УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ К ИСТОЧНИКУ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR CONNECTING CONTROLLED VOLTAGE INVERTER TO DIRECT CURRENT VOLTAGE SOURCE

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 (УВН) 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 подключен 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 УВН к источнику переменного тока выходной конденсатор сначала заряжается в неуправляемом режиме, через диоды, до амплитудного значения напряжения источника. Дальнейший процесс заряда выходного 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 УВН. Выходной конденсатор заряжается до заданного напряжения, которое превышает амплитудное значение линейного напряжения источника. Для ограничения входного тока УВН 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 выходной конденсатор управляемого выпрямителя от разрушения под действием сверхтоков.
У известного устройства (первого 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 УВН, 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 первого аналога заключается в том, что индуктивное сопротивление такого индуктивного элемента оказывается слишком малым для ограничения пускового тока, возникающего при подключении УВН 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 УВН к источнику, используемый в аналоге, может безопасно применяться при постепенном увеличении напряжения источника по мере заряда выходного конденсатора УВН. Такой процесс может быть осуществлен, например, при питании УВН непосредственно от синхронного генератора, в частности, от генераторов ветроэлектрических станций.
Второй аналог устройства для подключения УВН к источнику напряжения, принципиальная схема которого приведена в [3, стр.2], содержит пусковые резисторы, по одному на каждый входной зажим УВН, а также первый и второй выключатели. Первые зажимы этих выключателей подключены к входным зажимам указанного устройства. Вторые зажимы вторых выключателей подключены к первым зажимам индуктивных элементов напрямую, а через пусковые резисторы - ко вторым зажимам первых выключателей. Вторые зажимы индуктивных элементов подключены к выходным зажимам УВН.
Первоначальное подключение УВН к источнику напряжения переменного тока осуществляется одновременным замыканием первых выключателей 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 УВН, удается снизить до безопасного значения. После окончания неуправляемого процесса заряда выходного конденсатора, когда входной ток УВН падает до нулевого значения, первые выключатели размыкаются, а вторые - замыкаются. При этом входные зажимы УВН оказываются подключенными к выходным зажимам источника напряжения переменного тока через замкнутые вторые выключатели и индуктивные элементы. УВН готов к работе в управляемом режиме.
Основные недостатки второго аналога устройства для подключения УВН к источнику напряжения заключаются в следующем.
1. В пусковых резисторах выделяется большая энергия в виде тепла, и возникает проблема его отвода. Суммарные потери энергии в пусковых резисторах за время заряда выходного конденсатора УВН соизмеримы с электрической энергией, запасенной в этом конденсаторе.
2. Входная вольтамперная характеристика УВН близка к линейной. (У указанной вольтамперной характеристики фазное напряжение холостого хода равно фазному напряжению источника, а ток короткого замыкания равен отношению этого напряжения к модулю комплексного сопротивления, состоящего из активного сопротивления пускового резистора и индуктивного сопротивления индуктивного элемента.) При этом пропорционально возрастанию напряжения выходного конденсатора УВН снижается его зарядный ток. Уменьшение зарядного тока приводит к увеличению времени заряда выходного конденсатора.
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 первых выключателей, то УВН не сможет какое-то время работать в управляемом режиме. Входящие в состав УВН диоды станут заряжать выходной конденсатор до нового, повышенного, амплитудного значения линейного напряжения источника.
Известно также лишенное недостатков второго аналога устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа, принципиальная схема и описание работы которого приведены в [4].
Устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока (прототип) содержит токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя. Каждая из токоограничивающих цепей 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, первый и второй реакторы, конденсатор, а также первый и второй выключатели. Первые зажимы этих выключателей подключены к входным зажимам указанного устройства. Второй зажим второго выключателя через первый реактор подключен ко второму зажиму первого выключателя, а через второй реактор подключен к первому зажиму индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства. Первый зажим конденсатора связан с первым зажимом индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму устройства.
Если числа входных и выходных зажимов прототипа равны двум, то устройство содержит только одну токоограничивающую цепь, соединяющую один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства, а вторые входные и выходные зажимы устройства подключены ко второму зажиму конденсатора, входящему в указанную токоограничивающую цепь.
