающие электромагнитную совместимость управляемого выпрямителя напряжения с другими элементами электроустановок.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение энергетических и динамических показателей стадии неуправляемого заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения и улучшения электромагнитной совместимости этого выпрямителя с другими элементами электроустановок при минимизации массовых и габаритных показателей предлагаемого устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении в десятки раз потерь мощности и энергии при предварительном заряде выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения, снижении времени предварительного заряда указанного конденсатора, увеличении напряжения на этом конденсаторе после окончания его предварительного заряда и значительном снижении пульсации напряжения на зажимах источника напряжения в рабочем режиме управляемого выпрямителя напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока, содержащее токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя, каждая из которых соединяет входной зажим указанного устройства, подключенный к одному из выходных зажимов упомянутого источника напряжения, с выходным зажимом указанного устройства, подключенным к одному из входных зажимов управляемого выпрямителя напряжения, причем каждая токоограничивающая цепь содержит индуктивный элемент, дополнительный токоограничивающий элемент, а также первый и второй выключатели, первые зажимы которых подключены к входному зажиму указанного устройства, а второй зажим второго выключателя через дополнительный токоограничивающий элемент подключен ко второму зажиму первого выключателя и соединен с первым зажимом индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства, в каждую токоограничивающую цепь введены первый реактор, который включен в качестве дополнительного токоограничивающего элемента, а также второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор, один из зажимов которого подключен к первому зажиму индуктивного элемента, а другой зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму.
Поставленная задача достигается также тем, что обмотки первого и второго реакторов размещены на одном магнитном сердечнике.
Поставленная задача достигается также тем, что обмотки первого и второго реакторов, а также индуктивного элемента размещены на одном магнитном сердечнике.
Поставленная задача достигается также тем, что числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом вторая токоограничивающая цепь заменяется линией, соединяющей один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства и со вторым зажимом конденсатора.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи.
Признак «… в каждую токоограничивающую цепь введен первый реактор, который включен в качестве дополнительного токоограничивающего элемента…» позволяет во много раз снизить потери мощности в дополнительном токоограничивающем элементе по сравнению с прототипом, в котором функции этого элемента выполнял пусковой резистор; у реактора имеются небольшие потери мощности в его обмотке и в магнитном сердечнике, если реактор его имеет.
Признак «… в каждую токоограничивающую цепь введены первый реактор, который включен в качестве дополнительного токоограничивающего элемента, а также второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор…» позволяет получить такую схему замещения источника и устройства в виде активного двухполюсника, в которой внутреннее сопротивление источника является практически индуктивным. Это обеспечивает выпуклую вольт-амперную входную характеристику управляемого выпрямителя напряжения в неуправляемом режиме его работы. При этом значительно сокращается время процесса заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя по сравнению с этим же показателем прототипа.
Признак « …в каждую токоограничивающую цепь введены первый реактор,… а также второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор, один из зажимов которого подключен к первому зажиму индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму…» позволяет получить на входе управляемого выпрямителя, в неуправляемом режиме его работы, Т-образный реактивный фильтр, составленный из индуктивных элементов, первых и вторых реакторов и конденсаторов. При этом входное напряжение управляемого выпрямителя при окончании неуправляемого режима заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя превосходит напряжение источника, а также входное напряжение управляемого выпрямителя в управляемом режиме его работы.
Признак « …в каждую токоограничивающую цепь введены…второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор, один из зажимов которого подключен к первому зажиму индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму…» позволяет получить на входе управляемого выпрямителя, в управляемом режиме его работы, Т-образный реактивный фильтр нижних частот, составленный из индуктивных элементов, вторых реакторов и конденсаторов. При этом напряжение конденсатора и входное напряжение предлагаемого устройства практически синусоидальны.
Признак «… обмотки первого и второго реакторов размещены на одном магнитном сердечнике…» позволяет уменьшить массу и габариты устройства, так как с увеличением расчетной мощности статического электромагнитного устройства его удельные показатели: отношения его массы и объема к расчетной мощности - снижаются.
