7.2. ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ

В § 7.1 установлено, что управляемые вентильные преобразователи известных нам типов обладают весьма низкими значениями коэффициента мощности, особенно при глубоком регулировании выходного напряжения. Стремление к устранению этого недостатка привело к разработке большого числа преобразователей с повышенным коэффициентом мощности. Для того чтобы достичь предельного значения , необходимо создать вентильный преобразователь, потребляющий от сети ток синусоидальной формы, синфазный с напряжением сети. В полном виде такая задача до настоящего времени неразрешима, однако ряд современных разработок обеспечивает получение весьма высоких значений коэффициента мощности. Существующие преобразователи с повышенным коэффициентом мощности можно разделить на два класса:

1) с естественной коммутацией вентилей;

2) на полностью управляемых вентилях или с искусственной коммутацией однооперационных тиристоров.

Из числа преобразователей с естественной коммутацией вентилей рассмотрим выпрямитель с нулевым вентилем. Однофазная мостовая схема выпрямителя с нулевым (шунтирующим) вентилем приведена на рис. 7.6, а, на рис. 7.6, б, в приведены временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (полагаем большой).

Рис. 7.6. Однофазный выпрямитель с нулевым вентилем: а — схема; б, в — временнйе диаграммы напряжений и токов

В момент подаются управляющие импульсы на тиристоры V1 и V2, ток протекает через нагрузку, и к нагрузке приложено напряжение , при этом полярность на и направление совпадают, следовательно, энергия передается от сети в нагрузку. Диод заперт приложенным к нему напряжением . На этом этапе процессы в схеме развиваются, как и в обычном выпрямителе.

В момент полярность напряжения изменяется и открывается шунтирующий диод . Ток нагрузки замыкается через диод и энергия, накопленная в индуктивности, рассеивается на сопротивлении . При включении диода V0 ток через тиристоры V1 и V2 прекращается и . В момент включаются тиристоры V3 и V4 и процессы в схеме повторяются.

Таким образом, первичный ток прерывается при перемене знака напряжения . Фазовый сдвиг гармоники тока (показана на рис. 7.6, б пунктиром) относительно напряжения сети равен , т. е. меньше значения в обычном выпрямителе при том же угле управления.

Кривая выходного напряжения выпрямителя имеет такой же вид, как при работе выпрямителя на активную нагрузку, и не содержит участков с отрицательным напряжением.

Среднее значение

что соответствует (6.1). Зависимость для однофазного выпрямителя с нулевым вентилем приведена на рис. 7.5 (кривая 2). Уменьшение длительности протекания тока А уменьшает угол сдвига , при этом и повышаются.

В многофазных схемах выпрямления повышение достигается в многомостовых несимметричных схемах. На рис. 7.7, а представлена схема двухмостового выпрямителя.

Рис. 7.7. Двухмостовой несимметричный выпрямитель: а — схема; б—г — рремеиные диаграммы токов, потребляемых из сети

Первый из вентильных комплектов собран на тиристорах, второй — на диодах. Выходное напряжение выпрямителя является суммой выходных ЭДС его среднее значение с учетом (6.2) равно

где находится по (6 9).

Потребляемый из сети ток U является суммой двух токов: тока потребляемого управляемым комплектом гармоника которого сдвинута относительно напряжения на угол (рис. 7.7, б) и тока неуправляемого комплекта гармоника которого синфазна напряжению (рис. 7.7, в) (длительность коммутационных процессов считаем равной нулю). Результирующий ток, потребляемый двухмостовым выпрямителем из сети, показан на рис. 7.7, г, фазовый сдвиг его гармоники относительно напряжения . Зависимость для схемы рис. 7.7, а приведена на рис. 7.5 (кривая 2) и показывает, что в схеме достигается такое же повышение коэффициента мощности, как и в однофазной схеме с нулевым вентилем рис. 7.6, а.

Рис. 7.8. Четырехмостовой несимметричный выпрямитель

На рис. 7.8 приведена схема четырехмостового несимметричного выпрямителя, выходное напряжение которого равно сумме выходных напряжений четырех вентильных комплектов: управляемых и и неуправляемых ВК2 и ВК4.

На подают управляющие импульсы с углом управления а на ВКЗ — с углом управления . Среднее значение выходной ЭДС четырехмостового выпрямителя равно с учетом (6.2)

где .

Ток, потребляемый преобразователем из сети, состоит из суммы токов, потребляемых четырьмя вентильными комплектами, при этом токи, потребляемые , не имеют фазового сдвига относительно напряжения, а токи и ВКЗ сдвинуты на углы соответственно.