Первый и второй реакторы и конденсатор токоограничивающей цепи образуют индуктивно-емкостный преобразователь. Параметры этого преобразователя выбираются в соответствии со следующими условиями. Во-первых, ограничивается заданным уровнем начальное значение амплитуды периодической составляющей входного тока выпрямителя. Во-вторых, при окончании процесса неуправляемого заряда выходного конденсатора его напряжение, равное амплитудному значению линейного напряжения конденсаторов токоограничивающих цепей, достигает заданного значения. Это значение больше амплитуды линейного напряжения источника переменного тока. Указанное обстоятельство является первым преимуществом прототипа, по сравнению с другими известными аналогами устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока.
После окончания процесса неуправляемого заряда выходного конденсатора с помощью первого и второго выключателей из токоограничивающих цепей исключаются первые реакторы. Входные зажимы УВН оказываются подключенными к входным зажимам устройства через Т-образные фильтры нижних частот. Эти фильтры практически подавляют, с одной стороны, влияние высших гармоник входных напряжений УВН на источник переменного напряжения, а, с другой стороны, влияние высших гармоник напряжений источника переменного напряжения на работу УВН. Это обстоятельство является вторым преимуществом прототипа по сравнению с другими известными аналогами устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока.
Входное напряжение УВН в режиме неуправляемого заряда выходного конденсатора определяется знакопеременной функцией времени, значение которой в течение короткого промежутка времени (времени коммутации токов диодов УВН) быстро изменяется от начального до конечного значения. То и другое имеют одинаковое абсолютное значение, равное сумме напряжения выходного конденсатора и падения напряжения в двух диодах УВН, но противоположные знаки. Спустя половину периода напряжения источника переменного напряжения процесс коммутации повторяется, при этом знак входного напряжения УВН изменяется в обратном направлении. В промежутках времени между последовательными коммутациями токов диодов происходит медленное изменение входного и выходного напряжений УВН за счет заряда выходного конденсатора. Токи и напряжения элементов токоограничивающих цепей определяются совместным действием двух источников: источника напряжения переменного тока, у которого форма напряжения практически синусоидальная, и входного напряжения выпрямителя, имеющего описанную выше форму. С момента начала каждой коммутации возникает новый переходный процесс. Соответствующие переходному процессу преходящие (свободные) токи и напряжения элементов токоограничивающих цепей имеют колебательные составляющие, частота которых, зависящая от индуктивностей и емкостей элементов токоограничивающих цепей прототипа, в несколько раз превосходит частоту источника напряжения переменного тока.
Недостаток прототипа - это большие значения амплитуд колебательных составляющих входного тока УВН и токов конденсаторов токоограничивающих цепей в режиме неуправляемого заряда выходного конденсатора. Частота колебательных составляющих в несколько раз превосходит частоту источника напряжения. Амплитуда колебательной составляющей входного тока УВН увеличивается по мере роста напряжения выходного конденсатора. Чтобы не повредить диоды выпрямителя приходится изменять, найденные без учета колебательных составляющих, параметры реакторов и конденсатора токоограничивающих цепей, что приводит к затягиванию процесса заряда выходного конденсатора. Когда это напряжение достигает около 75% от максимального значения, соответствующего окончанию заряда выходного конденсатора, амплитуда колебательной составляющей входного тока превосходит амплитуду принужденной составляющей этого тока. При этом у импульсов зарядного тока выходного конденсатора появляются участки с нулевым значением тока. Скорость заряда выходного конденсатора по этой причине снижается.