Признак «… обмотки первого и второго реакторов, а также индуктивного элемента размещены на одном магнитном сердечнике…» позволяет уменьшить массу и габариты устройства по той же причине.
Признак, относящийся к однофазному устройству для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения, «… числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом вторая токоограничивающая цепь заменяется линией, соединяющей один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимом устройства и со вторым зажимом конденсатора…» позволяет уменьшить массу и габариты устройства по той же причине. В этом случае каждые из двух статических электромагнитных устройств: первые реакторы, вторые реакторы, индуктивные элементы и конденсаторы - заменяются одним.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока в трехфазном исполнении; на фиг 2 - то же в однофазном исполнении; на фиг.3 и фиг.4 показаны фрагменты принципиальной схемы одной токоограничивающей цепи; на фиг.5 изображены внешняя характеристика заявленного устройства (утолщенной линией) и внешняя характеристика прототипа (тонкой линией).
Устройство 1 для подключения управляемого выпрямителя 2 напряжения к источнику 3 напряжения переменного тока содержит токоограничивающие цепи, соединяющие входные зажимы 4 и выходные зажимы 5 устройства 1. Для трехфазного варианта (фиг.1) таких цепей три, а в однофазном варианте (фиг.2) содержится одна токоограничивающая цепь. Входные зажимы 4 устройства 1 подключены к выходным зажимам 6 источника 3 напряжения переменного тока, а выходные зажимы 5 устройства 1 подключены к входным зажимам 7 управляемого выпрямителя напряжения 2. Каждая токоограничивающая цепь содержит первые реакторы 8 (дополнительные токоограничивающие элементы), вторые реакторы 9, индуктивные элементы 10, конденсаторы 11, первые выключатели 12 и вторые выключатели 13. Первые зажимы 14 и 15 выключателей 12 и 13 подключены друг к другу и к входным зажимам 4 устройства 1. Вторые зажимы 16 вторых выключателей 13 через первые реакторы 8 подключены к вторым зажимам 17 первых выключателей 12, а через вторые реакторы 9 - к первым зажимам 18 индуктивных элементов 10. Вторые зажимы последних являются выходными зажимами 5 устройства 1. В трехфазном варианте (фиг.1) между зажимами 18 и общим зажимам 19 (нулевой точкой) включены конденсаторы 11.
Первые реакторы 8 могут выполняться в виде катушек, как помещенных на отдельных магнитопроводах, так и не имеющих магнитопроводов. Все три катушки реакторов 8 могут размещаться и на одном трехфазном магнитопроводе. Все, что сказано относительно конструктивных особенностей реакторов 8, в полной мере относится и к вторым реакторам 9 и к индуктивным элементам 10.
В однофазном варианте (фиг.2) один зажим конденсатора 11 подключен к первому зажиму 18 индуктивного элемента 10, а другой к общему зажиму 19, подключенному к одному из входных зажимов 4 и одному из выходных зажимов 5 устройства 1.
На фиг.3 показано, что катушки первого и второго реакторов 8 и 9 помещены на общий однофазный магнитопровод 20. На фиг.4 показано, что помимо этих катушек на общий однофазный магнитопровод 21 помещена и катушка индуктивного элемента 10. Для трехфазного устройства 1 магнитные системы 20 и 21 могут иметь трехфазное исполнение. В этом случае, применительно к фиг.3, на магнитопроводе 20 помещают шесть катушек (по три первых реакторов 8 и вторых 9), а применительно к фиг.4, на магнитопроводе 21 помещают все девять катушек устройства 1.
На чертеже и в описании изобретения в управляемом выпрямителе 2 напряжения дополнительно обозначены:
22 - конденсатор;
23 - диоды;
24 - электронные ключи;
25 - выходные зажимы.
Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока работает следующим образом.