При выходное напряжение регулируется путем изменения угла управления а угол управления ВКЗ . Фазовый сдвиг основной гармоники тока, потребляемого четырехмостовым выпрямителем из сети, вызван фазовым сдвигом тока на угол . Путем несложных вычислений можно получить

При выходное напряжение выпрямителя регулируется с помощью изменения угла управления ВКЗ , угол управления (при пренебрежении коммутационными процессами и рассмотрении идеальных вентилей ). Фазовый сдвиг основной гармоники тока, потребляемого четырехмостовым преобразователем из сети, равен в этом режиме .

На рис. 7.5 (кривая 3) представлена зависимость для четырехмостовой схемы выпрямителя рис. 7.8, которая показывает, что этот выпрямитель обладает повышенными значениями коэффициента мощности.

Повышение коэффициента мощности с помощью многомостовых несимметричных выпрямителей широко применяется при использовании преобразователей большой мощности, где оправдано использование составных схем выпрямления (см. § 6.6). Разработано большое число подобных преобразователей и режимов управления ими. Достоинством подобных способов повышения коэффициента мощности является то, что силовые схемы преобразователей при этом не содержат дополнительных элементов и капитальные затраты на создание таких преобразователей не увеличиваются по сравнению с симметричными преобразователями той же мощности.

Однако в вентильных преобразователях с естественной коммутацией вентилей недостижима полная синфазность основной гармоники потребляемого из сети тока и питающего напряжения, поэтому значения не могут быть получены. Сохраняется всегда и несинусоидальность тока, потребляемого из сети, хотя при применении многих многомостовых преобразователей значения v весьма близки к 1.

Возможность получения при симметрии формы тока относительно напряжения существует в выпрямителях на полностью управляемых вентилях или в выпрямителях с искусственной коммутацией. Мощность полностью управляемых вентилей (транзисторов, двухоперационных тиристоров) до настоящего времени ограничена, в то же время преобразователи с высоким значением коэффициента мощности интересуют главным образом в области больших мощностей, поэтому на практике речь может идти о тиристорных преобразователях с цепями искусственной коммутации. Упрощенная схема трехфазного нулевого выпрямителя с искусственной коммутацией представлена на рис. 7.9, а, временные диаграммы показаны на рис. 7.9, б, в.

Рис. 7.9. Выпрямитель с искусственной коммутацией вентилей: а — упрощенная схема; б, в — временные диаграммы токов и напряжений

При подаче в момент , отстающий на угол а от момента естественной коммутации, управляющего импульса на тиристор V1 он отпирается и напряжение на выходе выпрямителя . В момент V1 запирается с помощью специального узла искусственной коммутации УИК, для чего в этот момент к тиристору прикладывается обратное напряжение предварительно заряженного конденсатора, входящего в состав УИК. На интервале за счет энергии, накопленной в индуктивности цепи нагрузки, ток протекает через диод , и эта энергия рассеивается в сопротивлении .

В момент включается тиристор V2, который запирается при воздействии УИК в момент , и снова включается диод . На интервале работает V3. Моменты запирания тиристоров и т. д. находятся на угол левее соответствующих точек естественной коммутации, так что кривые токов вентилей, и, следовательно, первичных токов, потребляемых от сети, симметричны относительно синусоиды напряжения . Вследствие этого и реактивная мощность по гармонике вентильным преобразователем не потребляется при любом значении а. Поэтому коэффициент мощности, определяемый лишь иесинусоидальностью тока высок.

Выходное напряжение выпрямителя рис. 7.9, а

Таким образом, выпрямители с искусственной коммутацией позволяют повышать коэффициент мощности до высоких значений за счет полного исключения потребления преобразователем реактивной мощности по гармонике. Это является большим достоинством таких преобразователей, вызвавших к ним повышенный интерес. Большую роль в. развитии подобных устройств сыграли работы советских ученых, в том числе работы проф. И. Л. Каганова и И. М. Чиженко. Однако вентильным преобразователям с искусственной коммутацией присущи серьезные недостатки: введение дополнительных элементов значительно увеличивает стоимость и массогабаритиые показатели. Создание надежных схем искусственной коммутации на уровне больлих мощностей представляет большие трудности. Кроме того, схемы с искусственной коммутацией не обеспечивают синусоидальности потребляемого тока, в связи с чем нельзя достигнуть предельных значений и сохраняется зависимость от режима работы. Поэтому вентильиые преобразователи с повышенным коэффициентом мощности и искусственной коммутацией не нашли до настоящего времени широкого применения, хотя продолжающиеся работы демонстрируют заметный прогресс в этом направлении.