Но наибольшее отрицательное действие переходных процессов связано с большой амплитудой колебательной составляющей токов конденсаторов токоограничивающих цепей. Действующие значения указанных составляющих в несколько раз превосходят действующие значения токов этих конденсаторов при работе выпрямителя в рабочем режиме (как управляемого выпрямителя напряжения). Во избежание выхода из строя конденсаторов токоограничивающих цепей их приходится выбирать на напряжение, которое в несколько раз превосходит напряжение источника переменного тока. При этом значительно возрастают масса и размеры батарей указанных конденсаторов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение массовых и габаритных показателей предлагаемого устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока, в первую очередь, массы и размеров батарей конденсаторов токоограничивающих цепей, и повышение динамических показателей стадии неуправляемого заряда выходного конденсатора УВН.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении в несколько раз действующих значений токов конденсаторов токоограничивающих цепей, снижении времени предварительного заряда выходного конденсатора, при достижении максимального коэффициента полезного действия предлагаемого устройства и УВН на управляемой стадии его работы.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для подключения УВН 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 УВН, причем каждая токоограничивающая цепь содержит индуктивный элемент, первый и второй реакторы, конденсатор, а также первый и второй выключатели, первые зажимы которых подключены к входному зажиму указанного устройства, второй зажим второго выключателя через первый реактор подключен ко второму зажиму первого выключателя, а через второй реактор подключен к первому зажиму индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства, первый зажим конденсатора связан с первым зажимом индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму устройства, в каждую токоограничивающую цепь введены параллельно включенные демпфирующий резистор и третий выключатель, которые подключены между первым зажимом индуктивного элемента и первым зажимом конденсатора.
Поставленная задача достигается также тем, что числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом устройство содержит только одну токоограничивающую цепь, соединяющую один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства, а вторые входные и выходные зажимы устройства подключены ко второму зажиму конденсатора, входящему в указанную токоограничивающую цепь.
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, указывающий что «в каждую токоограничивающую цепь параллельно введен демпфирующий резистор», который «подключен между первым зажимом индуктивного элемента и первым зажимом конденсатора» позволяет увеличить активное сопротивление последовательного резонансного контура, образованного индуктивным элементом и конденсатором, до такого значения, при котором корни характеристического уравнения перестают быть комплексно-сопряженными, как у прототипа, а становятся вещественными. Колебательный процесс заряда конденсатора токоограничивающей цепи, который имел место у прототипа, изменяется на апериодический. При этом действующее значение тока указанного контура, за половину периода источника, в предлагаемом устройстве во много раз снижается по сравнению с прототипом.
Признак, указывающий что «в каждую токоограничивающую цепь параллельно введен третий выключатель», который «подключен между первым зажимом индуктивного элемента и первым зажимом конденсатора» позволяет после окончания процесса неуправляемого заряда выходного конденсатора замыкать накоротко, с помощью третьих выключателей, демпфирующие резисторы, что обеспечивает снижение потерь мощности в элементах токоограничивающих цепей, повышение коэффициента полезного действия предлагаемого устройства и УВН на управляемой стадии его работы.
Признаки: «…числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом устройство содержит только одну токоограничивающую цепь, соединяющую один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства, а вторые входные и выходные зажимы устройства подключены ко второму зажиму конденсатора, входящему в указанную токоограничивающую цепь» позволяют две токоограничивающие цепи устройства для подключения однофазного мостового УВН заменить одной, что обеспечивает сокращение в два раза числа элементов этих цепей, достигая при этом снижения массовых и габаритных показателей предлагаемого устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг.1 - представлена функциональная схема устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока в трехфазном исполнении; на фиг.2 - то же, в однофазном исполнении. На фиг.3 показаны осциллограммы входного тока УВН и конденсатора токоограничивающей цепи для прототипа, а на фиг.4 - то же, для предлагаемого устройства.
Устройство 1 для подключения УВН 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 УВН 2. Каждая токоограничивающая цепь содержит первые реакторы 8, 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 ко 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 каждую токоограничивающую цепь входят параллельно включенные демпфирующие резисторы 19 и третьи выключатели 20, которые подключены между первыми зажимами 18 индуктивных элементов 10 и первыми зажимами 21 конденсаторов 11. Вторые зажимы конденсаторов 11 подключены к общему для всех токоограничивающих цепей зажиму (нулевой точке) 22.
В однофазном варианте (фиг.2) второй зажим конденсатора 11 подключен к общему зажиму 22, подключенному к одному из входных зажимов 4 и одному из выходных зажимов 5 устройства 1.
На чертеже и в описании изобретения входящие в УВН 2 элементы дополнительно обозначены следующим образом:
23 - диоды;
24 - электронные ключи;
25 - выходной конденсатор;
26 - выходные зажимы;
u - напряжение источника ЭДС;
2
i - входной ток, протекающий по реакторам 8 и 9;
C
i - ток конденсатора;
вх
i - ток на входе выпрямителя;
вх
u - напряжение на входе выпрямителя;
3
i- выходной ток выпрямителя;
k
i- ток выходного конденсатора;
НГ
i - ток нагрузки;
НГ
u - напряжение нагрузки.
Устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока работает следующим образом.
НГ
До подключения к источнику 3 напряжение u конденсатора 25 УВН 2 равно нулю, а все три выключателя 12, 13 и 20 разомкнуты. При замыкании первого выключателя 12 начинается неуправляемый процесс заряда выходного конденсатора 25: по цепям устройства 1, диодам 23 и выходному конденсатору 25 начинают проходить токи. Напряжение выходного конденсатора 25 станет увеличиваться.
вх
Процесс неуправляемого заряда выходного конденсатора 25 заканчивается, когда входной ток i выпрямителя 2 равен нулю, а
напряжение выходного конденсатора 25 достигает амплитудного значения напряжения между зажимами 18 в трехфазном варианте устройства или между зажимами 18 и 22 в однофазном варианте устройства. Это значение превосходит амплитуду напряжения источника в k раз. Коэффициент k рассчитывается по формуле (1), в которой не учитываются активные сопротивления источника напряжения 3, а также первого 8 и второго 9 реакторов:
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>C</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ω</mi><mo>=</mo><mtext>2</mtext><mi>π</mi><mtext>f</mtext><mtext>,                (1)</mtext></mrow>
1
где f - частота источника напряжения, R - активное сопротивление демпфирующего резистора 19, C - емкость конденсатора 11, L - суммарная индуктивность внутреннего сопротивления источника 3, первого 8 и второго 9 реакторов.
То минимальное значение сопротивления демпфирующего резистора, при котором полностью подавляется колебательная составляющая преходящих токов индуктивного элемента 10 и конденсатора 11 токоограничивающей цепи, находится по выражению (2), в котором не учитываются активные сопротивления источника 3, первого 8 и второго 9 реакторов, а также индуктивного элемента 10:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><msub><mrow><mtext>   L</mtext></mrow><mtext>e</mtext></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>         (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>
min
где
- индуктивность индуктивного элемента 10. В качестве примера определим значение R применительно к устройству для подключения УВН с номинальными значениями: мощности 10 кВт, входного напряжения 230 В, 50 Гц и выходного напряжения постоянного тока 360 В. Устройство для подключения этого УВН имеет следующие параметры:
=15,8 мГн,
=0,66 мГн, C=63 мкФ. Для этих параметров по формулам (2) находится
=6,3 Ом. С целью снижения потерь энергии в демпфирующем резисторе целесообразно выбрать несколько меньшее значение сопротивления этого резистора, при котором указанные колебательные составляющие еще не заметны. Принято R=5,0 Ом. Для этого значения R по формуле (1) рассчитан коэффициент k=1,108. Если в формулу (1) подставить R=0, что соответствует замкнутому состоянию третьих выключателей 20 или отсутствию демпфирующих резисторов 19, то коэффициент k возрастет до 1,109, то есть всего на 0,1%. Таким образом, введение демпфирующих резисторов 19 практически не снижает амплитуду входного напряжения управляемого выпрямителя 2 напряжения, по сравнению с прототипом. Следовательно, установившееся для режима неуправляемого заряда выходное напряжение этого выпрямителя также практически не зависит от наличия демпфирующих резисторов 19.
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
Применение демпфирующих резисторов 19 (а также шунтирующих их третьих выключателей 20) является отличительным признаком предлагаемого устройства от прототипа. Рассмотрим влияние демпфирующих резисторов 19 на процесс неуправляемого заряда выходного конденсатора 25, сравнивая осциллограммы входного тока управляемого выпрямителя 2 и конденсаторов при выходном напряжении УВН, равном половине его установившегося значения. Эти осциллограммы соответствуют однофазному УВН с приведенными выше параметрами (
=15,8 мГн,
=0,66 мГн, C=63 мкФ, напряжение источника напряжения переменного тока 230 В, частота 50 Гц, номинальное выходное напряжение УВН 360 В). Продолжительность осциллограмм составляет два периода напряжения источника 3. На фиг.3, а видно, что при замкнутом состоянии третьего ключа 20, шунтирующего резистор 19, когда резистор 19 не проявляет своего действия, как и у прототипа, амплитуда колебательной составляющей входного тока УВН (индуктивного элемента 10) соизмерима с амплитудой принужденной составляющей этого тока. Частота колебательной составляющей в семь раз выше частоты источника. В токе же конденсатора 11 (фиг.3, б) колебательная составляющая имеет преимущественное значение.