НГ
2
C
ВХ
ВХ
З
НГ
K
НГ
До подключения к источнику 3 напряжение u конденсатора 22 управляемого выпрямителя 2 равно нулю, а оба выключателя 12 и 13 разомкнуты. При замыкании первого выключателя 12 начинается неуправляемый процесс заряда конденсатора 22: по цепям устройства 1, диодам 23 и конденсатору 22 начинают проходить токи. Каждый фазный входной ток i, проходящий по реакторам 8 и 9, разделяется на два тока: ток i конденсатора 11 и проходящий по индуктивному элементу 10 входному току i выпрямителя 2. Трехфазный ток i преобразуется неуправляемым (составленным из диодов 23) выпрямителем в выходной ток i, который, при равенстве нулю тока нагрузки i, равен току i, заряжающему конденсатор 22. В результате напряжение u конденсатора 22 начинает возрастать. Емкость конденсатора 22 настолько велика, что время его заряда превосходит период напряжения источника 2 напряжения переменного тока в тысячи раз. Анализ столь медленных процессов можно производить методом медленно меняющихся амплитуд, рассматривая действие первых гармоник токов и напряжений в устройстве 1. В этом случае внешняя характеристика устройства 1 определяется выражением
ВХ
ВХ
КЗ
ВХ
ВХ
НГ
З
КЗ
КЗ
в котором использованы обозначения действующих значений первых гармоник фазных напряжений: входного U выпрямителя 2 и источника 3 U - и входных токов выпрямителя 2: текущего I и начального I. Напряжение U и ток I пропорциональны средним значениям напряжения u и тока i на выходе выпрямителя 2. Выражение (1) получено при пренебрежении потерями мощности в конденсаторах 11, а также в обмотках и магнитопроводах реакторов 8 и 9 и индуктивного элемента 10. Ток I является наибольшим входным током выпрямителя 2. Благодаря большому значению индуктивности реактора 8 (оно в несколько раз больше индуктивностей реактора 9 и индуктивного элемента 10) ток I не выходит за допустимые, безопасные для диодов 23 и конденсатора 22, пределы. Коэффициент k определяется значениями сопротивлений устройства 1:
С
1
2
где Х - сопротивление конденсатора 11, X и Х - сопротивления первого и второго реакторов 8 и 9. Все сопротивления соответствуют частоте источника 3. Сопротивление конденсатора 11 намного больше суммарного сопротивления реакторов 8 и 9. Поэтому коэффициент k больше единицы, он равен, например, 1,1.
На фиг.5 утолщенной линией изображена внешняя характеристика предлагаемого устройства 1, построенная по выражению 1 при k=1,1 для относительных значений напряжения  и тока  на входе управляемого выпрямителя. Там же тонкой линией показана внешняя характеристика прототипа, которая построена при пренебрежении индуктивным сопротивлением индуктивного элемента. Видно, что для всех относительных значений входного напряжения , кроме нуля, входной ток  выпрямителя 2 с предлагаемым устройством 1 больше, чем с устройством, выбранным в качестве прототипа. В частности при =0,5 отношение входных токов для этих вариантов составляет 1,8, а при дальнейшем росте  это отношение быстро увеличивается. Следовательно, предлагаемое устройство обеспечивает предварительный заряд конденсатора 22 за гораздо меньшее время по сравнению с прототипом.
1
2
2
НГн
Когда действующее входное фазное напряжение выпрямителя 2 достигнет значения kU, его выходное напряжение станет равным номинальному значению  , которое равно амплитуде линейного входного напряжения. При этом первые выключатели 12 отключаются, а вторые выключатели 13 замыкаются. Так как первый реактор с сопротивлением Х, которое во много раз больше сопротивления Х второго реактора, выключается из токоограничивающей цепи, то, в соответствии с выражениями (1) и (2), входное напряжение выпрямителя 2 снизится. Оно станет превосходить напряжение источника 3 совсем немного, например на 1%. Входные токи выпрямителя, пока к электронным ключам 24 не подводятся управляющие импульсы, отсутствуют, так как напряжение конденсатора 22 в k раз больше амплитуды линейного входного напряжения, действующее значение которого немногим больше . Управляемый выпрямитель 2 готов к немедленному подключению нагрузки и переходу в управляемый режим работы. Коэффициент k должен выбираться таким, чтобы возможное повышение напряжения источника 3 не возвращало выпрямитель 2 вновь в неуправляемый режим работы. Такое явление следует избегать, так как при этом ухудшается форма тока i, потребляемого от источника 3. Чтобы избежать такой ситуации при использовании прототипа, необходимо после окончания процесса неуправляемого заряда конденсатора 22 перейти в управляемый режим дополнительного заряда конденсатора 22 до напряжения U. Такая операция еще более увеличивает время подготовки выпрямителя 2 к работе в штатном, управляемом, режиме.