При разомкнутом состоянии третьего ключа 20, резистор 19 оказывается включенным последовательно с конденсатором 11. Колебательная составляющая визуально не проявляется ни в токе индуктивного элемента 10 (фиг.4, а), ни в токе конденсатора 11 (фиг.4, а). Действующие значения токов первого 8 и второго 9 реакторов, а также индуктивного элемента 10 при замкнутом состоянии третьего ключа 20 составляют соответственно 34,3 А и 33,5 А, а при разомкнутом состоянии этого ключа - 39,5 А и 38,4 А. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить токи первого и второго реакторов, а также индуктивного элемента и диодов УВН, по сравнению с прототипом - на 15%. Этот результат позволяет выбирать перечисленные элементы с меньшими массовыми и габаритными показателями. Среднее по модулю значение тока индуктивного элемента 10 равно 29,5 А, что на 12% меньше, чем при замкнутом третьем ключе 20 (А). Следовательно, при указанном значении напряжения выходного конденсатора 25 на столько же процентов меньше, чем у прототипа, и среднее значение тока, заряжающего выходной конденсатор 25. В результате выходной конденсатор с емкостью 50000 мкФ заряжается до напряжения 300 В при замкнутом состоянии третьего ключа 20 за 0,74 с (за это время этот конденсатор зарядится до указанного напряжения и с помощью прототипа), а при его разомкнутом состоянии - за 0,94 с.Увеличение времени заряда выходного конденсатора, по сравнению с прототипом, является недостатком предлагаемого устройства. Этот недостаток можно устранить, если выбрать параметры токоограничивающих цепей такими, чтобы расчетные токи реакторов и индуктивных элементов выросли до значений, которые имеют место у прототипа. Увеличение указанных токов ускорит заряд выходного конденсатора.
Преимущество предлагаемого устройства в наибольшей мере проявляется при сравнении действующих значений токов конденсатора 11, соответствующих разомкнутому и замкнутому состояниям ключа 20. В первом случае - это 5,7 А, а во втором 13,5 А, что в 2,4 раза больше. Отсюда следует, что при напряжении выходного конденсатора, равном 180 В, расчетное действующее напряжение конденсатора 11 для прототипа составляет 680 В, а для предлагаемого устройства - всего 290 В. Несомненно преимущество предлагаемого устройства.
Работа предлагаемого устройства в его трехфазном варианте происходит аналогично тому, что было показано применительно к однофазному УВН.
Когда напряжение выходного конденсатора 25 достигнет 95% от номинального значения выходного напряжения УВН, третий ключ 20 может быть включен, что позволит уменьшить потери мощности в токоограничивающих цепях. При этом действующее значение тока конденсатора 11 не будет превосходить значения, которое соответствует току этого конденсатора при разомкнутом состоянии третьего ключа 20 и напряжении выходного конденсатора, равном половине номинального выходного напряжения УВН.
НГ
ВХ
К
2
Когда напряжение выходного конденсатора 25 достигнет 98-99% от номинального значения выходного напряжения УВН, вторые выключатели 13 замыкают, а когда токи первых реакторов затухнут, размыкают первые выключатели 12. После выполнения указанных переключений выключателей 12 и 13 управляемый выпрямитель 2 готов к немедленному подключению нагрузки и переходу в управляемый режим работы. В этом режиме работы к выходным зажимам 26 УВН 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 УВН 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 входных токов устройства 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 выходного конденсатора 25 (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 выходного конденсатора 25. 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 коммутации. Совокупность высших гармоник образуют пульсации, максимальная амплитуда которых близка к напряжению выходного конденсатора 25. 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 УВН 2. 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 УВН 2, делает их ничтожно малыми. Тем самым обеспечивается электромагнитная совместимость УВН 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 отношению к УВН 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 Yore, 2003, Figs. 18-8 and 18-12.
3. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS, www.siemens.com/transportation (второй аналог).
4. Патент RU 2372706. Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока / Копылов В.В., Коршунов А.В., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю. Бюл. 2009. №31. (прототип).