НГ
ВХ
K
2
В управляемом режиме работы к выходным зажимам 25 выпрямителя 2 подключена нагрузка, потребляющая ток i, который проходит в указанном на фиг.1 и фиг.2 направлении (или генерирующая этот ток, тогда его направление изменяется на противоположное). У выпрямителя 2 ток проводят по очереди электронные ключи 24 и диоды 23. Микропроцессор по заложенной в нем программе включает и отключает электронные ключи 24. Частота коммутации, которая определяет интервалы времени включения очередного ключа 24, в сотни (и даже тысячи) раз превосходит частоту источника 3 напряжения. Программа микропроцессора реализует выполнение следующих условий: первое - практически синусоидальная форма токов i; второе - заданный фазовый сдвиг первой гармоники этого тока (обычно нулевой при работе выпрямителя 2 в выпрямительном режиме или 180° при его работе в инверторном режиме); третье - неизменное среднее значение напряжение конденсатора 22 (при этом среднее значение тока i равно нулю). Напряжение на входных зажимах 7 выпрямителя 2 формируется электронными ключами. Линейное напряжение на этих зажимах имеет вид последовательности прямоугольных импульсов, повторяющихся с частотой коммутации. Амплитуда импульсов равна напряжению конденсатора 22. Их продолжительность изменяется так, чтобы в указанном линейном напряжении не содержались высшие гармоники, близкие к первой, имеющей частоту источника 3. Ближайшие к первой высшие гармоники имеют частоты, примерно в два раза превышающие частоту первой гармоники. Совокупность высших гармоник образуют пульсации, максимальная амплитуда которых близка к напряжению конденсатора 22. Относительно небольшая индуктивность индуктивного элемента 10, по сравнению с индуктивностью первого реактора, обеспечивает весьма большое значение индуктивного сопротивления для токов, генерируемых высшими гармониками входного напряжения выпрямителя 22. В то же время относительно небольшая емкость конденсатора 11 обеспечивает весьма малое значение емкостного сопротивления для токов указанных высших гармоник. Поэтому пульсации напряжения на этом конденсаторе крайне малы, это напряжение имеет практически синусоидальную форму. Высокое, для высших гармоник, сопротивление второго реактора 8 дополнительно подавляет высшие гармоники входного тока i выпрямителя 1, делает их ничтожно малыми. Тем самым обеспечивается электромагнитная совместимость управляемого выпрямителя напряжения с другими потребителями, подключенными к источнику 3 напряжения переменного тока. Т-образный фильтр, образованный вторыми реакторами 9, индуктивными элементами 10 и конденсаторами 11 также подавляет те высшие гармоники токов, проходящих по элементам указанного Т-образного фильтра, которые вызваны внешними, по отношения к выпрямителю 2, причинами. Эти высшие гармоники создаются отклонениями формы кривой ЭДС источника 3 от синусоиды или наличием высших гармоник в токах других потребителей. Такое действие Т-образного фильтра уменьшает потери мощности в его элементах, увеличивая их ресурс.
Источники информации
1. Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А.Бутырина, Р.Х.Гафиятуллина, А.Л.Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с.
2. N.Mohan, T.M.Underland, W.P.Robbins, Power electronics, John Wiley & Sons, Inc., New Yorc, 2003, Figs.18-8 and 18-12.
3. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS, www.siemens.com/transportation (прототип).